田旭峰，王 舜，黃起昌，張 旭

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊是安全級(jí)DCS 系統(tǒng)的重要組成部分，在核反應(yīng)堆運(yùn)行期間，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量開(kāi)關(guān)量信號(hào)用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊則用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的隔離分配，將開(kāi)關(guān)量送至不同系統(tǒng)[1]。開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊作用在安全級(jí)DCS 系統(tǒng)的最前端，因此安全可靠地實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的隔離分配十分重要[2]。在“NASPIC”平臺(tái)中開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊為3U 插件盒形式，安裝于PIPS 機(jī)箱進(jìn)行工作，體積較大，通常適用于核電廠(chǎng)DCS 系統(tǒng)。本文采用固態(tài)繼電器方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)量隔離[3]，并采用薄片式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模塊厚度僅為6.2mm，有效地減小了模塊體積，同時(shí)該模塊采用導(dǎo)軌安裝方式，使用在艦載等條件下的核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)中可以充分節(jié)省有限的艦載空間。

圖1 開(kāi)關(guān)量傳輸路徑Fig.1 Switching transmission path

1 開(kāi)關(guān)量信號(hào)傳輸路徑

安全級(jí)數(shù)字化控制系統(tǒng)（DCS）是核反應(yīng)堆控制的“中樞神經(jīng)”系統(tǒng)，安全級(jí)DCS 系統(tǒng)完成事故工況下反應(yīng)堆安全停堆、專(zhuān)設(shè)安全驅(qū)動(dòng)等功能，限制或減輕事故后果，是保障反應(yīng)堆及人員安全的重要系統(tǒng)[4]。核反應(yīng)堆現(xiàn)場(chǎng)分布著各種各樣的傳感器，安全級(jí)DCS 系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。開(kāi)關(guān)量是核反應(yīng)堆現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的信號(hào)之一，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)在DCS 系統(tǒng)中的傳輸處理路徑如圖1 所示。由開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊接收現(xiàn)場(chǎng)儀表及傳感器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離分配將其傳輸給現(xiàn)場(chǎng)控制站，現(xiàn)場(chǎng)控制站通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入模塊采集該信號(hào)，并將采集到的信號(hào)傳輸給主控模塊，由主控模塊對(duì)其進(jìn)行分析處理，然后通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出模塊將該信號(hào)的處理結(jié)果輸出到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備[5]。本文主要對(duì)開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊展開(kāi)研究。

2 小型化開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

2.1 模塊隔離分配方案設(shè)計(jì)

本模塊采用固態(tài)繼電器方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)量信號(hào)的隔離，固態(tài)繼電器具有體積小、壽命長(zhǎng)、相應(yīng)時(shí)間短、絕緣電壓高、輸入功率低、噪音低等特點(diǎn)[6]。因此，選用固態(tài)繼電器方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的隔離，具有減小模塊體積，降低模塊功耗等優(yōu)點(diǎn)。模塊原理框圖如圖2 所示。核反應(yīng)堆現(xiàn)場(chǎng)傳感器或變送器產(chǎn)生的干觸點(diǎn)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(hào)，經(jīng)過(guò)限流、分壓電阻后作用于兩個(gè)并聯(lián)的固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)輸出兩路干觸點(diǎn)信號(hào)，可送至不同系統(tǒng)進(jìn)行處理。由此，即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的一分二隔離分配處理。

圖2 小型化開(kāi)關(guān)量調(diào)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(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1 接口及接線(xiàn)方式設(shè)計(jì)

如圖3 所示，關(guān)量隔離器具有8 個(gè)接線(xiàn)端子，輸入端4 個(gè)接線(xiàn)端子，輸出端4 個(gè)接線(xiàn)端子。其中，端子1 是外部查詢(xún)電壓為48V 時(shí)開(kāi)關(guān)量輸入正端，端子2 為外部查詢(xún)電壓為24V 時(shí)開(kāi)關(guān)量輸入正端，端子3 為開(kāi)關(guān)量輸入負(fù)端，端子5 和端子6 為經(jīng)隔離后的第一路干觸點(diǎn)輸入信號(hào)，端子7 和端子8 為經(jīng)輸入隔離后的第二路干觸點(diǎn)輸出信號(hào)，輸出觸點(diǎn)為常開(kāi)觸點(diǎn)，且該模塊輸入與輸出之間相互隔離，兩個(gè)輸出通道之間相互隔離。

模塊支持24V 和48V 兩種查詢(xún)電壓，在實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)不同工程應(yīng)用條件選擇不同的查詢(xún)電壓接口，將核電廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)干觸點(diǎn)信號(hào)配合對(duì)應(yīng)的查詢(xún)電壓按照正確方式接線(xiàn)輸入模塊。兩種查詢(xún)電壓下接線(xiàn)方式如圖4、圖5 所示。

2.2.2 模塊外形、狀態(tài)指示及安裝方式設(shè)計(jì)

如圖6 所示為模塊外觀圖。該模塊采用薄片式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，厚度僅為6.2mm，接線(xiàn)端子分布在模塊左右兩側(cè)，在模塊頂部設(shè)計(jì)一個(gè)通道狀態(tài)指示燈，指示模塊輸入狀態(tài)。當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入或輸入通道故障時(shí)指示燈滅，正常輸入24V或48V 濕觸點(diǎn)信號(hào)指示燈亮綠燈，模塊底部為導(dǎo)軌安裝卡口，采用導(dǎo)軌安裝方式固定在機(jī)柜內(nèi)部，可有效利用機(jī)箱內(nèi)部空閑空間，節(jié)省機(jī)柜內(nèi)空間。

