灰盒测试在核电站智能型电动头控制板件分析的应用

袁佳煌

（中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518124）

1 研究背景

核电厂有数百个系统使用各种管道，管道上的阀门一般有手动阀门、气动阀门、液动阀门、电动阀门。其中，电动阀门的开启和关闭来自电动执行机构的驱动，在核电厂一般俗称为电动头，部分火电厂称之为电动门、电动装置（简称电装），为叙述方便，专业统称为电动头。智能型电动头是阀门控制机构中产量大、使用面广的主要设备之一，其应用涉及潜艇、轮船、油井平台、火电站、核电站等各个方面。智能型电动头在核电站常规岛应用广泛，平均每台机组有190台智能型电动头，是各汽水油回路系统的重要控制设备，实现系统的自动控制，其重要性不言而喻。电动头分为机械式和智能式。其中，智能型电动头是将机械驱动机构与集成电路（PCB板）结合在一起，其控制更为灵活、智能，可适应各种控制需求，收到各类发电站、石油开采平台、潜艇、轮船等广泛运用。但是其内部结构更为复杂；具有高度集成的电路，故障的预见性低，难以被发现和查找。电动头在正常运行时，会受到温度、湿度、振动、盐雾腐蚀等的影响。其元器件可能产生化学或物理的变化，导致性能可靠性下降，这些下降日积月累，普通的测试手段无法发现；同时核电站对电动头的要求非常严格，电动头的故障可能给机组带来极大影响，将降低功率乃至停机停堆。阳江核电某机组就经历了由于电动头控制板件无法响应控制导致定期试验失败的故障；大亚湾核电、宁德核电等也发生过由于电动头信号故障，导致功率无法提升的故障。

随着核电站对成本效益的控制，核电站的检修策略从以往单一的定期更换、故障保守更换，逐渐向预防测试、故障修复等方向转换。然而智能型电动头由于其内部板件复杂，厂家的技术保密及通讯的多样化，导致现场测试或维修存在较大的局限性。一般采用目视检查或简单的测量来判断内部板件的可靠性，无法准确判断元器件级的故障，检修手段往往采用整体更换，带来大量的资源浪费。

2 国内外研究现状

智能型电动头的测试目前国内外仅采用整体测试，类似于黑盒测试的方式。以电动头为整体，通过给出电动头输入信号，观察测量电动头的反应，判断电动头的可靠性，进而判断板件的可靠性。这种测试方式针对电动头与系统、用户的联系，不考虑内部元器件结构，不考虑内部的运行逻辑，只是根据设计说明书的功能，对设备的输入输出端进行检测。如果内部有元件异常且不至于影响输出的潜在异常或原来输入输出对应关系未考虑的逻辑异常都是无法发现的。

无论从电站的角度还是智能型电动头自身发展的角度，智能型电动头控制板件的测试分析都显得尤为重要。本文主要探讨一种结合白盒检查和黑盒检查的灰盒检查技术，同时通过实际的应用及效果，评价其可行性，以丰富检修手段，为设备测试、故障处理提供一种新的思路与方法。

3 灰盒测试

灰盒测试是介于白盒测试与黑盒测试之间的一种测试，关注输出、输入的正确性，同时也关注设备内部的情况；既关心设备与系统的联系，又关心设备部分元器件的运行情况和运行逻辑。灰盒测试不像白盒那样详细、完整，但又比黑盒测试更关注设备的内部逻辑及元器件，常常是通过一些表征性的现象、事件、标志来判断内部的运行状态。

灰盒测试，是基于对设备内部细节有限认知的设备检查方法。测试者可能知道系统组件之间是如何互相作用的，但缺乏对内部功能和运作的详细了解。对于内部过程，灰盒测试把设备看作一个必须从外面进行分析的黑盒。虽然灰盒测试相对白盒测试较难发现并解决设备潜在问题，尤其在一个单一的应用中，白盒测试的内部细节可以完全掌握，灰盒需要检修人员了解设备内部元件关键点，并对关键点进行监督，但是灰盒测试结合了白盒测试和黑盒测试的优点，一旦准确确认了系统内部关键点，就兼顾了黑盒的简单和白盒的精确，提升了测试效率、错误发现和错误分析的效率。

图1 灰盒原理

灰盒的测试重点在于内部元器件的分析，掌握内部关键的元器件，并对其进行测试，就可在黑盒的基础上更为精确地监视设备。对于工程检修人员，凭借其丰富的检修经验及不断的分析尝试，能够准确地确认设备关键点。因而灰盒测试能够在工程检修活动中起到重要作用。灰盒测试原理见图1。

