★北京广利核系统工程有限公司时建纲，武方杰，曹宗生

★辽宁红沿河核电有限公司张天元

关键词：DCS系统；步进电机；设备鉴定；自动测试装置

DCS系统中人机接口的控制设备包括：按键、开关、键盘、触摸屏等，起到紧急停堆及专设等安全控制重要作用。对其进行测试，是核电厂安全级DCS实现过程中不可缺少的质量环节。

依据设备鉴定的主要标准《核电厂安全级电气设备鉴定》（GB/T 12727-2017），新设计和选型的产品应用于核电中需要进行型式试验，试验中需要满足规定的运行条件和环境。对于人机接口的控制设备的鉴定试验，需要在规定的运行条件和环境下验证其功能和性能。

1　问题提出及分析

吸取日本福岛核事故的教训，在地震等异常工况造成的高温、强电磁辐射等严酷环境下，验证人机设备的控制功能及性能是十分重要的。

在核电厂安全级设备鉴定中，型式试验所要求的“规定的运行条件和环境”包括极端严酷条件（例如：高温、高湿、低温、电磁辐射、地震及机械振动等）。在上述条件下，目前的通用做法是：对于个别安全重要设备，例如紧急停堆和安全专设盘中的按钮、开关，由测试人员在严酷的高温及高湿环境下对设备进行操作。在高温高湿的测试环境下由测试人员操作设备，除了容易对人员的皮肤、眼睛造成灼伤外，由于高温使被测对象中的有机物更易挥发，也容易对人员的呼吸道造成伤害，甚至中毒。此外，在抗震试验、机械振动试验、电磁兼容（EMC）试验中，是不允许人员靠近设备的。按照以往的测试方法，很难验证人机控制设备在试验应力下是否正常，只能在试验前后验证一下试验应力是否破坏设备；或者对个别重要的按键、开关，采用电磁铁固定在被测设备台面上进行远程控制，如图1所示。

图1 用于抗震试验中测试盘台按键的原始方案

2　型式试验的环境特性

GB/T 12727中规定的型式试验应力包括：“环境温度和压力、相对湿度、辐照水平、运行基准地震和非地震性振动、运行周期、电负荷和信号、凝露、化学喷淋和浸没、电磁兼容（EMC）”等条件。仪控设备在安全壳外的环境下运行，不涉及“辐照”“化学喷淋和浸没”“盐雾”等试验条件。在GB/T 12727的基础上，国内核电DCS行业综合考虑了美国标准体系及欧洲标准体系对设备鉴定的要求，由国家核安全局颁布了《核电厂安全级电子设备鉴定规程》（NB/T 20344-2015）。该标准将鉴定试验条件分为“老化”“极限运行条件”和“事故工况”三类。根据实际执行特点，这三类试验归纳为“基准试验”“环境试验”“EMC试验”“抗震试验”，除基准试验外，其它试验项需要在严酷环境下执行测试。依据上述标准，对测试装置在鉴定试验中的应力进行分析：

（1）环境试验

由于测试设备需要与被测对象一起在试验应力下进行试验，因此测试设备需要满足防护要求综合考虑环境试验的高/低、温运行，以及环境湿热试验，其极限环境包括：

高温/高湿：65℃，95%RH；

低温：-5℃；

机械振动：频率10~500Hz，加速度0.1g。

（2）电磁兼容

在EMC试验中，用于验证人机设备的测试装置不受电源线和信号线传导应力的影响，但需要考虑其与被测设备共同暴露的电磁环境部分，包括：

辐射抗扰度试验：幅值10V/m；频率80MHz~6GHz；

工频磁场抗扰度试验：频率50Hz，执行5次；稳定磁场30A/m，持续时间30s；短时磁场300A/m，持续时间3s；

脉冲磁场抗扰度试验：脉冲磁场300A/m，脉冲间隔10s；

阻尼磁场抗扰度试验：频率100kHz和1MHz；阻尼磁场30A/m，持续时间2s。

（3）抗震

测试装置与被测设备需要共同经历抗震试验。依据标准，试验中包括5次OBE（操作基准地震）和1次SSE（安全停堆地震）试验，参考几个核电项目的楼层反应谱，并包络最严酷的工况，其参数为：5~100Hz频率，0.3~0.5g的加速度，持续30s。

3　自动测试的需求分析

实现按键、开关、键盘、触摸屏的自动操作，需要模拟人员的操作模拟，保证X、Y、Z三个空间坐标覆盖被测对象，并且保证控制范围和精度满足常规的测试需求。此外，还需要模拟人员的操作步骤，按照按键的操作顺序逐步进行。

