TMSR-SF1保护系统模拟装置数据管理系统的设计与开发

赵金婵 刘 烨 后 接

1(中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800)2(中国科学院大学 北京 100049)

0 引 言

钍基熔盐堆核能系统TMSR是中科院先导研究专项之一，其战略性目标是研发第四代裂变反应堆核能系统。反应堆保护系统RPS(Reactor Protection System)在启动和运行过程中的目的是保证反应堆的安全，限制反应堆在允许的范围内运行，缓解事故后果，保护环境及人员的安全[1]。

TMSR-SF1(10MW固态燃料钍基熔盐实验堆)拟自主研制基于FPGA的数字化保护系统。TMSR-SF1保护系统可靠性分析是样机研制中的一项重要工作。2015年7月，国家核安全局发布了《关于开展核电厂设备可靠性数据采集工作的通知》，要求各核电厂运营单位开展核电厂设备可靠性数据采集工作[2]。根据TMSR仿真堆保护系统设计方案，保护系统技术规格说明书，在保护系统设计阶段，有必要进行测试验收。一方面是FPGA板卡和模块板卡的性能测试，另一方面是信号处理和逻辑处理的功能测试。

当今世界上凡是拥有核电的国家，对建立核电厂数据库的工作极为重视。如美国核电运行研究所、日本核情报信息中心等，都建立了核电运行信息系统，实现了核电领域的运行经验反馈。我国核电事业进入发展阶段，核动力运行研究所的邵菊英等研制了核电厂运行数据库；中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所的杨坤等研究设计了有关于反应堆退役废物信息的管理系统；海南核电有限公司的王静等分析研究了核电设备可靠性数据库的建立，对核电厂各方面的数据管理需求提出了研究方案。本文的数据管理平台是在借鉴国内外核电厂信息系统的基础上，结合TMSR-SF1保护系统数据的特点，独立设计开发的系统。根据TMSR-SF1保护系统模拟装置的测试大纲要求，自主研究设计了获取测试数据的采集方案和获取了部分测试数据。在此基础上探索保护系统信息管理平台的功能和需求，从管理员和普通用户的角度出发，分析了数据处理流程，设计了信息管理平台为现有文件资料的归档整理及相关数据的查询和统计分析等提供了技术保障和实现方法。该系统选择基于数据库技术的数据存储，通过确定数据结构把关联表格通过完整性约束进行关联，使用软件开发技术进行上层应用的开发，实现了数据管理的需求。与传统的文件管理方式相比，该系统提高了检索、分析、统计数据的速度，也提高了工程管理人员的工作效率。

1 数据管理的需求分析

反应堆的安全运行是以组成系统设备的安全运行为基础的。为了提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，需对设备进行科学系统全面的管理，建立有效的设备可靠性管理体系[3]。保护系统的范围包括从与参数测量有关的敏感元件，到产生保护动作的电气部件、机械部件及电缆等。采用试验法进行质量鉴定，即通过对工程样机实体进行必要的试验，确认系统的功能、性能和环境适应性是否满足项目法规、标准规定的要求；评价样机的可靠度水平是否能够达到既定的目标，样机组成的系统是否符合安全性有效性指标要求。

TMSR-SF1保护系统模拟装置的设计是在FPGA中实现的，系统的自主研制历经原理样机、原型样机、工程样机阶段。各个阶段的研制和测试过程产生了大量的文件和数据，文件资料包括：设计文件、电路设计图、原理样机文件、原型样机文件、系统安装图、系统设计图、设备明细表单等。数据资料包括：设计数据、可靠性数据、定值数据、元器件清单以及测试验收过程中产生的大量试验数据等。保护系统的设计文件以及前期测试数据是确保工程质量的重要内容。如果通过原始文件的形式查阅大量资料，是一项复杂而又浪费人力的工作。而对于TMSR核能保护系统数据管理目前尚没有一个更好的解决方案，设计和开发便于保护系统研制的数据管理系统对于安全级保护系统的研制乃至其他系统的研制和验证过程都是一个有益的尝试。

保护系统模拟装置的数据管理系统，主要面向工程管理人员和有工程数据使用权限的人员。为保证系统的安全高效性，按照应用需求和数据使用、分析关系，简洁梳理、分析了几类用户的数据处理类型及流程：

