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摘要：基于当前社会飞速发展下，核电厂自动化程度明显提高，而DCS的应用也愈发广泛，但在实际应用中，DCS的电路板非常容易损坏，对此，本文以某电厂为例，侧重分析了引起DCS机笼模件烧毁的原因，并提出了解决对策。希望此次分析可以帮助解决DCS受干扰问题，促使DCS系统安全运行，更好的发挥作用。
关键词：核电厂;DCS系统;IO模件;感应电;原因;对策
引言：我国通过不断改进，自主设计建造的某百万千瓦级压水堆核电厂，其中选用德国西门子公司的Teleperm-XP和Teleperm-XS全数字化DCS仪控系统，非安全级与安全级都涵盖在内。但是在实际调试过程中，出现DCS控制柜机笼模件被烧毁的情况。通过研究、分析，发现电气配电盘产生感应电会对DCS机笼模件产生严重影响，从而导致其烧毁。本文围绕此展开分析，最后经过设备厂商的改造，解决了该安全隐患。
一、DCS机笼模件烧毁事件
根据某核电厂监视画面显示，当天监控画面突然模糊，烟雾探测发出警报。而现场工作人员也及时拨出了报警电话，操纵人员接到报告，在某厂房房间4KCP561AR控制柜突然出现大量的烟雾，同时，还带有火花，事发突然。等烟雾散去后，技术人员勘察现场，经过检查4KCP561AR机柜，发现该型号控制柜的6个机笼电源分配保险出现了熔断，而CA层IO模件工作指示灯也都出现报警状态[1]，其中CA层机笼模件有非常明显的烧焦迹象，该柜内的电路板焊锡已经融化。而后，该核电厂成立了研究小组，并让电气与工艺系统专业人员配合调查此事故发生的原因 。
二、查找烧毁原因
根据该核电厂使用的DCS系统组成构件看，主要包含了控制柜、电源柜、端子柜等，而各个控制柜主要的部件有IO模件、CPU，还有一些附属元件。其中CPU与IO模件之间的通讯，主要通过机笼背板实现，同时，该背板作为机柜总线一部分线也会向IO模件输送工作电源。
（一）分析该厂DCS报警信息
根据该核电厂DCS事故发生的整个过程看，在烧毁事故发生前，CA层机笼012槽位的FUM210模件出现过多次故障报警信息。该槽位配置的FUM210開关量输出模件，主要控制4GSS201VV、4GSS251VV、4GSS252VV、4GSS290P0这四台设备。通过查看当时的记录，发现，这四台设备中，只有4GSS290P0在事故发生附近出现了状态变化以及异常报警信息。在Teleperm-XPDCS系统中，最为常见的IO模件就有FUM210模件，该模件主要应用于现场开关量设备的输入输出，使用数量相比于其他部件级DCS设备要明显多。FUM210模件模件融合了DCM （ Drive Control Module驱动控制模块）模块[2]，主要负责控制驱动、状态采集，但都是针对现场两位式控制设备而言。此种集成方式，突显出了其自身优势，对DCS软硬件的便捷组态以及系统标准化设计起到重要帮助，整体性能较为突出。但从该核电厂设计情况看，没有利用DCM的所有性能，，DI点没有与DCS连接，如试验位置、低电压、控制回路故障等。如图1所示，为FUM210与电气配电设备连接图。
借助通道获取到的电压值，而后IO模件便可以判断出开关量输入触点逻辑0/1情况。如果超出了相应的阈值，则判断为高电平，也就是逻辑量“1”，相反，如果低于一定阈值，则判断为低电平，即“0”，但是由于4GSS290P0并没有与DCS的DI点发出报警信息相互连接，所以，证明了这些通道端口的电压被抬高，高出该系统的高电平1的判断阈值，而当技术人员使用万用表，对该机柜全部外部的电缆进行测量时，却没有检测到超出24V的电压，这其中包含了交流、直流电压。
（二）检查测试电气配电盘
4GSS290P0与DCS的控制连接如图1所示，其本身是380V交流电机泵。在事故后续调查过程中，技术人员对配电盘进行了检查测试，主要使用的测量工具是，数字万用表FLUKE287，测试所记录的数据显示如表1所示。
