方家山核电厂DCS系统模块故障原因研究

蒋 杜，李 苏，田 露

(1.山东大学机械工程学院，山东 济南 250100；2.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

0 引言

方家山核电厂的分布式控制系统(distributed control system,DCS)采用美国Foxboro公司的I/A Series控制系统。该系统通过Mesh网与多种现场组件进行数据交互，可以实现与多种信号的耦合。FBM208是厂家专为核电DCS研发的[1-3]，带有4个4～20 mA输入和4个0～20 mA输出通道的现场组件。FBM208在核电厂应用中多处出现了接电源后不能工作、指示灯也不亮的故障，同类故障在多次更换模块后仍在新模块上出现。该组件包含4路4～20 mA输入和4路带回读的0～20 mA输出。

为了找到故障原因，本文首先描述模块使用背景及故障部位电路，然后提供故障元器件对比检测结果与结论，最后根据结论提出设备使用与维护方案，以降低模块故障率。

1 现场总线模块介绍

现场总线模块 (fieldbus modules，FBM)为现场设备和I/A Series控制站之间提供接口。FBM进行必要的数据转换，并为模拟测量、数字测量、模拟或离散控制和数字通信提供充分的支持。

现场测量模拟信号通过FBM208的输入通道接收,并将其转换成数字量进行处理，得到阀门开度的模拟信号，再通过FBM208对应的输出通道送到现场。

FBM208模块包含两层电路板。第一层为Foxboro专用CPU芯片、电源控制芯片、存储器、主电源变压器、指示灯、保险丝等元器件。第二层为输入通道电路和输出通道电路。输出通道带有为负载提供驱动电压的隔离线圈和输出端过压保护的压敏电阻。

FBM208结构如图1所示。

图1 FBM208结构图

FBM208模块带有4个4～20 mA输入和4个0～20 mA输出通道。其中，输出通道带有信号回读功能。FBM208将输出值与当前的回读值进行比较。如果回读值与期望输出的差值超过±2%，则FBM将其输出通道标记为BAD。此外，如果输出值与所需输出的差值超过±2%，则关闭该通道的电源。故障通道的电源保持关闭，直到用户更换或重新启动FBM。

电-气转换器是一个将电流信号转换成气压信号的转换装置。它根据调节器输出的 4～20 mA电流信号，产生对应的气压信号 (0.02～0.1 MPa)，并输出到执行机构产生相应的动作，以控制阀体开度，达到对调节流量的目的。

CPU产生控制电压，经数模转换芯片MAX535、MOS管组成的电路转化为4～20 mA的控制信号。该信号通过P2接口和负载电器转换器相连。VCC2是由I/O板线圈产生的负载驱动电压，输出接口处包含2个压敏电阻，分别为近电源端压敏电阻R21、近地端压敏电阻R22。

2 维修结果

根据对模块使用与维护历史数据，对故障现象进行分析，确认模块发生了硬件损坏。对模块进行拆机检测，检测结果如下。

①外观检查。先对电路板外观进行检查：电路板未出现人为损坏故障，元器件焊接正常，芯片未出现鼓包、裂口、烧糊、发黑情况，CPU板电源变压器没有明显烧糊现象，模块I/O板输出通道出现单通道压敏电阻与线圈发黑变糊情况。

②静态对比测试。用万用表测试后，模块电源与地之间未发生短路。在对模块的CPU板电源部分进行检查后发现：保险丝已烧坏，其他元器件未出现异常。对模块的I/O板进行检测，发黑的压敏电阻被击穿。

③动态对比测试。在将电源上电后，CPU板电源线圈出现异常发热，断开线圈供电后上电，测量管脚输入电压，并与正常模块工作时波形进行比较，两者输入波形一致，输出波形不一致，因此判定线圈已发生故障。更换模块故障元器件后，对模块进行了测试，模块工作正常。

对其他故障模块进行拆机维修后发现，模块故障具有共性特点：损坏元器件为CPU板的主供电保险丝和CPU板变压线圈、I/O模块某个输出通道的变压隔离线圈(少数情况下未烧坏)以及相应通道0～20 mA输出接口处的压敏电阻。

3 始发故障分析

在电路使用中，失效一般是从单个元器件失效开始，引发其他元器件的故障。

失效模式及其影响如表1所示。

表1 失效模式及其影响

故障元器件实际失效形式为：CPU板变压线圈短路、保险丝开路、I/O板变压隔离线圈短路、压敏电阻短路。根据始发故障元器件的不同，故障发生的连锁过程也不同，具体如下。