(1) 文件管理。管理员根据文件资料类型建立资料库，进行文件的分类上传、修改、删除等操作。用户可以根据文件的名称属性、版本属性访问查询下载的功能。

(2) 数据管理。管理员对测试数据分类录入，把原始测试数据和计算所得误差数据分类存储，以便数据的统计分析。用户按照分类查询测试表，得到测试数据。

(3) 统计分析。管理员及用户根据测试板的误差数据，绘制误差分析曲线，分析测试性能及测试结果。

(4) 用户管理。管理员用户对普通用户具有管理权限，给工程内部人员分配使用权限，登记新的用户信息，定期清除工程外用户。

具体的数据处理流程如图1所示。

图1 数据处理流程图

2 数据获取

可靠性数据包括可靠度、失效率和平均故障时间等[5]。使用手册查得每个元件的各个参数，计算元件的应用失效率。将子卡中所有元件的失效率叠加，可得到相应单元总的失效率[6]。测试数据是可靠性数据的重要组成部分，为保护系统安全运行提供着数据支持。保护系统模拟装置的数据管理系统分为文件管理和数据管理两部分。文件资料大部分来自于工程设计，而测试数据需要设计测试方案，搭建测试平台，最终得到测试数据。测试数据的采集根据试验数据采集的处理原则：应国家核安全局要求，核与辐射安全中心于2012年初完成了《核电厂设备可靠性数据采集》初稿，文件参考了NUREG/CR-6823国内运行核电厂在设备可靠性数据采集方面的实践经验，同时也充分考虑了保护系统安全分析工作中在数据分析方面的要求，设计了保护系统试验数据的采集方案[4]。

对不同类型的测试设计不同的测试方案。板卡的电源短路检查，通过万用表测量板卡的电源电阻，测量各个板卡电源对地电阻是否大于200 Ω，记录电源电阻测试结果并录入电子表格。性能测试通过搭建测试平台收集数据，选择NI PXI 6602机箱作为信号源，连接到保护系统机箱，在PCI计算机上搭建LABVIEW程序，控制信号产生与数据收集，如图2所示。程序需设置接口波特率，数据比特长度等匹配NI PXI机箱中测试源信号。根据数据的精度分析需求误差值小于0.5%，数据采集精度应至少保留4位小数。在测试时输入误差计算公式，可以同时计算出测试误差，并记录在误差表中，便于进一步分析。

图2 测试硬件连接图

在板卡性能测试中，由于板卡类型种类多样，根据不同类型板卡的测试需求需要NI PXI 6602机箱提供相应的源信号以获取不同的测试结果，测试要求如表1所示。通过LABVIEW搭建测试平台，实现端口的读写控制，设定读写周期，自动获取测试数据并实时记录。在试验过程中发送性能测试所需信号量，再将接收到的十六进制编码按照规则解码，得到最后结果。这是测试过程中数据的主要来源和对板卡分析的重要依据，把采集到的数据记录到电子表格中，再通过数据库的接口管理，导入数据到数据库中，分析数据的逻辑结构以便进一步的软件开发。

表1 性能测试信息表

功能模块测试主要针对通信协议的发送及解析，各个子模块之间采用的协议各不相同，需要逐一进行测试。通信协议分为状态显示类、关键数据传输类以及操作指令类。

测试时，测试设备按照协议格式，向待测模块发送正确的数据，测试其是否进行了正确地解析以及执行相关的操作。另外，还会向待测设备发送错误的数据，测试其是否能够进行识别并且不会错误操作。待测设备的输出数据也会发送给测试设备，然后人为比较其是否与既定的协议相同，且输出正确的数据。一旦输入或输出出现错误则分析原因进行修正。各个子模块的输入输出采取先独立测试的方式，并记录测试结果：正确或出错。全部正确后，再将各子模块按照实际运行时的连接方式连接后进行测试，测试结果通过输出状态数据到测试设备进行分析，并记录结果：正确或出错。最后将模块集成到实际的设备中进行系统测试，通过观察系统的输出进行判断，记录结果：正确或出错。按照表2通信要求进行数据的发送、接收。

表2 功能测试信息表

3 数据库实体关系及存储

通过收集、整理和分析保护系统的资料，确定了存储数据，主要包括文件资料、原始测量数据和经过误差分析计算的派生数据。测试数据包含不同类型的板卡测试，相同类型的板卡又有不同项目的测试。例如TI温度采集卡，需要测试其热电偶模式下的电压值、热电阻模式下的电阻值、电源电阻值和计算得到的误差值。把这几种测试结果分别记录到不同的表格中，并用外键的形式关联起来，保证数据的完整性和一致性。待测板还包括AI模拟电流采集卡、VI模拟电压采集卡、DI数字隔离输入采集卡、FI脉冲信号采集卡、DO数字隔离输出采集卡、RS485通信子卡和FPGA主板。数据库实体关系如图3所示。把不同的测试数据转化为不同的关系表，把不同的参数和测试条件转化为不同的属性列，把现实世界中的测试数据映射存储到关系式数据库对应的数据表中[7]。

