安全级仪控系统设备鉴定样机代表性分析

黄 焜,刘 彪,李浩闻,宋宜毅

(国核自仪系统工程有限公司，上海 200241)

0 引言

核安全法规HAF102[1]《核动力厂设计安全规定》规定，“必须采用设备鉴定的程序来确认安全重要物项能够在其整个设计运行寿期内满足处于需要起作用时的环境条件(如振动、温度、压力、喷射流冲击、电磁干扰、辐照、湿度或这些因素的任何可能组合)下执行其安全功能的要求”。

核电厂安全级仪控系统设备是核电厂安全功能执行的神经中枢系统，是核电厂安全运行的必不可少的系统设备。因此，核电厂安全级仪控系统设备必须经过设备鉴定后方可应用于实际工程。IEEE 323 “IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations”[2]对安全级仪控系统设备鉴定提出了总体要求[3-4]。

在开展核电厂安全级仪控系统设备鉴定过程中，受到成本和时间的限制，不可能做到鉴定样机与实际工程产品完全一样。因此，设备鉴定所使用的样机必须具有代表性，方能将样机的鉴定结论应用于实际工程产品[5-6]。

鉴定样机的代表性直接关系到设备鉴定结论的有效性和正确性。本文围绕鉴定样机的代表性分析方法进行讨论，提出了定性分析和定量分析的方法[7]。

1 鉴定样机代表性分析要素

核电站安全级仪控系统通常由机柜、卡件、端子和电缆导线等组成。代表性分析过程中要对所有设备进行全面分析。NB/T 20344—2015[8]标准对核电厂安全级设备代表性分析提出了5个分析要素。下面以该标准提出的分析要素为基础，结合核电厂安全级仪控系统设备鉴定过程中的实践经验，阐述鉴定样机代表性分析的5个要素[9-10]。

1.1 功能代表性

鉴定样机应具有被鉴定设备的典型功能，同时应考虑系统功能的重要性、复杂性和全面性。鉴定样机典型功能应包括以下几个方面。

①鉴定样机应覆盖所有的输入输出功能。

②鉴定样机应选取实现复杂的、重要的逻辑运算处理功能。对于核电厂安全级仪控系统，应选取其重要的安全功能(停堆和专设功能)。

③鉴定样机应覆盖所有类型的数据通信接口、数据通信的路径。

④鉴定样机应覆盖所有类型的隔离功能，通常考虑电气隔离(例如光电隔离、变压器隔离等)、物理隔离(例如金属软管)两方面，鉴定试验中重点考虑电气隔离功能和性能的验证。

⑤鉴定样机应具备的人机接口功能。安全级仪控系统人机接口通常指图形画面和手动操作开关。其中图形画面通常考虑其数据显示、软操按钮等功能，所有图形界面上可能出现的元素应该全面覆盖；对于手动操作开关，应确保所选用的开关型号相关、开关的接线方式相同，执行重要的手动驱动功能。

⑥鉴定样机应包括基本的自诊断功能和监测功能，通常会有一些自诊断数据包，鉴定试验过程中确认能正确读取其自诊断信息。

⑦鉴定样机应覆盖其性能特征，例如精度、响应时间特性等。

1.2 产品类型代表性

对于产品类型代表性来说，需确保鉴定样机应包含所有类型的设备(工程应用中需使用的)。某设备可能会因配置不同而执行不同的功能，此时需考虑所有不同的配置要求。总的来说，要满足以下两个要求:

①覆盖所有类型产品；

②覆盖所有产品的不同功能配置。

1.3 机械结构代表性

对于安全级仪控系统设备来说，鉴定样机的机械结构特性必须与实际工程应用保持一致，任何不一致都将不具备机械结构代表性。对于机柜的机械结构代表性从以下几个方面进行分析评估。

①机柜柜体。机柜柜体包括柜体及其开孔(位置、尺寸和方式)，柜体的生产技术，例如生产柜体的材料、柜体成形技术等。

②机柜柜门。机柜柜门包括柜门的铰链、柜门与柜体之间的密封件、柜门上的开孔、柜门的材料及成形技术等。

③柜内钣金。柜内的钣金件主要用于安装柜内部件，主要考虑其材料、布置位置和固定方式等。

④外部接口。对于机柜来说，外部的机械接口主要是侧面开孔的穿线、柜底和柜顶的开孔、机柜安装方式。对于有开孔的机柜，必须配套相关密封件。评估时需考虑这些密封件材料、特性。

⑤安装方式。样机机柜的安装方式必须与工程产品实际情况保持一致。机柜安装方式一般有焊接和螺栓连接两种方式。对于焊接，要考虑焊接材料、焊缝的高度和长度、焊接的位置等；对于螺栓连接方式，要考虑螺栓的规格、材料等。

1.4 应用配置代表性

不同应用配置对设备鉴定的结果也会存在影响，例如不同的配置可能会导致机柜内温度分布不同影响环境鉴定试验，导致机柜重心分布不同影响抗震鉴定等。关于应用配置的代表性主要考虑以下几个方面。

