安全級DCS系統開關量調理模塊小型化研究設計

田旭峰，王 舜，黃起昌，張 旭

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

開關量調理模塊是安全級DCS 系統的重要組成部分，在核反應堆運行期間，現場設備會產生大量開關量信號用于檢測現場設備運行狀況，開關量調理模塊則用于實現開關量信號的隔離分配，將開關量送至不同系統[1]。開關量調理模塊作用在安全級DCS 系統的最前端，因此安全可靠地實現開關量的隔離分配十分重要[2]。在“NASPIC”平臺中開關量調理模塊為3U 插件盒形式，安裝于PIPS 機箱進行工作，體積較大，通常適用于核電廠DCS 系統。本文采用固態繼電器方式進行開關量隔離[3]，并采用薄片式結構設計，模塊厚度僅為6.2mm，有效地減小了模塊體積，同時該模塊采用導軌安裝方式，使用在艦載等條件下的核反應堆控制系統中可以充分節省有限的艦載空間。

圖1 開關量傳輸路徑Fig.1 Switching transmission path

1 開關量信號傳輸路徑

安全級數字化控制系統（DCS）是核反應堆控制的“中樞神經”系統，安全級DCS 系統完成事故工況下反應堆安全停堆、專設安全驅動等功能，限制或減輕事故后果，是保障反應堆及人員安全的重要系統[4]。核反應堆現場分布著各種各樣的傳感器，安全級DCS 系統實時對現場傳感器信號進行監控。開關量是核反應堆現場最常見的信號之一，現場開關量信號在DCS 系統中的傳輸處理路徑如圖1 所示。由開關量調理模塊接收現場儀表及傳感器產生的開關量信號，經過隔離分配將其傳輸給現場控制站，現場控制站通過開關量輸入模塊采集該信號，并將采集到的信號傳輸給主控模塊，由主控模塊對其進行分析處理，然后通過開關量輸出模塊將該信號的處理結果輸出到相應的驅動執行設備[5]。本文主要對開關量調理模塊展開研究。

2 小型化開關量調理模塊設計

2.1 模塊隔離分配方案設計

本模塊采用固態繼電器方式進行開關量信號的隔離，固態繼電器具有體積小、壽命長、相應時間短、絕緣電壓高、輸入功率低、噪音低等特點[6]。因此，選用固態繼電器方式進行開關量的隔離，具有減小模塊體積，降低模塊功耗等優點。模塊原理框圖如圖2 所示。核反應堆現場傳感器或變送器產生的干觸點由模塊外部或自身提供的24V或48V 電壓供電后作為模塊的輸入信號，經過限流、分壓電阻后作用于兩個并聯的固態繼電器驅動輸出兩路干觸點信號，可送至不同系統進行處理。由此，即可實現現場開關量信號的一分二隔離分配處理。

圖2 小型化開關量調理模塊硬件原理框圖Fig.2 Schematic diagram of miniaturized switching volume condition module

圖3 接口示意圖Fig.3 Interface diagram

2.2 詳細設計

2.2.1 接口及接線方式設計

如圖3 所示，關量隔離器具有8 個接線端子，輸入端4 個接線端子，輸出端4 個接線端子。其中，端子1 是外部查詢電壓為48V 時開關量輸入正端，端子2 為外部查詢電壓為24V 時開關量輸入正端，端子3 為開關量輸入負端，端子5 和端子6 為經隔離后的第一路干觸點輸入信號，端子7 和端子8 為經輸入隔離后的第二路干觸點輸出信號，輸出觸點為常開觸點，且該模塊輸入與輸出之間相互隔離，兩個輸出通道之間相互隔離。

模塊支持24V 和48V 兩種查詢電壓，在實際使用時可根據不同工程應用條件選擇不同的查詢電壓接口，將核電廠現場干觸點信號配合對應的查詢電壓按照正確方式接線輸入模塊。兩種查詢電壓下接線方式如圖4、圖5 所示。

