基于TXS平臺(tái)秦一廠SAPS系統(tǒng)模擬量采集卡SAA1典型故障分析與維修策略優(yōu)化

陳奕然，周 星，于艷玲

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

近年來(lái)，分布式控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)得到了飛速發(fā)展，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于軍事、經(jīng)濟(jì)乃至社會(huì)生活的各個(gè)方面，也大大增加了電廠控制的可靠性[1,2]。核電廠DCS是核電站的“中樞神經(jīng)”，其中核安全級(jí)DCS的安全性受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，因其技術(shù)復(fù)雜以及對(duì)可靠性的嚴(yán)苛要求，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)在運(yùn)和在建核電站機(jī)組的安全級(jí)DCS均采用國(guó)外進(jìn)口，核心技術(shù)受制于人，供貨周期長(zhǎng)，購(gòu)買和維護(hù)成本高昂，同時(shí)國(guó)內(nèi)的技術(shù)人員對(duì)技術(shù)的掌握程度不高，核心技術(shù)仍被原廠家掌握。

2018年秦一廠在延壽大修中將秦一廠實(shí)施安全功能或事故后監(jiān)測(cè)相關(guān)的過(guò)程控制系統(tǒng)改造為符合目前設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的1E級(jí)設(shè)備，改造后的秦一廠使用的1E級(jí)系統(tǒng)為AREVA生產(chǎn)的TELEPERM XS（TXS）平臺(tái)，TXS所采集的安全重要儀表模擬量輸入信號(hào)的好壞與TXS系統(tǒng)控制性能息息相關(guān)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作發(fā)現(xiàn)，大部分模擬量輸入信號(hào)故障的根本原因都來(lái)自于模擬量信號(hào)采集卡SAA1故障。根據(jù)原廠說(shuō)明書，SAA1卡故障需返回原廠修復(fù)，查詢相關(guān)論文，調(diào)研其他電廠情況，國(guó)內(nèi)無(wú)對(duì)相關(guān)卡件的研究先例，對(duì)此類卡件的維護(hù)要求也不明確。隨著國(guó)際局勢(shì)的錯(cuò)綜復(fù)雜，為避免在關(guān)鍵技術(shù)或設(shè)備上受制于人，應(yīng)積極采取措施對(duì)進(jìn)口設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，一方面通過(guò)優(yōu)化預(yù)維或者改進(jìn)維修手段的方式增加設(shè)備本身安全性，另一方面當(dāng)發(fā)生小缺陷時(shí)可進(jìn)行自主維修。

在當(dāng)前的國(guó)際形勢(shì)下，安全級(jí)DCS國(guó)產(chǎn)化的需求迫切，諸如中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院“龍鱗系統(tǒng)”已在大型鈉快冷堆、漳州核電等均有良好應(yīng)用[3]，相信國(guó)產(chǎn)DCS會(huì)成為未來(lái)改造的主流設(shè)備選型。目前所采用的進(jìn)口DCS在未來(lái)也將被逐漸取代，在全面國(guó)產(chǎn)化之前，應(yīng)保證對(duì)此類進(jìn)口DCS有一定的自主維修能力以應(yīng)對(duì)設(shè)備停供、價(jià)格高等局面。

本文通過(guò)對(duì)模擬量采集卡SAA1內(nèi)部電路圖的分析，輔以秦一廠現(xiàn)場(chǎng)工作的實(shí)例，分析SAA1卡件故障原因，并對(duì)SAA1卡件的預(yù)維和維修策略提出相關(guān)建議，為使用TXS系統(tǒng)的同類電廠提供經(jīng)驗(yàn)。

1 TXS系統(tǒng)

秦山核電站1號(hào)機(jī)組安全級(jí)DCS由兩個(gè)部分構(gòu)成，其中反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)過(guò)程控制系統(tǒng)（Reactor Protection System，以下簡(jiǎn)稱RPS）的主要功能是當(dāng)控制系統(tǒng)失效而導(dǎo)致產(chǎn)生錯(cuò)誤指令或在異常事件情況下，包括故障（incidents）和事故（accidents）狀態(tài)[4]，保護(hù)三大核安全屏障（即燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼）的完整性。如果運(yùn)行參數(shù)超過(guò)危及三大屏障的臨界點(diǎn)時(shí)，將會(huì)緊急停閉反應(yīng)堆，必要時(shí)啟動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施。另一部分是實(shí)施安全功能或事故后監(jiān)測(cè)相關(guān)的過(guò)程控制系統(tǒng)（1E Signal Acquisition and Processing System，以下簡(jiǎn)稱1E SAPS），其主要作用是與安注、輔助給水、消氫、停冷等系統(tǒng)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)專設(shè)安全設(shè)施的啟動(dòng)；與主控室盤臺(tái)指示儀或記錄儀、報(bào)警系統(tǒng)、電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接，在事故期間或事故后向主控室操縱員提供核電廠重要的運(yùn)行參數(shù)，用以評(píng)價(jià)核電廠狀態(tài)，并使核電站恢復(fù)安全狀態(tài)。因此，安全級(jí)DCS對(duì)核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

