基于TXS平台秦一厂SAPS系统模拟量采集卡SAA1典型故障分析与维修策略优化

陈奕然，周 星，于艳玲

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

近年来，分布式控制系统（DCS）技术得到了飞速发展，越来越广泛地应用于军事、经济乃至社会生活的各个方面，也大大增加了电厂控制的可靠性[1,2]。核电厂DCS是核电站的“中枢神经”，其中核安全级DCS的安全性受到越来越广泛的关注，因其技术复杂以及对可靠性的严苛要求，目前国内大多数在运和在建核电站机组的安全级DCS均采用国外进口，核心技术受制于人，供货周期长，购买和维护成本高昂，同时国内的技术人员对技术的掌握程度不高，核心技术仍被原厂家掌握。

2018年秦一厂在延寿大修中将秦一厂实施安全功能或事故后监测相关的过程控制系统改造为符合目前设计准则的1E级设备，改造后的秦一厂使用的1E级系统为AREVA生产的TELEPERM XS（TXS）平台，TXS所采集的安全重要仪表模拟量输入信号的好坏与TXS系统控制性能息息相关。经过现场工作发现，大部分模拟量输入信号故障的根本原因都来自于模拟量信号采集卡SAA1故障。根据原厂说明书，SAA1卡故障需返回原厂修复，查询相关论文，调研其他电厂情况，国内无对相关卡件的研究先例，对此类卡件的维护要求也不明确。随着国际局势的错综复杂，为避免在关键技术或设备上受制于人，应积极采取措施对进口设备内部结构进行研究，一方面通过优化预维或者改进维修手段的方式增加设备本身安全性，另一方面当发生小缺陷时可进行自主维修。

在当前的国际形势下，安全级DCS国产化的需求迫切，诸如中国核动力研究设计院“龙鳞系统”已在大型钠快冷堆、漳州核电等均有良好应用[3]，相信国产DCS会成为未来改造的主流设备选型。目前所采用的进口DCS在未来也将被逐渐取代，在全面国产化之前，应保证对此类进口DCS有一定的自主维修能力以应对设备停供、价格高等局面。

本文通过对模拟量采集卡SAA1内部电路图的分析，辅以秦一厂现场工作的实例，分析SAA1卡件故障原因，并对SAA1卡件的预维和维修策略提出相关建议，为使用TXS系统的同类电厂提供经验。

秦山核电站1号机组安全级DCS由两个部分构成，其中反应堆保护系统相关过程控制系统（Reactor Protection System，以下简称RPS）的主要功能是当控制系统失效而导致产生错误指令或在异常事件情况下，包括故障（incidents）和事故（accidents）状态[4]，保护三大核安全屏障（即燃料包壳、一回路压力边界和安全壳）的完整性。如果运行参数超过危及三大屏障的临界点时，将会紧急停闭反应堆，必要时启动专设安全设施。另一部分是实施安全功能或事故后监测相关的过程控制系统（1E Signal Acquisition and Processing System，以下简称1E SAPS），其主要作用是与安注、辅助给水、消氢、停冷等系统进行连接，从而实现专设安全设施的启动；
与主控室盘台指示仪或记录仪、报警系统、电站计算机系统进行连接，在事故期间或事故后向主控室操纵员提供核电厂重要的运行参数，用以评价核电厂状态，并使核电站恢复安全状态。因此，安全级DCS对核电厂的安全稳定运行至关重要。

如图1所示，秦山核电站1号机组1E SAPS设备分为两个独立的逻辑通道（A列和B列），并通过实体隔离，每列设备集成在3个TXS机柜中，A列包含CP5097-1机柜（ACAM）、CP5097-2机柜（CVAC）、CP5097-3机柜（CVAC），B列 包 含CP5098-1机 柜（ACAM）、CP5098-2机 柜（CVAC）、CP5098-3机柜（CVAC），整个系统共6台过程处理机柜和1台服务机柜，用于执行以下功能：

图1 1E SAPS架构Fig.1 1E SAPS architecture

1）对来源于现场层的1E级工艺参数信号进行采集、调节、分配、数字处理、监控和可视化，对采集到的信号直接指示/记录或分配给第三系统，用于进一步的数字处理或分析，进行量程监测、限位、逻辑选通等一系列处理后，通过继电器向报警系统传输开关量报警信号，通过TXS以太网向电站计算机系统传输数据（Acquisition，conditioning and monitoring，以下简称ACAM）。