从表1试验情况看，电气配电盘的电机反馈端子感应电压较大，其中，电机加热器的投切过程出现了感应电较大，比如，处于隔离位置时，31VAC-10VAC=21VAC，也就是投入电加热器增大了21VAC;而处于工作状态时，41VAC-11VAC=30VAC ，此时投入电加热器增大了30VAC。当电机处于停止位置时，此时电气配电盘或转变为工作状态，此过程感应电压变化只增加了1VAC，这说明了电机是否运行，并不会对感应电压变化产生较大影响。通过查看DCS系统说明书，可知，峰值电压与稳态电压值变化，均可直接影响到DCS内部精密电子元件，进而出现损坏的情况[3]。
在此基础上，检查电气配电盘内部电缆布置情况，进一步分析电气配电盘产生感应电的原因，不难发现，主要是由盘内对电缆进行控制，而动力电缆走线布置并不科学。由于电加热器启停设计方案设计不够合理，再加上配电盘元器件布局不科学，导致强弱电缆交替，相互影响，从而致使弱电信号被强电电磁场干扰。在进入配电盘前，DCS系统控制电缆屏蔽层都会做接地处理，进而使得配电盘内部控制电缆线芯但是不包括屏蔽层，而由于线芯会产生相应的感应电，进而发出干扰，但屏蔽层无法进行有效屏蔽，也正是这一原因， 所以，造成感应电通过线芯，并受到干扰后直接作用于DCS系统IO模件的输入通道中。
（三）此次机笼烧毁机理
1、感应电电压高但电量小
根据上文试验数据显示，当感应电电压达到峰值（92VAC）时 ，有可能实际情况中的更高，但是，对应的电量却非常小。直流电流，在微小的电量作用下并不会烧毁机笼、融化焊锡。但此种电压的尖峰，却能够击穿高密度集成电路中的电子元器件，但此种破坏并不会显露在电路板外表，所以不容易被人发现。
2、击穿模件“安全屏障”
分析DCS系统IO模件可知，其中涵盖了较多数量的一极管、三极管、电阻、电容，属于规模较大的集成电路板，因此，无论是静电，还是感应电尖峰，都非常容易击穿电路、微小电子元器件，造成电路板线路无法正常工作，直接对整个系统功能造成影响。如果出现“短路”，会使得模件供电电源接地，进而出现较大电流，致使电路板局部发热烧毁;若是“断路”，一般情况下，会出现工作异常
3、感应电干扰流程图
通过上述原因的查找过程，总结并绘制出了控制柜机笼模件受感应电干扰烧毁流程图，如图2所示。
三、根本原因总结及解决措施
通过上文事故原因查找，不难得出，导致DCS系统模件烧毁的直接原因是，由于电气配电盘的感应电影响，导致DCS机笼模件的精密电子元器件被击破，同时，也破坏了模件的“安全屏障”，最终导致电路板局部被烧毁。而根本原因，则是因为电气配电盘内部强弱电在布置走线时，不够科学合理，进而引发弱电信号线缆受强电磁干扰，导致线芯产生较强的感应电。根据分析结果，核电厂应当制定出相应的解决措施，要求设备厂商，在保证电气配电盘图纸设计不发生改变的前提下，调整电气配电盘布局，根据布线标准，重新规划走线布置。
结束语：
总之，通过分析该核电厂DCS机笼模件烧毁根本原因，不难发现，导致事故的根本原因相对要隐蔽，不容易被发现，对此，核电厂应当积极与设备厂商沟通，针对问题进行改造，解决电气配电盘感应电问题，同时，也要积极推广到已经投入使用的机组中。本文的整体分析思路以及方法，希望可以更好的解决此类感应电干扰问题。此外，核电厂也应当积极做好DCS设备防静电、防电磁干扰措施，促使核电厂进一步完善数字化仪控系统。
参考文献
[1] 牛茂龙， 张国军， 郑军伟. 某核电厂DCS机笼模件烧毁根本原因分析[J]. 科技视界， 2018， 000（004）：129-130，121.
[2] 雷焕宇， 余冠华. 核电厂工艺模型在DCS工程样机条件下实现冷端温度补偿方法浅析[J]. 科学与信息化， 2019， 000（014）：108-110.