2 1E SAPS架構(gòu)

如圖1所示，秦山核電站1號(hào)機(jī)組1E SAPS設(shè)備分為兩個(gè)獨(dú)立的邏輯通道（A列和B列），并通過(guò)實(shí)體隔離，每列設(shè)備集成在3個(gè)TXS機(jī)柜中，A列包含CP5097-1機(jī)柜（ACAM）、CP5097-2機(jī)柜（CVAC）、CP5097-3機(jī)柜（CVAC），B列 包 含CP5098-1機(jī) 柜（ACAM）、CP5098-2機(jī) 柜（CVAC）、CP5098-3機(jī)柜（CVAC），整個(gè)系統(tǒng)共6臺(tái)過(guò)程處理機(jī)柜和1臺(tái)服務(wù)機(jī)柜，用于執(zhí)行以下功能：

圖1 1E SAPS架構(gòu)Fig.1 1E SAPS architecture

1）對(duì)來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)層的1E級(jí)工藝參數(shù)信號(hào)進(jìn)行采集、調(diào)節(jié)、分配、數(shù)字處理、監(jiān)控和可視化，對(duì)采集到的信號(hào)直接指示/記錄或分配給第三系統(tǒng)，用于進(jìn)一步的數(shù)字處理或分析，進(jìn)行量程監(jiān)測(cè)、限位、邏輯選通等一系列處理后，通過(guò)繼電器向報(bào)警系統(tǒng)傳輸開(kāi)關(guān)量報(bào)警信號(hào)，通過(guò)TXS以太網(wǎng)向電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)（Acquisition，conditioning and monitoring，以下簡(jiǎn)稱ACAM）。

2）閥門的自動(dòng)化控制（Control valve automation and control，以下簡(jiǎn)稱CVAC）。

服務(wù)機(jī)柜用于集成服務(wù)單元（Service Unit，以下簡(jiǎn)稱SU）和網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)（Gateway Computer，以下簡(jiǎn)稱GW），屬于NC級(jí)設(shè)備。

SU通過(guò)TXS以太網(wǎng)連接到ACAM的控制器，由于SU能夠訪問(wèn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，所以始終擁有完整且正確的系統(tǒng)功能。SU的主要功能如下：

故障診斷：若故障發(fā)生，SU將會(huì)迅速定位受影響區(qū)域。功能圖中的監(jiān)控機(jī)制和TXS系統(tǒng)中的診斷消息將會(huì)被調(diào)用并且向維護(hù)人員展示。

參數(shù)設(shè)置：在操作過(guò)程中若要修改設(shè)置（如校準(zhǔn)系數(shù)或控制器設(shè)置），都可以以可變參數(shù)的形式在功能圖中定義，并可通過(guò)SU讀取、更改、確認(rèn)。

定期測(cè)試：SU可用于啟動(dòng)測(cè)試步驟和讀取測(cè)試結(jié)果。

GW是TXS與電站計(jì)算機(jī)的緩沖區(qū)域，它確保TXS系統(tǒng)獨(dú)立于其他系統(tǒng)，GW將TXS系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電站計(jì)算機(jī)所需的數(shù)據(jù)和通信格式，使用以太網(wǎng)與電站計(jì)算機(jī)連接，將TXS內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸給電站計(jì)算機(jī)。

系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)TXS Profibus建立數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并為維護(hù)、診斷和服務(wù)任務(wù)提供接口。系統(tǒng)外部通過(guò)TXS以太網(wǎng)與電站計(jì)算機(jī)建立連接[1]。