2）阀门的自动化控制（Control valve automation and control，以下简称CVAC）。

服务机柜用于集成服务单元（Service Unit，以下简称SU）和网关计算机（Gateway Computer，以下简称GW），属于NC级设备。

SU通过TXS以太网连接到ACAM的控制器，由于SU能够访问项目数据库，所以始终拥有完整且正确的系统功能。SU的主要功能如下：

故障诊断：若故障发生，SU将会迅速定位受影响区域。功能图中的监控机制和TXS系统中的诊断消息将会被调用并且向维护人员展示。

参数设置：在操作过程中若要修改设置（如校准系数或控制器设置），都可以以可变参数的形式在功能图中定义，并可通过SU读取、更改、确认。

定期测试：SU可用于启动测试步骤和读取测试结果。

GW是TXS与电站计算机的缓冲区域，它确保TXS系统独立于其他系统，GW将TXS系统提供的数据转换为电站计算机所需的数据和通信格式，使用以太网与电站计算机连接，将TXS内数据传输给电站计算机。

系统内部通过TXS Profibus建立数据网络，并为维护、诊断和服务任务提供接口。系统外部通过TXS以太网与电站计算机建立连接[1]。

在TXS平台中，模拟量信号进入处理器模块需要经过如下过程，如图2所示。首先，就地变送器输出4mA～20mA信号，信号经内部接线进入模拟量采集卡SAA1后，进入隔离分配卡SNV1-2.5。该分配卡支持4通道输出，其中两路输出经内部线接入端子卡SPM2后，再进入两块模拟量输入卡SAI1（功能一致，出于安全考虑设置冗余），另外两路输出根据现场实际情况进行选用，如该信号还需送入其他外部系统（如图2中，另外两路一路送去主控盘台指示，一路送去副控盘台指示）。

图2 模拟量信号输入过程（就地到分配卡SNV1-2.5部分）Fig.2 Analog signal input process（local to distribution module SNV1-2.5）

如图3所示，从分配卡SNV1-2.5输出的两路信号会经由机柜内部线进入端子排SPM2，再进入模拟量输入卡SAI1。信号进入SAI1之后，会将模拟量转化为数字量，由CPU处理调用，通过逻辑处理计算机的算法功能块的软件组态进行处理。

图3 模拟量信号输入过程（分配卡到模拟量输入卡SA1部分）Fig.3 Analog signal input process（distribution module toanalog module SA1）

3.1 模拟量采集卡SAA1卡

SAA1卡件为TXS系统中模拟量信号采集卡（Analog Signal Moduel），用于连接输出电流信号的传感器、外部面板和内部元器件，如图4。1块卡件上有两个互相独立的通道，具有以下功能：

图4 模拟量采集卡SAA1示意图Fig.4 Schematic diagram of analog data acquisition module SAA1

◇ 为2线制和4线制传感器提供辅助电源，并由前面板上的G保险丝提供保护。

◇ 卡件上有两个绿色LED指示灯常亮，分别用于指示两个通道故障情况。

◇ 连接传感器，接收传感器侧发出的电流信号。

◇ 电流-电压转换器带有RC低通滤波器，抑制高于滤波器截止频率的动态信号，滤波器可步进调节[6]。

模拟量采集卡SAA1内部原理图如图5，模拟量采集卡SAA1内部有两路通道，通道1和通道2功能类似。以通道2为例，SAA1卡件通过信号线给双线制传感器提供辅助电源，变送器将测量信号通过4mA～20mA电流信号返回SAA1卡件的输入电路，供电电压和电流信号返回路径如图5上箭头所示。SAA1卡件通过LP_MU2和M_MU2向变送器输出供电电压，变送器返回的电流信号可在卡件内部转化为其他量程的电流或电压信号。供电回路和电流信号回路中均设保险丝、二极管、抑制二极管，以提供保护。

3.2 模拟量采集卡SAA1卡内部电路保护功能

模拟量采集卡SAA1卡需要与外部传感器连接，相比起其他卡件，更可能承受外部的过电压干扰，因此内部电路配备过电压保护功能以应对现场运行时可能引入的风险。

在运行过程中发现，模拟量采集卡SAA1卡出现的大部分缺陷都与过电压保护功能相关。实际上，该卡件的缺陷往往是自我保护的手段，在剖析原理后，可以实现一定程度的自主维修，同时也可针对性地改进预维策略，进一步降低维修成本，提高电厂工作效率。

通过对图5电路的分析和现场工作经验，形成表1：模拟量采集卡SAA1卡内部电路易损件分析表，对电路中各易损元器件的功能、故障模式、故障原因、参数进行描述。

表1 模拟量采集卡SAA1卡内部电路易损件分析表Table 1 Analysis of internal circuit vulnerable parts of analog data acquisition module SAA1

图5 模拟量采集卡SAA1的通道2与双线传感器接线原理图Fig.5 Wiring schematic diagram of channel 2 of analog data acquisition module SAA1 and two-wire sensor

接下来将会举例SAA1卡件在运行过程中出现的典型缺陷实例，以及处理方法和后续预维策略优化。

4.1 就地变送器检修造成SAA1内部保险丝熔断

在Q1-OT118大修新增SAPS系统变更完成后，后续大修期间曾多次大范围发生SAA1卡内部保险丝熔断缺陷，且熔断的保险丝涉及F5、F7、F8，发生缺陷的时间均与相关通道就地变送器校验工作时间相吻合。根据表1和图5分析，当变送器的正接线和负接线短接后，保险丝F7、F8熔断；
当变送器负接线接地时，SAA1卡件输出异常；
当变送器正端接地时，保险丝F5熔断。若带电进行变送器校验，在拆接线时极易造成短路，从而使SAA1卡件内部保险丝熔断。

