方家山核電廠DCS系統(tǒng)模塊故障原因研究

蔣 杜，李 蘇，田 露

(1.山東大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 濟南 250100；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

0 引言

方家山核電廠的分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)采用美國Foxboro公司的I/A Series控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過Mesh網(wǎng)與多種現(xiàn)場組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可以實現(xiàn)與多種信號的耦合。FBM208是廠家專為核電DCS研發(fā)的[1-3]，帶有4個4～20 mA輸入和4個0～20 mA輸出通道的現(xiàn)場組件。FBM208在核電廠應(yīng)用中多處出現(xiàn)了接電源后不能工作、指示燈也不亮的故障，同類故障在多次更換模塊后仍在新模塊上出現(xiàn)。該組件包含4路4～20 mA輸入和4路帶回讀的0～20 mA輸出。

為了找到故障原因，本文首先描述模塊使用背景及故障部位電路，然后提供故障元器件對比檢測結(jié)果與結(jié)論，最后根據(jù)結(jié)論提出設(shè)備使用與維護方案，以降低模塊故障率。

1 現(xiàn)場總線模塊介紹

現(xiàn)場總線模塊 (fieldbus modules，F(xiàn)BM)為現(xiàn)場設(shè)備和I/A Series控制站之間提供接口。FBM進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并為模擬測量、數(shù)字測量、模擬或離散控制和數(shù)字通信提供充分的支持。

現(xiàn)場測量模擬信號通過FBM208的輸入通道接收,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理，得到閥門開度的模擬信號，再通過FBM208對應(yīng)的輸出通道送到現(xiàn)場。

FBM208模塊包含兩層電路板。第一層為Foxboro專用CPU芯片、電源控制芯片、存儲器、主電源變壓器、指示燈、保險絲等元器件。第二層為輸入通道電路和輸出通道電路。輸出通道帶有為負(fù)載提供驅(qū)動電壓的隔離線圈和輸出端過壓保護的壓敏電阻。

FBM208結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FBM208結(jié)構(gòu)圖

FBM208模塊帶有4個4～20 mA輸入和4個0～20 mA輸出通道。其中，輸出通道帶有信號回讀功能。FBM208將輸出值與當(dāng)前的回讀值進(jìn)行比較。如果回讀值與期望輸出的差值超過±2%，則FBM將其輸出通道標(biāo)記為BAD。此外，如果輸出值與所需輸出的差值超過±2%，則關(guān)閉該通道的電源。故障通道的電源保持關(guān)閉，直到用戶更換或重新啟動FBM。

電-氣轉(zhuǎn)換器是一個將電流信號轉(zhuǎn)換成氣壓信號的轉(zhuǎn)換裝置。它根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出的 4～20 mA電流信號，產(chǎn)生對應(yīng)的氣壓信號 (0.02～0.1 MPa)，并輸出到執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作，以控制閥體開度，達(dá)到對調(diào)節(jié)流量的目的。

CPU產(chǎn)生控制電壓，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MAX535、MOS管組成的電路轉(zhuǎn)化為4～20 mA的控制信號。該信號通過P2接口和負(fù)載電器轉(zhuǎn)換器相連。VCC2是由I/O板線圈產(chǎn)生的負(fù)載驅(qū)動電壓，輸出接口處包含2個壓敏電阻，分別為近電源端壓敏電阻R21、近地端壓敏電阻R22。

2 維修結(jié)果

根據(jù)對模塊使用與維護歷史數(shù)據(jù)，對故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，確認(rèn)模塊發(fā)生了硬件損壞。對模塊進(jìn)行拆機檢測，檢測結(jié)果如下。

①外觀檢查。先對電路板外觀進(jìn)行檢查：電路板未出現(xiàn)人為損壞故障，元器件焊接正常，芯片未出現(xiàn)鼓包、裂口、燒糊、發(fā)黑情況，CPU板電源變壓器沒有明顯燒糊現(xiàn)象，模塊I/O板輸出通道出現(xiàn)單通道壓敏電阻與線圈發(fā)黑變糊情況。

②靜態(tài)對比測試。用萬用表測試后，模塊電源與地之間未發(fā)生短路。在對模塊的CPU板電源部分進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)：保險絲已燒壞，其他元器件未出現(xiàn)異常。對模塊的I/O板進(jìn)行檢測，發(fā)黑的壓敏電阻被擊穿。

③動態(tài)對比測試。在將電源上電后，CPU板電源線圈出現(xiàn)異常發(fā)熱，斷開線圈供電后上電，測量管腳輸入電壓，并與正常模塊工作時波形進(jìn)行比較，兩者輸入波形一致，輸出波形不一致，因此判定線圈已發(fā)生故障。更換模塊故障元器件后，對模塊進(jìn)行了測試，模塊工作正常。

對其他故障模塊進(jìn)行拆機維修后發(fā)現(xiàn)，模塊故障具有共性特點：損壞元器件為CPU板的主供電保險絲和CPU板變壓線圈、I/O模塊某個輸出通道的變壓隔離線圈(少數(shù)情況下未燒壞)以及相應(yīng)通道0～20 mA輸出接口處的壓敏電阻。

3 始發(fā)故障分析

在電路使用中，失效一般是從單個元器件失效開始，引發(fā)其他元器件的故障。

失效模式及其影響如表1所示。

表1 失效模式及其影響

故障元器件實際失效形式為：CPU板變壓線圈短路、保險絲開路、I/O板變壓隔離線圈短路、壓敏電阻短路。根據(jù)始發(fā)故障元器件的不同，故障發(fā)生的連鎖過程也不同，具體如下。