3.1　控制范围

对于按键、开关、键盘、触摸屏等人机接口的控制设备的自动操作，需要实现X、Y两轴向的坐标控制以及Z轴方向的按压控制。

根据被测对象产品特点，尺寸较大的物体包括：盘台按键控制区、安全级触摸屏和安全级键盘。上述产品中需要测试按键的尺寸分布如下：

（1）盘台按键控制区

以某堆型的盘台为例，如图2所示。

图2 某堆型的盘台

在鉴定试验中选取的被测按钮区域的实际尺寸为15cm×25cm。（注：根据鉴定型式试验原则，在试验应力下测试的按钮应覆盖各类型被测产品进行验证，因此无需在试验中对盘台上所有的按键全部进行测试。）

（2）安全级键盘

以某堆型安全级键盘为例，其按键范围为35cm×25cm。

（3）安全级触摸屏

以规格较大的19寸安全级触摸屏为参考，尺寸为40.9cm×25.5cm，如图3所示。

图3 安全级触摸屏

综上所述，X、Y轴向的控制范围在40cm×30cm范围内，可满足常规的鉴定试验要求。

3.2　控制精度

对于控制精度，需要考虑被测按键及旋钮的大小。常规触摸屏按键或安全级键盘按键直径（或边长）不小于1cm。根据实际测试，对于直径（或边长）1cm的按键，在其中心位置±1.5mm范围内，可保证控制精度，如图4所示。

图4 触摸屏按键的位置精确度要求示意图

因此，X、Y每个轴向的控制精度小于1mm可满足要求。

3.3　与被测对象的固定

用于测试的辅助装置不应破坏被测设备的功能和结构，并应在各类试验中保证正常运行及控制精度。在此前提下需要保证测试设备与被测设备牢靠安装，对于某些被测样品，需要测试装置90度垂直安装，如图5所示。

图5 某堆型盘台的测试装置安装角度

安装的机械强度应满足第2章节的机械振动和抗震试验要求。

3.4　控制流程

由于被测对象包括DCS的触摸屏或键盘，自动测试应可以连续操作多个按键。例如通过菜单逐级操作，进入到某个控制现场设备的界面。因此需要实现对多个位置按键按照一定顺序进行操作。根据鉴定的原则，在试验中应能实现对典型功能的测试，依据测试经验最多实现的位置（按键）数量不少于16个，按键操作步骤不低于10步。

测试示例如图6所示：

（1）点击上方的大号“Safety Injection Control Valve”按键；

（2）点击“AUTO MANU”按键，使左侧的“MANU”显示激活状态；

（3）连续点击向上“Δ”按键，使指示数字由0递增到100%，测试DCS的实际输出信号；

（4）连续点击向下“▽”按键，使指示数字由100%递减到0，测试DCS的实际输出信号。

图6某堆型盘台操作界面示意图

3.5　抗试验应力要求

依据上一章节的结论，测试设备需要满足的防护要求如下：

高温、高湿：65℃，95%RH；

低温：-5℃；

机械振动：频率10~500Hz，加速度0.1g；

辐射抗扰度试验：幅值10V/m；频率80MHz~6GHz；

工频磁场抗扰度试验：频率50Hz，执行5次；稳定磁场30A/m，持续时间30s；短时磁场300A/m，持续时间3s；

脉冲磁场抗扰度试验：脉冲磁场300A/m，脉冲间隔10s；

阻尼磁场抗扰度试验：频率100kHz和1MHz；阻尼磁场30A/m，持续时间2。

抗震试验：频率5~100Hz，加速度0.3~0.5g，持续时间30s。

4　设计实现及应用

基于上述需求分析，对测试装置的研制需要在实现功能的基础上满足在鉴定试验的各项指标下运行。对装置的设计，需要从机械、电子控制和软件编程几个方面入手，再进行综合设计，满足各方面需求。

4.1　机电设计

用于测试按键或触摸屏的自动机械臂，由X轴步进电机带动Y轴步进电机、丝杠及电磁铁在X轴精确位移；Y轴步进电机带动Y轴丝杠及电磁铁在Y轴向上的精密位移，这样就保证了电磁铁在X、Y轴的精确位移。在此基础上，通过对电磁铁的控制，使电磁铁的铁芯模拟人手指对多个按键、触摸屏、键盘的操作。其机械结构实现方式原理如图7所示。

图7 由两轴步进电机组成的自动操作机械臂

图7中：A为X、Y轴步进电机；B为X、Y轴限位开关；C为X、Y轴丝杠（活动范围优于40cm×30cm）；D为X、Y轴滑台；E为X、Y轴滑台支架；F为电磁铁：模拟人手指对各类按键或键盘的操作。