[3] 李飞， 侯雪燕， 张侃，等. CP1000核电厂全范模拟机中DCSFSS接口软件的设计与实现[J]. 核科学与技术， 2019， 007（003）：P.78-82.
西门子电站自动化有限公司 210000
关键词：核电厂;DCS系统;IO模件;感应电;原因;对策
引言：我国通过不断改进，自主设计建造的某百万千瓦级压水堆核电厂，其中选用德国西门子公司的Teleperm-XP和Teleperm-XS全数字化DCS仪控系统，非安全级与安全级都涵盖在内。但是在实际调试过程中，出现DCS控制柜机笼模件被烧毁的情况。通过研究、分析，发现电气配电盘产生感应电会对DCS机笼模件产生严重影响，从而导致其烧毁。本文围绕此展开分析，最后经过设备厂商的改造，解决了该安全隐患。
一、DCS机笼模件烧毁事件
根据某核电厂监视画面显示，当天监控画面突然模糊，烟雾探测发出警报。而现场工作人员也及时拨出了报警电话，操纵人员接到报告，在某厂房房间4KCP561AR控制柜突然出现大量的烟雾，同时，还带有火花，事发突然。等烟雾散去后，技术人员勘察现场，经过检查4KCP561AR机柜，发现该型号控制柜的6个机笼电源分配保险出现了熔断，而CA层IO模件工作指示灯也都出现报警状态[1]，其中CA层机笼模件有非常明显的烧焦迹象，该柜内的电路板焊锡已经融化。而后，该核电厂成立了研究小组，并让电气与工艺系统专业人员配合调查此事故发生的原因 。
二、查找烧毁原因
根据该核电厂使用的DCS系统组成构件看，主要包含了控制柜、电源柜、端子柜等，而各个控制柜主要的部件有IO模件、CPU，还有一些附属元件。其中CPU与IO模件之间的通讯，主要通过机笼背板实现，同时，该背板作为机柜总线一部分线也会向IO模件输送工作电源。
（一）分析该厂DCS报警信息
根据该核电厂DCS事故发生的整个过程看，在烧毁事故发生前，CA层机笼012槽位的FUM210模件出现过多次故障报警信息。该槽位配置的FUM210開关量输出模件，主要控制4GSS201VV、4GSS251VV、4GSS252VV、4GSS290P0这四台设备。通过查看当时的记录，发现，这四台设备中，只有4GSS290P0在事故发生附近出现了状态变化以及异常报警信息。在Teleperm-XPDCS系统中，最为常见的IO模件就有FUM210模件，该模件主要应用于现场开关量设备的输入输出，使用数量相比于其他部件级DCS设备要明显多。FUM210模件模件融合了DCM （ Drive Control Module驱动控制模块）模块[2]，主要负责控制驱动、状态采集，但都是针对现场两位式控制设备而言。此种集成方式，突显出了其自身优势，对DCS软硬件的便捷组态以及系统标准化设计起到重要帮助，整体性能较为突出。但从该核电厂设计情况看，没有利用DCM的所有性能，，DI点没有与DCS连接，如试验位置、低电压、控制回路故障等。如图1所示，为FUM210与电气配电设备连接图。
借助通道获取到的电压值，而后IO模件便可以判断出开关量输入触点逻辑0/1情况。如果超出了相应的阈值，则判断为高电平，也就是逻辑量“1”，相反，如果低于一定阈值，则判断为低电平，即“0”，但是由于4GSS290P0并没有与DCS的DI点发出报警信息相互连接，所以，证明了这些通道端口的电压被抬高，高出该系统的高电平1的判断阈值，而当技术人员使用万用表，对该机柜全部外部的电缆进行测量时，却没有检测到超出24V的电压，这其中包含了交流、直流电压。
（二）检查测试电气配电盘
4GSS290P0与DCS的控制连接如图1所示，其本身是380V交流电机泵。在事故后续调查过程中，技术人员对配电盘进行了检查测试，主要使用的测量工具是，数字万用表FLUKE287，测试所记录的数据显示如表1所示。