灰盒测试是在对设备有一定了解的基础上进行的。在监视输入输出的同时，对其内部关键参数进行监视。在采集数据后进行判断，从而对设备进行分析处理。其试验的流程如图2。

图2 灰盒测试思路

4 灰盒在电动头控制板件测试试验的应用案例

某电站ABP002VL（低压给水加热器系统002阀门）在现场年检时发现，切至远控位置时会自动关阀。但现场电动头并无关阀信号或接线。更换远控输入板后将电动头置于远方位置，电动头未自动关阀。

将该故障远控输入板拿到灰盒试验平台进行试验，过程如下：

样品为双面焊接双层PCB板，应用于L2ABP002VL设备上。该样品在现场年检时发现，切至远控位置时会自动关阀，现场不存在远方开关阀信号和ESD信号。电路板为双面焊接双层PCB板，其中正面如图3所示，反面为3*16端口。非集成电路，外观整洁，各元器件均未见明显损伤，各焊接端子未见异常，各对外端子良好。

图3 远控输入板正面

对各电容及电阻使用万用表进行离线测量，容值及阻值均正常，没有损坏迹象。具体数据如表1。

对该样品进行3天的拷机实验，检查其各端口电压及6个电容，未发现异常。对样品进行仿真检查，模拟各类输入信号，检查其各端口对应动作及电容电压。结果如图4，可以看出：

①SK2-15端口未响应对应输入端SK1-10的信号（该信号为ESD信号），怀疑该通道有问题；

②SK2-15对应光耦输入端稳压电容C4电压正确响应了SK1-10信号，可以判断，光耦输出端存在异常。

表1 一代电动头远控输入板重要元器件测试记录表

图4 仿真波形

确定光耦故障后，采用X-RAY观察对样品失效元件进行分析，未见结构异常。如下图4所示。

图5 X-RAY图片

对样品失效元件进行I-V特性测量发现U2D光耦管脚存在明显的电流泄露。如图6。

对样品失效光耦进行开封，其内部采用白色塑封料作为透光材料。对三极管的内部芯片进行放大观察，如图7，可见其内部采用金丝键合。键合点良好，芯片表面钝化层未见缺损、裂纹或划伤线，芯片未见明显脏污、腐蚀或者过热损伤。对三极管进行测试，漏电现象消失，三极管恢复正常，说明漏电现象在芯片表面。

图6 I-V特性测量

图7 光耦内部结构

通过对样品进行检查，其表现为远控无ESD信号输入时，电动头测试到有ESD信号输入，并自动关阀。根据机柜的拷机及仿真数据分析故障原因为隔离光耦失效。通过对样品进行开封检查，发现光耦U2D端口对应的三极管存在漏电流，导致光耦输出端一直处于导通状态，主板一直监测到ESD信号，分析认为该漏电流为光耦内部电化学迁移导致，为老化失效表征。

样品由于光耦存在漏电流，导致ESD对应光耦一直为导通状态。现场ESD设置为关阀，所以电动头将会自动关阀。漏电流为光耦内部电化学迁移导致，为老化失效表征。

由上述分析可以看出，灰盒测试能够快速定位故障点，从而进行针对性的试验。

5 结论

智慧电厂的发展是国内各个电厂的发展方向，电动头的智能化程度也越来越高。智能化设备在带来高效便捷的同时，其结构、原理的复杂度也大大增加；厂家的技术保护，也注定设备内部结构并不能透明地公布给检修人员，这些都给检修带来不便，因而探索一种兼具简单与精确的电动头测试检修思路势在必行。结合了黑盒测试和白盒测试优点的灰盒测试是一种新的检修思路。据了解，在国内其他核电站还没有提出同类的检修思路，仍采用较为传统的手动加量测量的手段来检查板件可靠性及老化程度。传统做法既耗费人力物力，同时又无法实现长时间且多量检查，对于高压或大电流检查存在人员安全风险；缺乏系统性的数据记录，不能做出准备老化评估。

灰盒测试可以实现自动烤机、仿真、环境模拟和故障诊断等功能，节省大量人力物力的同时能够采集全方位数据，同时又兼顾电动头控制板件内部结构和运行逻辑。在电动头的控制板件上，通过对输入输出和重要敏感元器件的持续监视，比白盒测试更高效地监视了设备内部的运行情况；在故障再现分析方面，通过原来的失效模式的初步分析，对失效点进行重点监视，对比黑盒测试可以更精确地确定故障原因。灰盒测试的关键点在于测试参数的选取，参数的选择可以通过原理分析、经验反馈或专家建议，并在大量的试验过程中逐步完善。