4.2　电子控制原理

上述设备的电气控制原理如图8所示。

图8 设备的电气控制原理图

（1）可编程控制器的功能如下：

·可对控制器进行编程，包括多个操作序列，每个序列中实现对多个按键按照顺序进行操作。该控制器可存储16个操作序列，可最多存储500个操作位置。

·2个步进电机控制口，实现X、Y两轴的位置、方向和速度的控制。

·1个通信端口，可接收上位机控制电脑的指令，上位机的指令对应控制器预先编制的各个测试序列。

·1个数字量输出通道，通过继电器增加驱动能力，实现对电磁铁的控制。

·4个数字量采集通道，分别对X轴步进电机和Y轴步进电机实现正反两个方向的位置保护（防止电机在失控状态下位置跑飞，造成设备损坏）。

（2）步进电机驱动器：其设置为2A的电流输出，以及32细分的控制精度。采用2A的输出可满足步进电机对负载的移动，32细分的控制精度配合螺距2mm的丝杠，可使理论上控制精度达到0.0625mm。

（3）步进电机：与驱动器配合，实现2A的最大输出电流和32细分的控制精度。与丝杠、滑台、电磁铁等负载安装后，实际测试的控制精度可达到0.3mm，满足1mm的控制精度要求。

4.3　控制编程

当设备上电时，X轴和Y轴步进电机带动电磁铁运动到原点位置进行机械寻零操作。

进入运行模式后，可编程控制器等待接收上位机的指令。在接收到上位机控制信号时，首先X轴和Y轴步进电机带动电磁铁运动到该信号的对应坐标位置（事先在编程过程中确定），然后触发电磁铁激发被测按键或开关，再运动到下一位置进行同样操作，这样就可实现多个位置的系列操作。

说明：

（1）子程序101执行复位功能，将管式电磁铁位移到指定的预设位置；

（2）子程序505执行对管式电磁铁的操作，通过对电磁铁的得电→延时→失电控制，模拟人指对按键的操作；

（3）当控制器接收到某一操作控制指令（对应一个系列）后，按照预先设置的顺序执行本序列的按键操作，即：复位→位置1→按键→位置2→按键→位置3→按键→……→位置n→按键→复位；

（4）在某一序列结束后，等待下一个数字量采集到控制指令或程序结束指令。

图9 机械臂的自动控制程序

4.4　试验应力防护设计

对于抗震和机械振动应力，试验采用模块化主体框架方式，将步进电机、丝杠、滑台和电磁铁等器件进行组合。除螺栓安装外，当被测设备为铁或钢制结构并不能被破坏时，采用四组强力磁铁在各边固定，也可满足抗震试验要求。

图10 机械臂与被测对象的固定示意图

对设备进行抗震试验的现场照片如图11所示。

图11 对自动机械臂进行抗震试验环境下功能验证的现场照片

选型的步进电机为工业级产品，经过实际测试，在65℃的环境中运行2小时测试未发生损坏。考虑其在高温高湿试验中易受温湿应力的共同侵蚀而损坏，通过在丝杠与电机之间填充憎水类油脂，实现电机内部与外部环境中的水蒸气的隔绝。采用两个对开的挡板，将憎水类油脂限制在电机与丝杠形成的凹槽内，如图12所示。

图12 对丝杠和步进马达实现防护的憎水导热硅脂挡板

由于步进电机控制器和驱动器可采用长导线连接，并对设备和线缆进行屏蔽接地处理，而步进电机本身带有屏蔽外壳，对电磁辐射干扰不敏感，因此在各项辐射抗扰试验中，装置可正常运行，没有受到干扰。

经过上述设计的自动测试装置应用于阳江、红沿河等项目的安全级盘台鉴定试验中，在环境、EMC及抗震试验中执行对被测对象的测试，实现了测试自动化并且未发生损坏。本装置的投入，可验证被测对象在各种极端环境下是否正常，提高了测试效率。

图13 机械臂在高温高湿环境下对EUT进行验证的现场照片

5　结论及展望

本文所述的测试装置实现了在严酷的核电安全级设备鉴定试验环境下，对被测按键、触摸屏、键盘的自动测试，不仅提高了测试的充分性，也避免了试验人员进入严酷环境所带来的健康损害。该设备应用于核电DCS的型式试验中，获得了很好的效果。本文的应用成果可扩展到电子设备自动化测试领域。

作者简介：

时建纲（1974-），男，北京人，高级工程师，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事鉴定检验工作。

参考文献：

 [1] GB /T18271.1-2017. 过程测量和控制装置通用性能评定方法和程序[S].

[2] NB/T 20344-2015. 核电厂安全级电子设备鉴定规程[S].

[3] 时建纲, 张亚栋, 高玉斌, 等. 一种用于多按键电子设备的自动测试装置及方法: CN110726894B[P]. 2022-12-06.

摘自《自动化博览》2024年9月刊