核安全級DCS模擬量輸入通道精度分析與設計

摘" 要：目前，國內核安全級DCS模擬量輸入通道系統精度計算往往依托模擬量模塊的精度數據開展系統級精度符合性計算，而未從設計層面具體分析影響模擬量通道精度的因素及設計方法。針對此問題，結合誤差理論采用正向設計思路建立模擬量通道誤差分析模型，通過通道關鍵器件選型和設計，實現通道精度的性能驗證。結果表明，建立的誤差模型較為準確，對核安全級DCS系統模擬量通道器件選型和設計具有指導意義。

關鍵詞：核安全級DCS；模擬量輸入通道精度；誤差；選型；通道精度

中圖分類號：TP23" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0014-06

Abstract： At present， the system accuracy calculation of domestic nuclear safety-level DCS analog quantity input channel often relies on the accuracy data of analog quantity modules to carry out system-level accuracy compliance calculation， without specifically analyzing the factors and design methods that affect the accuracy of analog quantity channels from the design level. To solve this problem， an analog channel error analysis model is established based on error theory and forward design ideas. Through the selection and design of key components of the channel， the performance verification of channel accuracy is achieved. The results show that the established error model is relatively accurate and has guiding significance for the selection and design of analog quantity channel devices in nuclear safety DCS systems.

Keywords： nuclear safety DCS; analog input channel accuracy; error; selection; channel accuracy

核安全級DCS采用通用平臺技術實現核電廠反應堆保護和控制功能，同時壓水堆工程設計時對核安全級DCS設備的模擬量通道精度（0.5%）提出了明確的指標要求，并基于此精度開展安全分析，因此信號采集、輸出的精度對功能的執行至關重要[1-2]。核安全級DCS設備工程設計角度，往往僅關注模擬量通道的系統精度是否滿足用戶設計要求；對于核安全級DCS產品設計師而言，精度保證通常依據經驗或者根據芯片廠商提供的數據手冊、參考電路實現電路的設計，然后結合產品開展實際測試結果驗證設計的合理性和正確性。

考慮上述情況，針對核安全級DCS模擬量輸入通道精度需求，結合系統架構和工作原理對精度影響的因素進行了分析，建立系統誤差分析模型，通過器件選型設計實現通道精度驗證，最終達成系統通道精度指標要求。

1" 組成及原理

核安全級DCS模擬量輸入通道系統如圖1所示，包括調理模塊（PIPS）、模擬量輸入模塊（AI）及主控制器模塊（MCU）[3]。調理模塊（PIPS）主要實現傳感器/變送器現場4～20 mA信號的調理和分配功能，由I/V變換電路、隔離放大電路、V/I變換電路等組成，在核電反應堆保護系統中調理模塊（PIPS）還應具備多路分配功能，考慮本通道反應堆保護邏輯信號使用外還需送往后備盤（BUP）、多樣化保護系統（DAS）、非安數字化控制系統（NC DCS）等，因此通常設計為4路隔離且獨立的通道[4]。模擬量輸入模塊（AI）主要實現4～20 mA電流信號的采集和處理功能，由信號調理電路、ADC采樣電路、數字隔離電路、處理及通信電路等組成，在核安全級DCS系統中考慮模擬量輸入模塊的通用性和可擴展性，通常具備16通道同時信號采集和處理的能力[5-7]。主控制器模塊（MCU）主要實現數字信號的運算處理和邏輯判斷，因該模塊主要對數字信號進行處理，在此不再贅述[8]。

通過圖1可知，影響核安全級DCS模擬量輸入通道精度的主要因素由4～20 mA模擬量信號鏈路中器件參數的非理想性引入的誤差，下面進行詳細分析。

2" 誤差影響因素分析

2.1" 誤差理論

誤差理論中對誤差來源進行了歸納，主要包括儀器誤差、人的因素以及外界環境[9]。對于模擬量輸入通道精度的影響，本文主要論述重點在儀器誤差，即模擬量輸入通道系統中的靜態誤差，這種誤差是隨機的，分類上屬于偶然誤差，且符合正態分布[10]。在統計學上相互獨立的項，其綜合精度在達到95%置信度的情況下等于各分項精度平方和的平方根（SRSS），即