从表1试验情况看，电气配电盘的电机反馈端子感应电压较大，其中，电机加热器的投切过程出现了感应电较大，比如，处于隔离位置时，31VAC-10VAC=21VAC，也就是投入电加热器增大了21VAC;而处于工作状态时，41VAC-11VAC=30VAC ，此时投入电加热器增大了30VAC。当电机处于停止位置时，此时电气配电盘或转变为工作状态，此过程感应电压变化只增加了1VAC，这说明了电机是否运行，并不会对感应电压变化产生较大影响。通过查看DCS系统说明书，可知，峰值电压与稳态电压值变化，均可直接影响到DCS内部精密电子元件，进而出现损坏的情况[3]。
在此基础上，检查电气配电盘内部电缆布置情况，进一步分析电气配电盘产生感应电的原因，不难发现，主要是由盘内对电缆进行控制，而动力电缆走线布置并不科学。由于电加热器启停设计方案设计不够合理，再加上配电盘元器件布局不科学，导致强弱电缆交替，相互影响，从而致使弱电信号被强电电磁场干扰。在进入配电盘前，DCS系统控制电缆屏蔽层都会做接地处理，进而使得配电盘内部控制电缆线芯但是不包括屏蔽层，而由于线芯会产生相应的感应电，进而发出干扰，但屏蔽层无法进行有效屏蔽，也正是这一原因， 所以，造成感应电通过线芯，并受到干扰后直接作用于DCS系统IO模件的输入通道中。
（三）此次机笼烧毁机理
1、感应电电压高但电量小
根据上文试验数据显示，当感应电电压达到峰值（92VAC）时 ，有可能实际情况中的更高，但是，对应的电量却非常小。直流电流，在微小的电量作用下并不会烧毁机笼、融化焊锡。但此种电压的尖峰，却能够击穿高密度集成电路中的电子元器件，但此种破坏并不会显露在电路板外表，所以不容易被人发现。
2、击穿模件“安全屏障”
分析DCS系统IO模件可知，其中涵盖了较多数量的一极管、三极管、电阻、电容，属于规模较大的集成电路板，因此，无论是静电，还是感应电尖峰，都非常容易击穿电路、微小电子元器件，造成电路板线路无法正常工作，直接对整个系统功能造成影响。如果出现“短路”，会使得模件供电电源接地，进而出现较大电流，致使电路板局部发热烧毁;若是“断路”，一般情况下，会出现工作异常
3、感应电干扰流程图
通过上述原因的查找过程，总结并绘制出了控制柜机笼模件受感应电干扰烧毁流程图，如图2所示。
三、根本原因总结及解决措施
通过上文事故原因查找，不难得出，导致DCS系统模件烧毁的直接原因是，由于电气配电盘的感应电影响，导致DCS机笼模件的精密电子元器件被击破，同时，也破坏了模件的“安全屏障”，最终导致电路板局部被烧毁。而根本原因，则是因为电气配电盘内部强弱电在布置走线时，不够科学合理，进而引发弱电信号线缆受强电磁干扰，导致线芯产生较强的感应电。根据分析结果，核电厂应当制定出相应的解决措施，要求设备厂商，在保证电气配电盘图纸设计不发生改变的前提下，调整电气配电盘布局，根据布线标准，重新规划走线布置。
结束语：
总之，通过分析该核电厂DCS机笼模件烧毁根本原因，不难发现，导致事故的根本原因相对要隐蔽，不容易被发现，对此，核电厂应当积极与设备厂商沟通，针对问题进行改造，解决电气配电盘感应电问题，同时，也要积极推广到已经投入使用的机组中。本文的整体分析思路以及方法，希望可以更好的解决此类感应电干扰问题。此外，核电厂也应当积极做好DCS设备防静电、防电磁干扰措施，促使核电厂进一步完善数字化仪控系统。
参考文献
[1] 牛茂龙， 张国军， 郑军伟. 某核电厂DCS机笼模件烧毁根本原因分析[J]. 科技视界， 2018， 000（004）：129-130，121.
[2] 雷焕宇， 余冠华. 核电厂工艺模型在DCS工程样机条件下实现冷端温度补偿方法浅析[J]. 科学与信息化， 2019， 000（014）：108-110.
[3] 李飞， 侯雪燕， 张侃，等. CP1000核电厂全范模拟机中DCSFSS接口软件的设计与实现[J]. 核科学与技术， 2019， 007（003）：P.78-82.
西门子电站自动化有限公司 210000