陈 钊，文 景，周 青，刘明明，章 雨（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）

0 引言

SVDU简称是安全显示控制单元，主要为核电站提供保护参数监视、重要设备控制、保护系统设备状态信息和日志记录等功能，是安全级DCS系统的一个重要组成部分，在核电站中起着至关重要的作用，其上下行响应时间是安全级DCS系统最重要的性能指标之一。

美国核管理委员会（NUREG-0800）标准评审大纲规定：DCS系统相关时间的指标需要分配到DCS的各个部分，同时要求在DCS的详细设计时考虑系统的响应时间，在DCS的性能确认阶段测试系统的响应时间[1]。HAD102/16中也有关于响应时间测试的建议性要求[2]。因此，对DCS系统响应时间的理论分析和实际测试是非常有必要的。本文通过分析SVDU上下行链路响应时间，并设计测试方案以实现SVDU上下响应时间测试，最后对测试数据进行统计学分析。

图1 A系列1/2系统架构图Fig.1 A series 1/2 system architecture diagram

图2 信号输入变化到SVDU屏幕显示信号链路Fig.2 Path of signal input changes to SVDU display

图3 信号输入变化到SVDU屏幕显示响应时间计算Fig.3 Calculation of the response time of signal input changes to SVDU screen display

1 SVDU上/下响应时间理论分析

1.1 最长链路选取

依托中国核动力研究设计院研发的核电厂安全级DCS平台（NASPIC）搭建的华龙工程样机为例，其1/2系统架构图如图1所示。通过架构图可以看出，SVDU仅与专设TU存在接口关系，经信号传输路径分析，SVDU上行监视最长链路为：传感器→PIPS→RPC→保护TU→专设TU→SVDU；SVDU下行控制最长链路为：SVDU→专设TU→保护TU→RPC→断路器。

1.2 响应时间最大值理论计算

1）SVDU上行响应时间

信号输入变化到屏幕显示时间。以逻辑系列A的IP保护组为例，信号输入变化到屏幕显示时间的最长链路为：传感器信号→调理模块→RPC→保护组TU→专设TU→SVDU。响应时间范围如图2、图3所示。

RPS需求规格书中主控模块的最大负荷要求不超过60%。结合NASPIC平台主控模块的运行周期可配，并考虑安全级DCS系统中的各模块可能出现异步运行，所以主控模块运行周期从开始接收数据到发出数据的最差响应时间为主控模块运行周期的1.6倍。在最坏情况下，信号输入变化到屏幕显示时间为：

将NASPIC平台模块响应时间数据以及主控模块运行周期数据代入公式，计算出最坏情况下，得出信号输入变化到屏幕显示时间，响应时间为425.0ms。其中，TIS为调理模块响应时间；TI为输入模块响应时间；TMPU为主控模块响应时间；TCOM为通讯模块响应时间；TLCD为液晶屏响应时间。

图5 SVDU命令下达到安全级DCS信号输出响应时间计算Fig.5 Calculation of the response time of SVDU command sending to safety DCS signal output

图4 SVDU命令下达到安全级DCS信号输出信号链路Fig.4 Path of SVDU command sending to safety DCS signal output

图6 SVDU上行响应时间测试原理Fig.6 Principle of SVDU uplink response time test

2）SVDU下行响应时间

从操纵员的操作动作执行到安全级DCS信号输出时间。以逻辑系列A的I保护组为例，从操纵员的操作动作执行到安全级DCS信号输出时间的最长链路为：控制指令动作→SVDU-A→TU-A→TU-1→RPC。响应时间的信号输出走向以及响应时间范围分别如图4、图5所示。

RPS需求规格书中主控模块的最大负荷要求不超过60%。结合NASPIC平台主控模块的运行周期可配，并考虑安全级DCS系统中的各模块可能出现异步运行，所以主控模块运行周期从开始接收数据到发出数据的最差响应时间为主控模块运行周期的1.6倍。在最坏情况下，从操纵员的操作动作执行到安全级DCS信号输出时间为：