①CPU板電源線圈短路失效為始發(fā)故障。由于CPU板線圈遠(yuǎn)未到達(dá)壽命極限，此時仍具有很高的可靠性。本模塊通過端子統(tǒng)一供電，電源本身具有良好隔離性能，CPU板電源線圈不易直接出現(xiàn)過電流損壞情況。如果外部電源供電出現(xiàn)高壓，將導(dǎo)致更多的模塊同時故障。因此，故障不可能是首先由CPU線圈損壞引發(fā)的。

②I/O板變壓隔離線圈短路為始發(fā)故障。輸出通道將4～20 mA信號直接提供給電氣轉(zhuǎn)換器來控制閥門開度。由于未采用隔離，故有可能介入干擾大電流，但根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備上的歷史數(shù)據(jù)可知，輸出端電流未發(fā)生突變。因此，故障不可能是首先由I/O板變壓隔離線圈短路引發(fā)的。

③保險絲熔斷為始發(fā)故障。保險絲熔斷為正常執(zhí)行保護功能，熔斷后電流斷開，不會引發(fā)其他元器件失效。

④壓敏電阻短路為始發(fā)故障。輸出通道直接輸出到感性負(fù)載電氣轉(zhuǎn)換器，使用時會因為負(fù)載切換出現(xiàn)高電壓，擊穿壓敏電阻使輸出通道短路，導(dǎo)致回路電流升高，燒壞前端線圈，最終使保險絲熔斷。因此，由輸出電路部分介入大干擾而導(dǎo)致元器件損壞，存在一定可能性。

根據(jù)以上分析，本模塊故障由輸出電路壓敏電阻短路開始。由于壓敏電阻短路失效使輸出回路喪失保護功能,會導(dǎo)致電源與地直接導(dǎo)通。次級電路電流過大會燒壞I/O端線圈與主電源線圈，并導(dǎo)致保險絲熔斷。最終，電路斷開，指示燈不亮。FBM208輸出通道接口電路如圖2所示。

圖2 FBM208輸出通道接口電路圖

圖2中：R21與R22為壓敏電阻；D21為雪崩二極管。R21為故障多發(fā)元器件，CPU板線圈向I/O板線圈供電，I/O板線圈輸出電壓后經(jīng)整流得到VCC。R21故障后，將使VCC與GND短路，I/O板線圈將通過大電流，燒壞I/O板線圈與CPU線圈，并使CPU板保險絲熔斷。

原設(shè)計中,為了延長壓敏電阻使用壽命，采用2個特性相同的壓敏電阻R21、R22并聯(lián),對浪涌電壓進(jìn)行分流。由于2個并聯(lián)電阻中間接有感性負(fù)載，該負(fù)載起到了限流與分壓作用，則放電時R22的電壓滿足公式：

(1)

式中：L為感性負(fù)載電感量；i為通過感性負(fù)載的電流。

本電路的設(shè)計初衷是降低殘壓對儀表的影響。R21上的殘壓通過負(fù)載和R22來分壓，儀表僅受到R22殘壓的影響。但是，感性負(fù)載會導(dǎo)致壓敏電阻R22的開啟延遲，大部分電流從壓敏電阻R21上釋放，浪涌分流能力較低。在長期使用中，R21的壽命遠(yuǎn)低于預(yù)期。由于設(shè)計問題，當(dāng)壓敏電阻短路后變壓器線圈輸出端直接短路燒壞，導(dǎo)致模塊FBM208故障頻發(fā)。

4 測試驗證

對發(fā)生元器件故障的一款FBM208通道6的電源端壓敏電阻進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)該壓敏電阻的壓敏電壓為34.8 V，空載時壓敏電阻兩端電壓為30 V。

為了了解壓敏電阻老化情況，對未發(fā)現(xiàn)元器件故障的FBM208模塊(使用過的)共3個通道的壓敏電阻的電壓進(jìn)行測量，結(jié)果如表2所示。

表2 壓敏電阻壓敏電壓測試值

由測試數(shù)據(jù)可知，電源端壓敏電阻明顯出現(xiàn)老化，導(dǎo)致壓敏電壓降低。電源端壓敏電阻長期工作在電壓負(fù)荷下，吸收電路中的過電壓與浪涌導(dǎo)致壓敏電壓降低。當(dāng)壓敏電壓低于某個值時電流急劇增大，壓敏電阻短路，燒壞I/O板線圈、CPU板線圈與保險絲，導(dǎo)致模塊失去工作能力，指示燈也不亮。

根據(jù)故障可能原因，考慮到核電上設(shè)備故障不得導(dǎo)致下游設(shè)備故障的原則，建議采用如下方案提高模塊的可靠性。①壓敏電阻老化管理[4]。②在輸出通道加隔離柵[5]。③壓敏電阻并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管(transient voltage suppressor,TVS)。

5 結(jié)束語

本電路設(shè)計中，由于雙極壓敏電阻保護電路[6-9]在接感性負(fù)載時不能很好地分流，且通過模塊來驅(qū)動感性負(fù)載電器轉(zhuǎn)換器時兩者間沒有采用隔離，當(dāng)電器轉(zhuǎn)換器受到干擾時，壓敏電阻R21兩端會出現(xiàn)電壓沖擊。多次電壓沖擊后，該壓敏電阻會加速老化，導(dǎo)致壓敏電壓降低。

本案例中的壓敏電阻老化影響了DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正常采集，盡管采用了冗余配置預(yù)防了嚴(yán)重后果的產(chǎn)生，但模塊的高故障率極大地增加了DCS系統(tǒng)的維護成本，頻繁的更換卡件也給維護人員帶來了維護負(fù)擔(dān)。因此，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)對儀表輸出端進(jìn)行保護設(shè)計，避免直接用儀表驅(qū)動感性負(fù)載，以提高模塊可靠性。