核安全級(jí)DCS模擬量輸入通道精度分析與設(shè)計(jì)

摘" 要：目前，國(guó)內(nèi)核安全級(jí)DCS模擬量輸入通道系統(tǒng)精度計(jì)算往往依托模擬量模塊的精度數(shù)據(jù)開展系統(tǒng)級(jí)精度符合性計(jì)算，而未從設(shè)計(jì)層面具體分析影響模擬量通道精度的因素及設(shè)計(jì)方法。針對(duì)此問題，結(jié)合誤差理論采用正向設(shè)計(jì)思路建立模擬量通道誤差分析模型，通過通道關(guān)鍵器件選型和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通道精度的性能驗(yàn)證。結(jié)果表明，建立的誤差模型較為準(zhǔn)確，對(duì)核安全級(jí)DCS系統(tǒng)模擬量通道器件選型和設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：核安全級(jí)DCS；模擬量輸入通道精度；誤差；選型；通道精度

中圖分類號(hào)：TP23" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(jí)DCS采用通用平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)核電廠反應(yīng)堆保護(hù)和控制功能，同時(shí)壓水堆工程設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)核安全級(jí)DCS設(shè)備的模擬量通道精度（0.5%）提出了明確的指標(biāo)要求，并基于此精度開展安全分析，因此信號(hào)采集、輸出的精度對(duì)功能的執(zhí)行至關(guān)重要[1-2]。核安全級(jí)DCS設(shè)備工程設(shè)計(jì)角度，往往僅關(guān)注模擬量通道的系統(tǒng)精度是否滿足用戶設(shè)計(jì)要求；對(duì)于核安全級(jí)DCS產(chǎn)品設(shè)計(jì)師而言，精度保證通常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者根據(jù)芯片廠商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)、參考電路實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)，然后結(jié)合產(chǎn)品開展實(shí)際測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和正確性。

考慮上述情況，針對(duì)核安全級(jí)DCS模擬量輸入通道精度需求，結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)和工作原理對(duì)精度影響的因素進(jìn)行了分析，建立系統(tǒng)誤差分析模型，通過器件選型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通道精度驗(yàn)證，最終達(dá)成系統(tǒng)通道精度指標(biāo)要求。

1" 組成及原理

核安全級(jí)DCS模擬量輸入通道系統(tǒng)如圖1所示，包括調(diào)理模塊（PIPS）、模擬量輸入模塊（AI）及主控制器模塊（MCU）[3]。調(diào)理模塊（PIPS）主要實(shí)現(xiàn)傳感器/變送器現(xiàn)場(chǎng)4～20 mA信號(hào)的調(diào)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(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)中調(diào)理模塊（PIPS）還應(yīng)具備多路分配功能，考慮本通道反應(yīng)堆保護(hù)邏輯信號(hào)使用外還需送往后備盤（BUP）、多樣化保護(hù)系統(tǒng)（DAS）、非安數(shù)字化控制系統(tǒng)（NC DCS）等，因此通常設(shè)計(jì)為4路隔離且獨(dú)立的通道[4]。模擬量輸入模塊（AI）主要實(shí)現(xiàn)4～20 mA電流信號(hào)的采集和處理功能，由信號(hào)調(diào)理電路、ADC采樣電路、數(shù)字隔離電路、處理及通信電路等組成，在核安全級(jí)DCS系統(tǒng)中考慮模擬量輸入模塊的通用性和可擴(kuò)展性，通常具備16通道同時(shí)信號(hào)采集和處理的能力[5-7]。主控制器模塊（MCU）主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算處理和邏輯判斷，因該模塊主要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，在此不再贅述[8]。

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

2" 誤差影響因素分析

2.1" 誤差理論

誤差理論中對(duì)誤差來源進(jìn)行了歸納，主要包括儀器誤差、人的因素以及外界環(huán)境[9]。對(duì)于模擬量輸入通道精度的影響，本文主要論述重點(diǎn)在儀器誤差，即模擬量輸入通道系統(tǒng)中的靜態(tài)誤差，這種誤差是隨機(jī)的，分類上屬于偶然誤差，且符合正態(tài)分布[10]。在統(tǒng)計(jì)學(xué)上相互獨(dú)立的項(xiàng)，其綜合精度在達(dá)到95%置信度的情況下等于各分項(xiàng)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(xiàng)精度。

2.2 調(diào)理模塊誤差分析

由圖2可知，調(diào)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(jīng)取樣電阻Rs后，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Vin。

2）Vin電壓經(jīng)過儀放增益（Gin1）放大后，輸出電壓信號(hào)V1。

3）V1電壓經(jīng)隔離運(yùn)放增益（Gin2）調(diào)整后，輸出差分電壓信號(hào)V2p、V2n。

4）差分電壓信號(hào)V2p、V2n經(jīng)運(yùn)放、電阻和三極管等構(gòu)成的V/I轉(zhuǎn)換電路后，輸出4～20 mA電流輸入Iout。