圖4 24V查詢(xún)電壓接線(xiàn)接方式Fig.4 Connection type of 24V query voltage

圖5 48V查詢(xún)電壓接線(xiàn)方法Fig.5 Connection type of 48V query voltage

圖6 開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊外形Fig.6 Shape of switching volume condition module

3 小型化開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊測(cè)試

模塊測(cè)試主要對(duì)開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊功能及關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證小型化開(kāi)關(guān)量調(diào)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(mǎn)足應(yīng)用需求。

3.1 功能測(cè)試

表1 為模塊功能測(cè)試記錄，從測(cè)試結(jié)果可以看出，小型化開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊功能正常，能實(shí)現(xiàn)在24V、48V 查詢(xún)電壓下均能正常實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量1 分2 隔離分配功能。

3.2 性能測(cè)試

性能測(cè)試主要進(jìn)行開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊驅(qū)動(dòng)電壓、反向耐壓、響應(yīng)時(shí)間、帶載能力，隔離耐壓以及耐高溫測(cè)試。

3.2.1 驅(qū)動(dòng)電壓

如表2 所示為驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)試結(jié)果，從測(cè)試結(jié)果可以看出，24V 接口驅(qū)動(dòng)電壓范圍為：3.03V ～48V，48V 接口驅(qū)動(dòng)電壓范圍為：4.36V ～60V，當(dāng)外部查詢(xún)電壓波動(dòng)范圍在±20%以?xún)?nèi)均可正常驅(qū)動(dòng)模塊工作。

3.2.2 反向耐壓

在本設(shè)計(jì)中，可能存在接線(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致24V 查詢(xún)電壓接反，48V 查詢(xún)電壓接反、48V 查詢(xún)電壓誤接24V 查詢(xún)電壓接口等情況。為保證模塊在出現(xiàn)接線(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)不致?lián)p壞，綜合分析可能存在的接線(xiàn)錯(cuò)誤情況進(jìn)行如下測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從測(cè)試結(jié)果可以看出，在符合本模塊的應(yīng)用條件下，出現(xiàn)接線(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，模塊不會(huì)被損壞，具有較強(qiáng)的反向耐壓能力，可靠性較高。

表1 功能測(cè)試記錄表Table1 Function test record sheet

表2 驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)試記錄表Table 2 Drive voltage test record sheet

表3 反向耐壓測(cè)試記錄表Table 3 Reverse voltage test record sheet

表4 應(yīng)時(shí)間測(cè)試記錄表Table 4 Response time test record sheet

表5 輸出觸點(diǎn)容量測(cè)試記錄表Table 5 Output contact capacity test record sheet

表6 隔離耐壓測(cè)試記錄表Table 6 Isolation voltage test record sheet

表7 高溫測(cè)試記錄表Table 7 High temperature test record sheet

3.2.3 響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是核電廠(chǎng)DCS 系統(tǒng)十分重要的一個(gè)指標(biāo)，直接反映DCS 系統(tǒng)對(duì)核電廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的處理和響應(yīng)速度，小型化開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。從測(cè)試結(jié)果可以看出，在正常工作條件下，模塊響應(yīng)時(shí)間在1ms 以?xún)?nèi)，具有很好的實(shí)時(shí)性和快速性。

3.2.4 帶載能力

模塊輸出觸點(diǎn)到不同系統(tǒng)，因此要求輸出觸點(diǎn)容量滿(mǎn)足各系統(tǒng)要求。分別對(duì)負(fù)載電壓為24V 時(shí)，負(fù)載電流為0.3A、0.6A、0.9A、1.2A、1.5A、1.8A、2.1A 的情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，滿(mǎn)足后端設(shè)備要求。

3.2.5 隔離耐壓及高溫試驗(yàn)

為防止DCS 系統(tǒng)對(duì)核電廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況產(chǎn)生影響，開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊輸出端和輸入端之間必須進(jìn)行電氣隔離，同時(shí)本模塊的兩個(gè)輸出通道可能輸出到不同系統(tǒng)，為防止不同系統(tǒng)之間相互產(chǎn)生影響。因此，通道之間也必須進(jìn)行電氣隔離，本模塊隔離耐壓測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6，隔離度滿(mǎn)足要求。

表7 為模塊耐高溫測(cè)試記錄表，從測(cè)試結(jié)果可以看出模塊具有較高的耐高溫能力。

4 結(jié)論

本文對(duì)小型化開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊的原理進(jìn)行了分析，提出了基于固態(tài)繼電器隔離的開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊小型化設(shè)計(jì)方案，并對(duì)開(kāi)關(guān)量調(diào)理模塊的接口方案、狀態(tài)指示以及安裝方式進(jìn)行論述。最后，對(duì)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試，驗(yàn)證了模塊的功能與性能指標(biāo)，在體積極大減小的情況下，保持模塊功能、性能不變，滿(mǎn)足安全級(jí)DCS 平臺(tái)工程應(yīng)用要求。