3 模擬量信號(hào)采集通道介紹

在TXS平臺(tái)中，模擬量信號(hào)進(jìn)入處理器模塊需要經(jīng)過(guò)如下過(guò)程，如圖2所示。首先，就地變送器輸出4mA～20mA信號(hào)，信號(hào)經(jīng)內(nèi)部接線進(jìn)入模擬量采集卡SAA1后，進(jìn)入隔離分配卡SNV1-2.5。該分配卡支持4通道輸出，其中兩路輸出經(jīng)內(nèi)部線接入端子卡SPM2后，再進(jìn)入兩塊模擬量輸入卡SAI1（功能一致，出于安全考慮設(shè)置冗余），另外兩路輸出根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行選用，如該信號(hào)還需送入其他外部系統(tǒng)（如圖2中，另外兩路一路送去主控盤臺(tái)指示，一路送去副控盤臺(tái)指示）。

圖2 模擬量信號(hào)輸入過(guò)程（就地到分配卡SNV1-2.5部分）Fig.2 Analog signal input process（local to distribution module SNV1-2.5）

如圖3所示，從分配卡SNV1-2.5輸出的兩路信號(hào)會(huì)經(jīng)由機(jī)柜內(nèi)部線進(jìn)入端子排SPM2，再進(jìn)入模擬量輸入卡SAI1。信號(hào)進(jìn)入SAI1之后，會(huì)將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，由CPU處理調(diào)用，通過(guò)邏輯處理計(jì)算機(jī)的算法功能塊的軟件組態(tài)進(jìn)行處理。

圖3 模擬量信號(hào)輸入過(guò)程（分配卡到模擬量輸入卡SA1部分）Fig.3 Analog signal input process（distribution module toanalog module SA1）

3.1 模擬量采集卡SAA1卡

SAA1卡件為TXS系統(tǒng)中模擬量信號(hào)采集卡（Analog Signal Moduel），用于連接輸出電流信號(hào)的傳感器、外部面板和內(nèi)部元器件，如圖4。1塊卡件上有兩個(gè)互相獨(dú)立的通道，具有以下功能：

圖4 模擬量采集卡SAA1示意圖Fig.4 Schematic diagram of analog data acquisition module SAA1

◇ 為2線制和4線制傳感器提供輔助電源，并由前面板上的G保險(xiǎn)絲提供保護(hù)。

◇ 卡件上有兩個(gè)綠色LED指示燈常亮，分別用于指示兩個(gè)通道故障情況。

◇ 連接傳感器，接收傳感器側(cè)發(fā)出的電流信號(hào)。

◇ 電流-電壓轉(zhuǎn)換器帶有RC低通濾波器，抑制高于濾波器截止頻率的動(dòng)態(tài)信號(hào)，濾波器可步進(jìn)調(diào)節(jié)[6]。

模擬量采集卡SAA1內(nèi)部原理圖如圖5，模擬量采集卡SAA1內(nèi)部有兩路通道，通道1和通道2功能類似。以通道2為例，SAA1卡件通過(guò)信號(hào)線給雙線制傳感器提供輔助電源，變送器將測(cè)量信號(hào)通過(guò)4mA～20mA電流信號(hào)返回SAA1卡件的輸入電路，供電電壓和電流信號(hào)返回路徑如圖5上箭頭所示。SAA1卡件通過(guò)LP_MU2和M_MU2向變送器輸出供電電壓，變送器返回的電流信號(hào)可在卡件內(nèi)部轉(zhuǎn)化為其他量程的電流或電壓信號(hào)。供電回路和電流信號(hào)回路中均設(shè)保險(xiǎn)絲、二極管、抑制二極管，以提供保護(hù)。

3.2 模擬量采集卡SAA1卡內(nèi)部電路保護(hù)功能

模擬量采集卡SAA1卡需要與外部傳感器連接，相比起其他卡件，更可能承受外部的過(guò)電壓干擾，因此內(nèi)部電路配備過(guò)電壓保護(hù)功能以應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)可能引入的風(fēng)險(xiǎn)。

在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，模擬量采集卡SAA1卡出現(xiàn)的大部分缺陷都與過(guò)電壓保護(hù)功能相關(guān)。實(shí)際上，該卡件的缺陷往往是自我保護(hù)的手段，在剖析原理后，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的自主維修，同時(shí)也可針對(duì)性地改進(jìn)預(yù)維策略，進(jìn)一步降低維修成本，提高電廠工作效率。