将NASPIC平台模块响应时间数据以及主控模块运行周期数据代入公式，计算出最坏情况下，得出从操纵员的操作动作执行到安全级DCS信号输出时间，响应时间为420.0ms。其中，TO为输出模块响应时间；TMPU为主控模块响应时间；TCOM为通讯模块响应时间；TLCD为液晶屏响应时间。

2 响应时间测试设计

2.1 测试策略

根据RPS需求规格书，从信号输入变化到屏幕显示时间≤1.0s和从操纵员的操作动作执行到安全级DCS信号输出≤1.0s的性能指标要求。通常在工厂测试期间，针对SVDU上下行响应时间验证，主要采用“分析法和试验法”相结合的方法进行验证，证明其性能指标是否符合技术规格书要求。本文以华龙工程样机工厂测试为例，在SVDU上下行响应时间测试设计时，主要遵循以下3个策略：

1）根据系统架构分析信号传输路径，梳理出SVDU上下行最长信号链路，并计算得出最长链路的最大理论值。

2）分析链路中逻辑的复杂度，选取逻辑块最多的链路进行测试。

3）结合1）、2）策略，测试最长链路响应时间数次，得出SVDU上下行最长链路的实测值。

2.2 响应时间测试原理

1）SVDU上行响应时间测试原理

使用多通道记录仪连接DCS控制柜输入端子，并采集现场信号，将采集到现场信号变化时刻作为多通道记录仪T1；再使用多通道记录仪连接光电倍增管，通过光电倍增管捕捉画面。当信号有变化时，画面颜色或是亮度的变化会使光电倍增管采集信号电压值发生变化，此光电倍增管输出电压信号阶跃变化点记为T2，即SVDU上行时间为T2-T1。测试原理图如图6所示。

图7 SVDU下行响应时间测试原理Fig.7 Principle of SVDU downlink response time test

图8 上行响应时间波形变化图Fig.8 Waveform variation of uplink response time

2）SVDU下行响应时间测试原理

使用多通道记录仪连接光电倍增管，通过光电倍增管采集手动操作SVDU上设备图符发生变化（当图符有变化时，画面颜色或是亮度的变化会使光电倍增管输出信号电压值发生变化），此电压信号变化时刻作为多通道记录仪的T1，同时使用多通道记录仪采集由SVDU操作产生的DCS设备控制输出信号，此输出信号的电压变化时刻作为T2，即SVDU下行响应时间为T2-T1。测试原理图如图7所示。

3 响应时间测试及结果分析

3.1 响应时间测试

响应时间测试主要包括测试准备、测试执行以及测试数据3个方面。

3.1.1 测试准备

根据SVDU响应时间原理以及测试装置设计研究，响应时间测试准备主要包括两个方面：一方面是选取试验过程中安全级DCS的SVDU上行/下行响应时间最长链路；另一方面是光电倍增管灵敏度的调整。

根据2.1节测试策略，选取试验中SVDU上行响应时间最长链路为：输入传感器信号（具体为开关量信号H0CLA011JA）→调理模块→保护组RPC→保护组TU→专设TU→SVDU画面IP停堆断路器复位（具体为RPC-A停堆断路器CLA011JA合闸）；选取SVDU下行响应时间最长链路为：操作员操作SVDU画面IP停堆断路器按钮（具体为发出CLA101KC命令并按下二次确认按钮）→专设TU→保护组TU→保护组RPC（具体为IP停堆断路器动作信号开关量H0CLA10EY012）。