2.2.2 模塊外形、狀態指示及安裝方式設計

如圖6 所示為模塊外觀圖。該模塊采用薄片式結構設計，厚度僅為6.2mm，接線端子分布在模塊左右兩側，在模塊頂部設計一個通道狀態指示燈，指示模塊輸入狀態。當無信號輸入或輸入通道故障時指示燈滅，正常輸入24V或48V 濕觸點信號指示燈亮綠燈，模塊底部為導軌安裝卡口，采用導軌安裝方式固定在機柜內部，可有效利用機箱內部空閑空間，節省機柜內空間。

圖4 24V查詢電壓接線接方式Fig.4 Connection type of 24V query voltage

圖5 48V查詢電壓接線方法Fig.5 Connection type of 48V query voltage

圖6 開關量調理模塊外形Fig.6 Shape of switching volume condition module

3 小型化開關量調理模塊測試

模塊測試主要對開關量調理模塊功能及關鍵性能指標進行測試，驗證小型化開關量調理模塊在體積大大減小的情況下，功能、性能是否同樣能夠滿足應用需求。

3.1 功能測試

表1 為模塊功能測試記錄，從測試結果可以看出，小型化開關量調理模塊功能正常，能實現在24V、48V 查詢電壓下均能正常實現開關量1 分2 隔離分配功能。

3.2 性能測試

性能測試主要進行開關量調理模塊驅動電壓、反向耐壓、響應時間、帶載能力，隔離耐壓以及耐高溫測試。

3.2.1 驅動電壓

如表2 所示為驅動電壓測試結果，從測試結果可以看出，24V 接口驅動電壓范圍為：3.03V ～48V，48V 接口驅動電壓范圍為：4.36V ～60V，當外部查詢電壓波動范圍在±20%以內均可正常驅動模塊工作。

3.2.2 反向耐壓

在本設計中，可能存在接線錯誤，導致24V 查詢電壓接反，48V 查詢電壓接反、48V 查詢電壓誤接24V 查詢電壓接口等情況。為保證模塊在出現接線錯誤時不致損壞，綜合分析可能存在的接線錯誤情況進行如下測試，測試結果見表3。從測試結果可以看出，在符合本模塊的應用條件下，出現接線錯誤時，模塊不會被損壞，具有較強的反向耐壓能力，可靠性較高。

表1 功能測試記錄表Table1 Function test record sheet

表2 驅動電壓測試記錄表Table 2 Drive voltage test record sheet

表3 反向耐壓測試記錄表Table 3 Reverse voltage test record sheet

表4 應時間測試記錄表Table 4 Response time test record sheet

表5 輸出觸點容量測試記錄表Table 5 Output contact capacity test record sheet

表6 隔離耐壓測試記錄表Table 6 Isolation voltage test record sheet

表7 高溫測試記錄表Table 7 High temperature test record sheet

3.2.3 響應時間

響應時間是核電廠DCS 系統十分重要的一個指標，直接反映DCS 系統對核電廠現場信號的處理和響應速度，小型化開關量調理模塊響應時間測試結果見表4。從測試結果可以看出，在正常工作條件下，模塊響應時間在1ms 以內，具有很好的實時性和快速性。

3.2.4 帶載能力

模塊輸出觸點到不同系統，因此要求輸出觸點容量滿足各系統要求。分別對負載電壓為24V 時，負載電流為0.3A、0.6A、0.9A、1.2A、1.5A、1.8A、2.1A 的情況進行測試，測試結果見表5，滿足后端設備要求。

3.2.5 隔離耐壓及高溫試驗

為防止DCS 系統對核電廠現場設備運行狀況產生影響，開關量調理模塊輸出端和輸入端之間必須進行電氣隔離，同時本模塊的兩個輸出通道可能輸出到不同系統，為防止不同系統之間相互產生影響。因此，通道之間也必須進行電氣隔離，本模塊隔離耐壓測試結果見表6，隔離度滿足要求。

表7 為模塊耐高溫測試記錄表，從測試結果可以看出模塊具有較高的耐高溫能力。

4 結論

本文對小型化開關量調理模塊的原理進行了分析，提出了基于固態繼電器隔離的開關量調理模塊小型化設計方案，并對開關量調理模塊的接口方案、狀態指示以及安裝方式進行論述。最后，對模塊進行了詳細的測試，驗證了模塊的功能與性能指標，在體積極大減小的情況下，保持模塊功能、性能不變，滿足安全級DCS 平臺工程應用要求。