通過(guò)對(duì)圖5電路的分析和現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，形成表1：模擬量采集卡SAA1卡內(nèi)部電路易損件分析表，對(duì)電路中各易損元器件的功能、故障模式、故障原因、參數(shù)進(jìn)行描述。

表1 模擬量采集卡SAA1卡內(nèi)部電路易損件分析表Table 1 Analysis of internal circuit vulnerable parts of analog data acquisition module SAA1

圖5 模擬量采集卡SAA1的通道2與雙線傳感器接線原理圖Fig.5 Wiring schematic diagram of channel 2 of analog data acquisition module SAA1 and two-wire sensor

4 現(xiàn)場(chǎng)缺陷實(shí)例及維修策略優(yōu)化

接下來(lái)將會(huì)舉例SAA1卡件在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的典型缺陷實(shí)例，以及處理方法和后續(xù)預(yù)維策略優(yōu)化。

4.1 就地變送器檢修造成SAA1內(nèi)部保險(xiǎn)絲熔斷

在Q1-OT118大修新增SAPS系統(tǒng)變更完成后，后續(xù)大修期間曾多次大范圍發(fā)生SAA1卡內(nèi)部保險(xiǎn)絲熔斷缺陷，且熔斷的保險(xiǎn)絲涉及F5、F7、F8，發(fā)生缺陷的時(shí)間均與相關(guān)通道就地變送器校驗(yàn)工作時(shí)間相吻合。根據(jù)表1和圖5分析，當(dāng)變送器的正接線和負(fù)接線短接后，保險(xiǎn)絲F7、F8熔斷；當(dāng)變送器負(fù)接線接地時(shí)，SAA1卡件輸出異常；當(dāng)變送器正端接地時(shí)，保險(xiǎn)絲F5熔斷。若帶電進(jìn)行變送器校驗(yàn)，在拆接線時(shí)極易造成短路，從而使SAA1卡件內(nèi)部保險(xiǎn)絲熔斷。

因此，秦一廠在大修就地變送器校驗(yàn)期間，涉及的TXS系統(tǒng)的相關(guān)通道需全部斷電。除此之外，秦一廠升版所有與1E機(jī)柜相關(guān)就地變送器檢修規(guī)程，增加提醒內(nèi)容：變送器拆線過(guò)程中，必須使用絕緣螺絲刀；測(cè)量時(shí)注意絕緣，防止短路。秦一廠在執(zhí)行這兩項(xiàng)安全措施后，保險(xiǎn)絲大范圍熔斷現(xiàn)象大大減少。

4.2 SAA1內(nèi)部保險(xiǎn)絲偶發(fā)老化熔斷

2021年7月8日，運(yùn)行季度試驗(yàn)輔助給水泵全流量試驗(yàn)（TST-Q-002）中發(fā)現(xiàn)缺陷輔助給水泵C去2#SG流量調(diào)節(jié)閥V20-13D閥位反饋指示異常。維修人員首先檢查就地閥門反饋裝置的好壞，閥門反饋裝置的連桿隨著閥門閥桿動(dòng)作而動(dòng)作，輸出的電流值也隨之發(fā)生變化，但維修人員在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門反饋裝置上無(wú)電源，繼續(xù)排查至1E級(jí)機(jī)柜CP5098-2機(jī)柜端子排上測(cè)量輸出至閥門反饋裝置的端子，也未量到電壓。懷疑SAA1卡件發(fā)生故障，檢查SAA1卡件后，發(fā)現(xiàn)該缺陷的原因?yàn)樵撏ǖ繱AA1卡內(nèi)保險(xiǎn)絲F8熔斷，更換后就地閥位反饋裝置供電恢復(fù)，具體分析故障樹(shù)如圖6。

圖6 閥門反饋指示故障樹(shù)Fig.6 Valve feedback indication fault tree

但在故障期間，就地變送器及變送器周圍均無(wú)工作，工作人員繼續(xù)排查保險(xiǎn)絲熔斷原因。

根據(jù)查詢事實(shí)，進(jìn)一步推斷F8熔斷有以下兩個(gè)原因：

1）閥門裝置、電纜絕緣低。

2）保險(xiǎn)絲自然老化或偶發(fā)故障。

在Q1-OT121大修中，工作人員對(duì)閥門裝置和電纜的絕緣進(jìn)行測(cè)量，絕緣電阻＞250MΩ，未發(fā)現(xiàn)電纜絕緣低的情況。

查詢廠家資料，TXS系統(tǒng)的卡件在30℃的典型環(huán)境溫度下使用壽命一般超過(guò)30年，SAA1卡件在運(yùn)行期間內(nèi)是免維護(hù)的。