3.1.2 测试执行

1）SVDU上行响应时间测试

根据所选SVDU上行响应时间最长链路进行测试，通过存储记录仪来记录波形变化：使用存储记录仪CH5通道来采集输入开关量信号H0CLA011JA跳变前后的变化波形（试验过程中该信号测量值由24V跳变至0V）；使用存储记录仪CH7通道来采集RPC-A停堆断路器CLA011JA合闸前后波形变化信号（试验过程中，该信号通过光电倍增管进行采集，信号测量值在1.6V～2.0V之间变化），其上行响应时间选取为图8中的T2-T1的时间差。但在实际测试过程中，光电倍增管采集的SVDU画面状态产生的阶跃信号不是很明显。为了保证减小其读数误差，往往在记录读取时，采用保守读取方式进行读取，以图9中的T3作为SVDU采集时间，所以SVDU保守的上行响应时间为：T3-T1。SVDU上行响应时间波形变化如图8所示。

2）SVDU下行响应时间测试

根据所选SVDU下行响应时间最长链路进行执行测试，通过存储记录仪来记录波形变化：使用存储记录仪CH7通道来采集操作员操作CLA101KC命令，并按下二次确认按钮前后模拟量的波形变化（试验过程中，该模拟量信号通过光电倍增管进行采集，信号测量值在0.1V～0.4V之间变化）；使用存储记录仪的CH10通道来采集输出开关量信号H0CLA10EY012的变化波形（试验过程中，该信号测量值由0V跳变至24V），其下行响应时间为T2-T1的时间差。SVDU下行响应时间波形变化如图9所示。

3.1.3 测试数据

根据所选SVDU的上行/下行响应时间最长链路，本试验进行了1000次连续不定时的试验测试，并对1000组SVDU上行/下行响应时间进行数据分析，部分SVDU上行/下行响应时间测试数据分别见表1、表2。

表1 SVDU上行响应时间部分测试数据（单位：ms）Table 1 Partial test data of SVDU uplink response time (unit: ms)

表2 SVDU下行响应时间部分测试数据（单位：ms）Table 2 Partial test data of SVDU downlink response time (unit: ms)

图9 下行响应时间波形变化图Fig.9 Waveform variation of downlink response time

3.2 试验数据分析

本试验采用连续的不定时试验方式，通过存储记录仪来存储SVDU上下行响应时间波形变化。本文各选取其中连续的不定时试验的1000组数据进行数据分析。针对SVDU上下行响应时间进行数据分析，两者均符合正态分布规律[3]，正态分布N(μ, σ2)公式为：

其中，μ为平均值；σ为标准差。

图10 SVDU上行响应时间直方图与正态分布密度函数图Fig.10 Histogram and normal distribution of SVDU uplink response time

图11 SVDU下行响应时间直方图与正态分布密度函数图Fig.11 Histogram and normal distribution of SVDU downlink response time

根据SVDU上行响应时间测试数据进行正态分布统计，连续不定时的1000组试验数据的平均值为353.16 ms，标准差为23.62，上行响应时间95%的概率落在区间为[306.86，399.46]上，测试数据最大值为399.5ms，与理论分析最大值425ms较吻合。连续不定时测试1000组SVDU上行响应时间直方图与正态分布密度函数图如图10所示。

根据SVDU下行响应时间测试数据进行正态分布统计，连续不定时的1000组试验数据的平均值为347.87ms，标准差为24.50，下行响应时间95%的概率落在区间为[299.85,395.89]上，测试数据最大值为396.0ms，与理论分析最大值420.0ms较吻合。连续不定时测试1000组SVDU下行响应时间直方图与正态分布密度函数图如图11所示。

4 结论

通过对SVDU上下行响应时间理论及测试数据分析，根据MPU接收数据的随机性，采用连续不定时的方式进行上下行响应时间测试，确保在不同时序下MPU接收实时数据所需要的响应时间的真实性和可靠性；在不影响MPU负荷的前提下，提升SVDU的主控模块性能可以直接减少SVDU上下行响应时间；经过1000次重复测试试验，SVDU上下行响应时间测试数据符合正态分布规律，且与理论分析结果一致；试验过程中，光电倍增管对光的敏感性很强，应保证只有SVDU屏幕这一种光源，保证试验的准确度，减少试验误差。