ΔT= ， （1）

式中：ΔT為綜合精度；ΔT是為第i項精度。

2.2 調理模塊誤差分析

由圖2可知，調理模塊接收4～20 mA電流輸入Iin到4～20 mA電流輸出Iout，主要工作流程如下。

1）經取樣電阻Rs后，轉換成電壓信號Vin。

2）Vin電壓經過儀放增益（Gin1）放大后，輸出電壓信號V1。

3）V1電壓經隔離運放增益（Gin2）調整后，輸出差分電壓信號V2p、V2n。

4）差分電壓信號V2p、V2n經運放、電阻和三極管等構成的V/I轉換電路后，輸出4～20 mA電流輸入Iout。

下面對模塊誤差影響因素包括電阻、儀放、隔離運放和運放等進行逐一說明。

電阻誤差：誤差因素主要為電阻的精度誤差，模塊通道精度由電阻引入的主要誤差見表1。

按式（1），由電阻引入的模塊通道精度誤差如下式

δR= 。 （2）

儀放誤差：誤差因素主要為儀放的參數引入，模塊通道精度由儀放引入的主要誤差見表2。

按式（1），由儀放引入的模塊通道精度誤差如下式

δIA= 。 （3）

隔離運放誤差：誤差因素主要為隔離運放的參數引入，模塊通道精度由隔離運放引入的主要誤差見表3。

按式（1），由隔離運放引入的模塊通道精度誤差如下式

δIA1= 。 （4）

運放誤差：誤差因素主要為運放的參數引入，模塊通道精度由運放引入的主要誤差見表4。

按式（1），由運放引入的模塊通道精度誤差如下式

δOA= 。 （5）

因此，由上述誤差因素調理模塊誤差如下式

δP= 。（6）

2.3" 模擬量輸入模塊誤差分析

由圖3可知，模擬量輸入模塊接收4～20 mA電流輸入Ia-in到SPI數字信號輸出，主要工作流程如下。

1）經取樣電阻Ra-s后，轉換成電壓信號Va-in。

2）Va-in電壓經過儀放增益（Gina1）放大后，輸出電壓信號Va1。

3）Va1電壓經ADC采樣后，輸出帶有碼值信息的SPI數字信號。

4）通過數字隔離芯片對帶有碼值信息的SPI數字信號進行數字隔離后，送往處理及通信電路。

下面對模塊誤差影響因素包括電阻、儀放、隔離運放和運放等進行逐一說明。

電阻誤差：誤差因素主要為電阻的精度誤差，模塊通道精度由電阻引入的主要誤差見表5。

儀放誤差：誤差因素主要為儀放的參數引入，模塊通道精度由儀放引入的主要誤差見表6。

按式（1），由儀放引入的模塊通道精度誤差如下式

δIAa= 。 （7）

基準源誤差：誤差因素主要為基準源的參數引入，模塊通道精度由基準源引入的主要誤差見表7。

ADC誤差：誤差因素主要為ADC的參數引入，模塊通道精度由ADC引入的主要誤差見表8。

按式（1），由ADC引入的模塊通道精度誤差如下式

δADC=。（8）因此，由上述誤差因素模擬量輸入模塊誤差如下式

δA= 。（9）

2.4" 系統誤差

基于2.1誤差理論，核安全級DCS模擬量輸入通道系統中調理模塊（PIPS）、模擬量輸入模塊（AI）相互獨立，因此系統誤差計算如下式

δ= ， （10）

式中：δ為系統通道精度，δP為調理模塊（PIPS）的誤差，δA為模擬量輸入模塊（AI）的誤差。考慮影響系統通道精度的因素較多，下面章節將從元器件選型和設計角度具體展開分析。

3 器件選型及計算

模擬量輸入通道元器件選型主要從以下方面進行評估。

影響精度的元器件參數須在器件手冊中明確；元器件的選用須考慮設計裕量，如使用最大值而非典型值；還須考慮普遍性、經濟性、可替代性；同時還須對其可靠性、環境適應性等進行綜合考量。

3.1 器件選型參數

根據器件選型綜合評估，圖2中模擬量輸入通道系統中器件選用主要參數見表9。

3.2 精度計算

根據表9中選型的器件參數，影響調理模塊的各因素精度誤差計算如下

根據式（6），模擬量輸入模塊的精度誤差值為0.104%。

進一步根據式（10），核安全級DCS模擬量輸入通道系統精度誤差δ為0.14%。

通過上述精度理論計算，在不考慮器件溫漂參數影響下，通過構建的誤差模型，結合器件選型和參數分析，系統通道精度能滿足0.5%指標要求，且裕量較大。

4" 測試結果

為進一步驗證精度計算結果的正確性，對設計結果進行了測試驗證。采用分段測試驗證的方法，逐一對調理模塊、模擬量輸入模塊的精度進行了測試[11-12]。

4.1 調理模塊精度測試

采用特穩攜式校驗儀在調理模塊的輸入端分別送入4、8、12、16、20 mA信號，并回采經過調理模塊隔離、分配的4路4～20 mA輸出信號。測試結果見表10。

4.2" 模擬量輸入模塊精度測試

模擬量輸入模塊精度測試采用在16路通道送入4、8、12、16、20 mA信號，通過SPI總線讀取碼值轉換為電流信號的方法。測試結果見表11。

上述測試結果表明調理模塊、模擬量輸入模塊的實際精度均在理論誤差計算范圍內。

5" 結束語

本文對核安全級DCS系統模擬量輸入通道的進行了說明，結合誤差理論對影響模擬量輸入通道精度的因素進行了分析，并通過具體器件選型設計將影響誤差的因素相關的參數進行列舉，計算出核安全級DCS系統模擬量輸入通道的理論精度誤差。最終通過搭建實物環境，對調理模塊、模擬量輸入模塊的精度進行了測試，驗證了精度分析的合理性以及設計的正確性。

通過上述分析和設計，可提供電路設計人員“事前”評估分析的方法，在設計初始階段即可通過建模、分析、計算等手段，對設計指標的可達性進行預先評價，盡可能減少設計反復，進而提升電路設計的質量。

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