查詢?nèi)蹟嗥鲏勖囼?yàn)和試驗(yàn)結(jié)論，得出熔斷器在不同額定電流下的壽命參數(shù)。對(duì)熔斷器運(yùn)行電流小于0.3倍額定電流的，在整個(gè)運(yùn)行周期中不需要更換；對(duì)于熔斷器運(yùn)行電流在0.3倍～0.8倍額定電流的，可以結(jié)合其他預(yù)維工作進(jìn)行整體更換；對(duì)于熔斷器運(yùn)行電流在0.8倍額定電流以上的，需要重點(diǎn)關(guān)注，并縮短其更換周期，同時(shí)需要考慮論證熔斷器的選型是否正確。儀控系統(tǒng)的控制回路，因其控制的對(duì)象不同，其安全等級(jí)也不同。在制定策略過(guò)程中，也不能一概而論，還要按照系統(tǒng)等級(jí)進(jìn)行劃分來(lái)確定熔斷器的更換周期。針對(duì)專設(shè)安全系統(tǒng)，需要相對(duì)保守的更換策略，考慮與控制回路的預(yù)防性維修結(jié)合在一起，按照定期更換的方式開(kāi)展；針對(duì)安全相關(guān)系統(tǒng)，根據(jù)壽命評(píng)估的結(jié)果，充分調(diào)查評(píng)估控制回路的負(fù)荷情況，可以按照壽命評(píng)估的結(jié)果開(kāi)展預(yù)防性的更換工作；針對(duì)非安全相關(guān)系統(tǒng)，則完全可以應(yīng)用該評(píng)估結(jié)果。對(duì)于某些特別重要的回路，如涉及關(guān)鍵敏感設(shè)備邏輯控制的熔斷器，則可以定期進(jìn)行更換。

本次故障保險(xiǎn)絲F8額定電流為80mA，運(yùn)行電流最大為20mA，根據(jù)上述結(jié)論及廠家說(shuō)明書，在整個(gè)運(yùn)行周期中不需要更換。但安全級(jí)設(shè)備，在制定預(yù)維策略的過(guò)程中，還要按照系統(tǒng)等級(jí)進(jìn)行劃分來(lái)確定更換周期。查詢秦山SAPS系統(tǒng)、RPS系統(tǒng)1E級(jí)機(jī)柜卡件內(nèi)保險(xiǎn)絲的預(yù)維策略，為故障性維修，無(wú)更換類預(yù)維。調(diào)研田灣核電關(guān)于TXS平臺(tái)的預(yù)維情況，也無(wú)對(duì)卡件內(nèi)保險(xiǎn)絲檢查和預(yù)維要求。通過(guò)以上調(diào)查，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，從2018年改造后至今，保險(xiǎn)絲在運(yùn)行期間無(wú)故熔斷現(xiàn)象僅有此一例，屬于偶發(fā)現(xiàn)象，總體上看SAA1卡內(nèi)部保險(xiǎn)絲性能表現(xiàn)穩(wěn)定，老化熔斷現(xiàn)象偶發(fā)幾率十分小，基于老化考慮定期更換不必要。但在每次大修系統(tǒng)上電后，需檢查各通道情況，若有異常，再檢查對(duì)應(yīng)通道更換保險(xiǎn)絲即可。該策略可以在保證安全的前提下，很大程度提高現(xiàn)場(chǎng)檢修效率。

5 結(jié)論

TXS平臺(tái)作為1E級(jí)DCS，其安全性受到廣泛關(guān)注。在TXS系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，SAA1卡件作為模擬量采集卡，承擔(dān)隔離外部信號(hào)與內(nèi)部其他卡件的功能，因此故障的概率相比起其他卡件更高。在廠家的說(shuō)明書中，對(duì)于SAA1卡件運(yùn)行過(guò)程中注意事項(xiàng)和故障排查指導(dǎo)有明顯不足，國(guó)內(nèi)對(duì)TXS系統(tǒng)的預(yù)維策略及預(yù)維方法存在可改進(jìn)空間。本文通過(guò)對(duì)SAA1卡件保護(hù)回路的分析和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的分享，可供其他使用TXS平臺(tái)的同行排查模擬量信號(hào)故障處理及相關(guān)通道維修策略制定提供參考。