下面對(duì)模塊誤差影響因素包括電阻、儀放、隔離運(yùn)放和運(yùn)放等進(jìn)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(shù)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(yùn)放誤差：誤差因素主要為隔離運(yùn)放的參數(shù)引入，模塊通道精度由隔離運(yùn)放引入的主要誤差見表3。

按式（1），由隔離運(yùn)放引入的模塊通道精度誤差如下式

δIA1= 。 （4）

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

按式（1），由運(yùn)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(diào)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(shù)字信號(hào)輸出，主要工作流程如下。

1）經(jīng)取樣電阻Ra-s后，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Va-in。

2）Va-in電壓經(jīng)過儀放增益（Gina1）放大后，輸出電壓信號(hào)Va1。

3）Va1電壓經(jīng)ADC采樣后，輸出帶有碼值信息的SPI數(shù)字信號(hào)。

4）通過數(shù)字隔離芯片對(duì)帶有碼值信息的SPI數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字隔離后，送往處理及通信電路。

下面對(duì)模塊誤差影響因素包括電阻、儀放、隔離運(yùn)放和運(yùn)放等進(jìn)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(shù)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(zhǔn)源誤差：誤差因素主要為基準(zhǔn)源的參數(shù)引入，模塊通道精度由基準(zhǔn)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(shù)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(tǒng)誤差

基于2.1誤差理論，核安全級(jí)DCS模擬量輸入通道系統(tǒng)中調(diào)理模塊（PIPS）、模擬量輸入模塊（AI）相互獨(dú)立，因此系統(tǒng)誤差計(jì)算如下式

δ= ， （10）

式中：δ為系統(tǒng)通道精度，δP為調(diào)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(tǒng)通道精度的因素較多，下面章節(jié)將從元器件選型和設(shè)計(jì)角度具體展開分析。

3 器件選型及計(jì)算

模擬量輸入通道元器件選型主要從以下方面進(jìn)行評(píng)估。

影響精度的元器件參數(shù)須在器件手冊(cè)中明確；元器件的選用須考慮設(shè)計(jì)裕量，如使用最大值而非典型值；還須考慮普遍性、經(jīng)濟(jì)性、可替代性；同時(shí)還須對(duì)其可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等進(jìn)行綜合考量。

3.1 器件選型參數(shù)

根據(jù)器件選型綜合評(píng)估，圖2中模擬量輸入通道系統(tǒng)中器件選用主要參數(shù)見表9。

3.2 精度計(jì)算

根據(jù)表9中選型的器件參數(shù)，影響調(diào)理模塊的各因素精度誤差計(jì)算如下

根據(jù)式（6），模擬量輸入模塊的精度誤差值為0.104%。

進(jìn)一步根據(jù)式（10），核安全級(jí)DCS模擬量輸入通道系統(tǒng)精度誤差δ為0.14%。

通過上述精度理論計(jì)算，在不考慮器件溫漂參數(shù)影響下，通過構(gòu)建的誤差模型，結(jié)合器件選型和參數(shù)分析，系統(tǒng)通道精度能滿足0.5%指標(biāo)要求，且裕量較大。

4" 測(cè)試結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證精度計(jì)算結(jié)果的正確性，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。采用分段測(cè)試驗(yàn)證的方法，逐一對(duì)調(diào)理模塊、模擬量輸入模塊的精度進(jìn)行了測(cè)試[11-12]。

4.1 調(diào)理模塊精度測(cè)試

采用特穩(wěn)攜式校驗(yàn)儀在調(diào)理模塊的輸入端分別送入4、8、12、16、20 mA信號(hào)，并回采經(jīng)過調(diào)理模塊隔離、分配的4路4～20 mA輸出信號(hào)。測(cè)試結(jié)果見表10。

4.2" 模擬量輸入模塊精度測(cè)試

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

上述測(cè)試結(jié)果表明調(diào)理模塊、模擬量輸入模塊的實(shí)際精度均在理論誤差計(jì)算范圍內(nèi)。

5" 結(jié)束語

本文對(duì)核安全級(jí)DCS系統(tǒng)模擬量輸入通道的進(jìn)行了說明，結(jié)合誤差理論對(duì)影響模擬量輸入通道精度的因素進(jìn)行了分析，并通過具體器件選型設(shè)計(jì)將影響誤差的因素相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行列舉，計(jì)算出核安全級(jí)DCS系統(tǒng)模擬量輸入通道的理論精度誤差。最終通過搭建實(shí)物環(huán)境，對(duì)調(diào)理模塊、模擬量輸入模塊的精度進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了精度分析的合理性以及設(shè)計(jì)的正確性。

通過上述分析和設(shè)計(jì)，可提供電路設(shè)計(jì)人員“事前”評(píng)估分析的方法，在設(shè)計(jì)初始階段即可通過建模、分析、計(jì)算等手段，對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的可達(dá)性進(jìn)行預(yù)先評(píng)價(jià)，盡可能減少設(shè)計(jì)反復(fù)，進(jìn)而提升電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

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