图3 数据库实体关系图

在测试数量多，测试数据类型多样的情况下，用手工录入的方式几乎是不可能的。因此采用数据库接口批量导入的方法，读取数据表格，将测试数据导入到数据库中，将文件的存储路径存入数据库表中。根据数据库的规范化管理，建立符合范式的数据库表格，给软件开发层提供良好的底层数据基础。

4 数据管理系统软件开发

数据管理系统的开发采用目前成熟的C/S构架模式进行软件开发，如图4所示。按照软件开发的流程，从需求分析、概要设计、详细设计、编程开发和测试等步骤进行。

图4 C/S架构模式示意图

4.1 概要设计

在准确了解与分析用户需求的基础上，概要设计了包括业务及其数据流的划分、数据接口驱动、模块划分和测试验证等相关设计内容[8]。底层数据采用SQL Sever 2008数据库管理系统进行存储和管理，应用程序使用Delphi软件进行开发，ODBC采用ADO数据库连接技术实现。系统功能主要分为3个模块，如图5所示。其中：数据管理分为性能测试模块、统计分析模块以及功能测试模块；文件管理分为文件分类管理和文件上传下载子模块；用户管理分为用户信息查询和用户信息修改子模块。

图5 功能分解图

4.2 详细设计

详细设计主要规划和设计如图3所示的实体关系，包括实体的数据库表结构定义，目标是满足系统的数据存储、管理、应用和分析使用。

4.3 编程开发

详细编码阶段，文件管理模块采用文档管理服务器来控制所有文档资料的操作，需要创建DCOM服务器，调用API函数实现托盘图标，应用线程实现文件的上传下载[9]。数据显示模块按照数据查询需求调用查询函数，使用DBgrid控件显示数据。结果分析根据表1测试板合格标准，通过编写代码实现板卡测试结果合格与否的查询，并使用DBchart控件实现误差分析曲线的绘制。

4.4 测试使用

测试使用文件管理系统的主界面如图6所示。用户可根据需求选择文件资源集，对应文件夹以树形图展示在左边列表，并以文件的形式展示在右边的文件列表中。用户可以右键选择进行文件及文件夹的添加、修改及删除功能，并实现数据的上传、下载功能。界面的通用性比较高，所有数据资料均可由用户指定上传下载。在整理时可以根据资料集分类存储，文件夹也是一种良好的分类方法。用户可以通过文件或者文件夹的名称进行搜索功能，设计初期将工程的系统设计图、设计明细、系统安装图导入其中进行了良好的试验。

图6 文件管理系统

测试数据主要是为了便于检索，主界面的布局采用数据表的形式展示。从性能测试、功能测试以及统计分析三方面进行管理。性能测试按照板卡类型，板卡编号，测试内容选择。板卡类型包括AI(VI、DI、FI、TI、DO)，板卡编号对应板卡类型，测试内容包括电阻测试和信号采集测试。用户可根据需求查询浏览表格中测试结果，如图7所示。

图7 测试结果

测试板的性能变化趋势和统计分析从误差表中获取数据。根据所选板卡类型以及板卡编号点击统计分析，把不同板卡用不同类型曲线表示，反映具体板卡的误差变化趋势，如图8所示。可以通过消除按键删除测试结果中明显异常的变化曲线，以消除对整体趋势的影响。

图8 统计分析

5 结 语

本文分析了保护系统数据的多样性及测试过程产生的数据，探讨了测试工作中数据采集的方法。针对测试数据缺乏信息化、系统化的实际问题，提出了数据库系统的开发的可行方案，设计了数据库管理系统，解决了保护系统文件管理、测试数据的管理与查询，为保护系统可靠性分析提供了重要依据。把保护系统模拟装置数据管理软件应用在现有的资料管理上，实现了资料的分类检索、录入和存储。对测试数据的管理，实现了准确快速的查询，给保护系统可靠性分析提供重要的依据。数据库系统应用测试表明该数据库使用速度快而且安全稳定。这一应用节约了用户通过存储介质管理文件检索数据的空间和时间，给实际的工作中带来了便利。TMSR-SF1保护系统测试数据是TMSR-SF1工程数据库的组成部分，工程数据库的数据种类更加繁多，对今后工程数据库的建立具有参考价值。