①CPU板电源线圈短路失效为始发故障。由于CPU板线圈远未到达寿命极限，此时仍具有很高的可靠性。本模块通过端子统一供电，电源本身具有良好隔离性能，CPU板电源线圈不易直接出现过电流损坏情况。如果外部电源供电出现高压，将导致更多的模块同时故障。因此，故障不可能是首先由CPU线圈损坏引发的。

②I/O板变压隔离线圈短路为始发故障。输出通道将4～20 mA信号直接提供给电气转换器来控制阀门开度。由于未采用隔离，故有可能介入干扰大电流，但根据现场设备上的历史数据可知，输出端电流未发生突变。因此，故障不可能是首先由I/O板变压隔离线圈短路引发的。

③保险丝熔断为始发故障。保险丝熔断为正常执行保护功能，熔断后电流断开，不会引发其他元器件失效。

④压敏电阻短路为始发故障。输出通道直接输出到感性负载电气转换器，使用时会因为负载切换出现高电压，击穿压敏电阻使输出通道短路，导致回路电流升高，烧坏前端线圈，最终使保险丝熔断。因此，由输出电路部分介入大干扰而导致元器件损坏，存在一定可能性。

根据以上分析，本模块故障由输出电路压敏电阻短路开始。由于压敏电阻短路失效使输出回路丧失保护功能,会导致电源与地直接导通。次级电路电流过大会烧坏I/O端线圈与主电源线圈，并导致保险丝熔断。最终，电路断开，指示灯不亮。FBM208输出通道接口电路如图2所示。

图2 FBM208输出通道接口电路图

图2中：R21与R22为压敏电阻；D21为雪崩二极管。R21为故障多发元器件，CPU板线圈向I/O板线圈供电，I/O板线圈输出电压后经整流得到VCC。R21故障后，将使VCC与GND短路，I/O板线圈将通过大电流，烧坏I/O板线圈与CPU线圈，并使CPU板保险丝熔断。

原设计中,为了延长压敏电阻使用寿命，采用2个特性相同的压敏电阻R21、R22并联,对浪涌电压进行分流。由于2个并联电阻中间接有感性负载，该负载起到了限流与分压作用，则放电时R22的电压满足公式：

(1)

式中：L为感性负载电感量；i为通过感性负载的电流。

本电路的设计初衷是降低残压对仪表的影响。R21上的残压通过负载和R22来分压，仪表仅受到R22残压的影响。但是，感性负载会导致压敏电阻R22的开启延迟，大部分电流从压敏电阻R21上释放，浪涌分流能力较低。在长期使用中，R21的寿命远低于预期。由于设计问题，当压敏电阻短路后变压器线圈输出端直接短路烧坏，导致模块FBM208故障频发。

4 测试验证

对发生元器件故障的一款FBM208通道6的电源端压敏电阻进行测量，发现该压敏电阻的压敏电压为34.8 V，空载时压敏电阻两端电压为30 V。

为了了解压敏电阻老化情况，对未发现元器件故障的FBM208模块(使用过的)共3个通道的压敏电阻的电压进行测量，结果如表2所示。

表2 压敏电阻压敏电压测试值

由测试数据可知，电源端压敏电阻明显出现老化，导致压敏电压降低。电源端压敏电阻长期工作在电压负荷下，吸收电路中的过电压与浪涌导致压敏电压降低。当压敏电压低于某个值时电流急剧增大，压敏电阻短路，烧坏I/O板线圈、CPU板线圈与保险丝，导致模块失去工作能力，指示灯也不亮。

根据故障可能原因，考虑到核电上设备故障不得导致下游设备故障的原则，建议采用如下方案提高模块的可靠性。①压敏电阻老化管理[4]。②在输出通道加隔离栅[5]。③压敏电阻并联瞬态抑制二极管(transient voltage suppressor,TVS)。

5 结束语

本电路设计中，由于双极压敏电阻保护电路[6-9]在接感性负载时不能很好地分流，且通过模块来驱动感性负载电器转换器时两者间没有采用隔离，当电器转换器受到干扰时，压敏电阻R21两端会出现电压冲击。多次电压冲击后，该压敏电阻会加速老化，导致压敏电压降低。

本案例中的压敏电阻老化影响了DCS系统数据的正常采集，尽管采用了冗余配置预防了严重后果的产生，但模块的高故障率极大地增加了DCS系统的维护成本，频繁的更换卡件也给维护人员带来了维护负担。因此，应根据负载的性质对仪表输出端进行保护设计，避免直接用仪表驱动感性负载，以提高模块可靠性。