①机柜内温度分布。分析不同设备的功率和发热量，保证鉴定样机在某个区域内的发热量不低于工程应用实际情况，使鉴定样机在环境试验时经受严酷的温度应力。

②电气连接。需覆盖所有类型的电气连接。

③机械应力。设备安装在机柜内的钣金件上，通常会对柜内钣金件产生一个机械应力，钣金件对应力的承受会有一个极限范围，若超过一定范围会造成脱落等风险，无法满足抗震试验要求。因此，在分析鉴定样机应力时必须考虑实际工程应用的最大值，可以通过软件模拟等方式确定是否满足要求。

④负荷。鉴定样机的负荷主要是指CPU负荷、网络负荷、可编程逻辑器件资源占用率等。鉴定样机的负荷应不低于覆盖工程应用时的负荷。

1.5 软件代表性

核电厂安全级仪控系统设备的软件通常包括基础软件和应用软件。其中，基础软件通常不会因工程应用不同而变化。因此，鉴定样机的基础软件必须与实际工程产品保持一致。对于鉴定样机中的基础软件必须经过独立验证与确认。

除了基础软件外，应用软件需考虑使用典型的功能，例如应用层的诊断功能、典型的功能逻辑等。

2 鉴定样机代表性定量分析方法

本章对设备鉴定样机代表性分析要素的阐述过程中，简单描述了一些代表分析的定性方法。本章提出一项定量分析方法[10]，以便使得样机代表性分析结果更有说服力。我们将此方法定义为符合性系数分析法。该方法主要是将鉴定样机分成不同的区域，然后对不同的区域根据选取要素进行分析，最后通过最初设定的相关系数综合得出样机是否具有代表性。

2.1 前提条件与假设说明

前文列举了代表性分析的5个要素。其中，产品类型需100%覆盖工程产品，机械结构需与工程产品保持一致，而功能代表性和软件代表性没有较好的定量指标用于分析，大多数情况下受应用配置和选取的产品类型影响。因此，符合性系数分析法主要考虑了应用配置代表性。在使用此分析方法前，做出如下假定，以便更好地使用此方法进行评估。

①鉴定样机的机械结构与工程产品完全一致。

②软件代表性已满足要求，软件已实现了要选取的重要功能，并完成了软件的验证与确认工作。

③鉴定样机已配置了所有类型的产品，利用这些产品和配套的软件已实现了选取的典型功能，已具备功能代表性。

④鉴定样机机械应力分析结果满足样机的机械应力不小于工程应用。

⑤鉴定样机电气连接方式与工程产品一致。

⑥鉴定样机的CPU负荷、网络负荷、可编程逻辑器件资源占用率等不低于工程产品。

⑦对于安装在某一区域内的设备，其对该区域的影响是平均分布的，例如对温升、机柜重心的影响。最终鉴定结论中应明确某个区域可布置的设备类型。

2.2 鉴定样机的区域划分

对于鉴定样机的区域划分，通常按机柜上下方向进行划分，平均划分为3个或5个区域(平均划分的目的是简化分析计算)。如果机柜内单个设备尺寸均较小，那么可划分为5个区域；如果机柜内单个设备尺寸较大，那么可以划分为3个区域，从而尽可能保证分析过程中不会有跨区域的设备，简化分析过程。若存在跨区域分布的情况，需将此设备对各个区域的影响按线性分布处理，分别叠加到各个区域。以下介绍分析方法的过程中均以平均划分为3个区域为例，假定3个区域分别为区域1、区域2、区域3。

2.3 鉴定样机定量分析要素及符合性系数

表1 符合性系数分布

在对每个区域分析过程中，考虑到仪控系统机柜产品的特点主要对以下要素进行分析:功率功耗-发热量、质量、重心分布，包括3个轴向(参考坐标0点位于该分区域的正面左下角位置。机柜区域划分图如图1所示。在分析过程中，使用定制的分析表格进行分析。区域1～区域3的定量分析分别如表2～表4所示。

图1 机柜区域划分图

表2 区域1定量分析

表3 区域2定量分析

表4 区域3定量分析

通过对3个区域进行分析，得到了3个区域的符合性系数。分析结果发现，区域1质量的符合性为0.95，其余符合性系数均为1，最终计算得到的符合系数A=0.95，满足不小于0.8的要求。鉴定样机具备代表性，可以用于开展设备鉴定工作。如果在分析前设定的目标:符合性系数必须达到1，则需再次调整配置重新计算，直至达到目标。

3 结论

为确保安装于核电厂的安全级仪控系统设备完成要求的质量鉴定，采用1∶1鉴定样机的形式在经济上和时间上都是不可接受的。因此，考虑选用具备代表性的鉴定样机完成设备鉴定。鉴定样机的代表性是鉴定结论能否适用于工程产品的关键。

本文围绕鉴定样机的代表性分析展开讨论，包括定性分析和定量分析的方法。定性分析从原则上评估鉴定样机的代表性。而定量分析提出了一种基于分区域分要素的符合性系数分析方法，能更加准确地描述鉴定样机的代表性，从数据出发，使用分析结论更具说服力。在分析过程中，合理地选择分析要素，合理地划分不同的分析区域，合理地设定相关系数，是代表性分析的前提条件，也是需要进行一步研究和探讨的问题。