因此，秦一厂在大修就地变送器校验期间，涉及的TXS系统的相关通道需全部断电。除此之外，秦一厂升版所有与1E机柜相关就地变送器检修规程，增加提醒内容：变送器拆线过程中，必须使用绝缘螺丝刀；
测量时注意绝缘，防止短路。秦一厂在执行这两项安全措施后，保险丝大范围熔断现象大大减少。

4.2 SAA1内部保险丝偶发老化熔断

2021年7月8日，运行季度试验辅助给水泵全流量试验（TST-Q-002）中发现缺陷辅助给水泵C去2#SG流量调节阀V20-13D阀位反馈指示异常。维修人员首先检查就地阀门反馈装置的好坏，阀门反馈装置的连杆随着阀门阀杆动作而动作，输出的电流值也随之发生变化，但维修人员在检查时发现阀门反馈装置上无电源，继续排查至1E级机柜CP5098-2机柜端子排上测量输出至阀门反馈装置的端子，也未量到电压。怀疑SAA1卡件发生故障，检查SAA1卡件后，发现该缺陷的原因为该通道SAA1卡内保险丝F8熔断，更换后就地阀位反馈装置供电恢复，具体分析故障树如图6。

图6 阀门反馈指示故障树Fig.6 Valve feedback indication fault tree

但在故障期间，就地变送器及变送器周围均无工作，工作人员继续排查保险丝熔断原因。

根据查询事实，进一步推断F8熔断有以下两个原因：

1）阀门装置、电缆绝缘低。

2）保险丝自然老化或偶发故障。

在Q1-OT121大修中，工作人员对阀门装置和电缆的绝缘进行测量，绝缘电阻＞250MΩ，未发现电缆绝缘低的情况。

查询厂家资料，TXS系统的卡件在30℃的典型环境温度下使用寿命一般超过30年，SAA1卡件在运行期间内是免维护的。

查询熔断器寿命试验和试验结论，得出熔断器在不同额定电流下的寿命参数。对熔断器运行电流小于0.3倍额定电流的，在整个运行周期中不需要更换；
对于熔断器运行电流在0.3倍～0.8倍额定电流的，可以结合其他预维工作进行整体更换；
对于熔断器运行电流在0.8倍额定电流以上的，需要重点关注，并缩短其更换周期，同时需要考虑论证熔断器的选型是否正确。仪控系统的控制回路，因其控制的对象不同，其安全等级也不同。在制定策略过程中，也不能一概而论，还要按照系统等级进行划分来确定熔断器的更换周期。针对专设安全系统，需要相对保守的更换策略，考虑与控制回路的预防性维修结合在一起，按照定期更换的方式开展；
针对安全相关系统，根据寿命评估的结果，充分调查评估控制回路的负荷情况，可以按照寿命评估的结果开展预防性的更换工作；
针对非安全相关系统，则完全可以应用该评估结果。对于某些特别重要的回路，如涉及关键敏感设备逻辑控制的熔断器，则可以定期进行更换。

本次故障保险丝F8额定电流为80mA，运行电流最大为20mA，根据上述结论及厂家说明书，在整个运行周期中不需要更换。但安全级设备，在制定预维策略的过程中，还要按照系统等级进行划分来确定更换周期。查询秦山SAPS系统、RPS系统1E级机柜卡件内保险丝的预维策略，为故障性维修，无更换类预维。调研田湾核电关于TXS平台的预维情况，也无对卡件内保险丝检查和预维要求。通过以上调查，结合现场实际情况，从2018年改造后至今，保险丝在运行期间无故熔断现象仅有此一例，属于偶发现象，总体上看SAA1卡内部保险丝性能表现稳定，老化熔断现象偶发几率十分小，基于老化考虑定期更换不必要。但在每次大修系统上电后，需检查各通道情况，若有异常，再检查对应通道更换保险丝即可。该策略可以在保证安全的前提下，很大程度提高现场检修效率。

TXS平台作为1E级DCS，其安全性受到广泛关注。在TXS系统的运行过程中，SAA1卡件作为模拟量采集卡，承担隔离外部信号与内部其他卡件的功能，因此故障的概率相比起其他卡件更高。在厂家的说明书中，对于SAA1卡件运行过程中注意事项和故障排查指导有明显不足，国内对TXS系统的预维策略及预维方法存在可改进空间。本文通过对SAA1卡件保护回路的分析和实际运行经验的分享，可供其他使用TXS平台的同行排查模拟量信号故障处理及相关通道维修策略制定提供参考。

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