朱愛璽 王志亮

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省無錫市 214153 2.濟(jì)南建設(shè)設(shè)備安裝有限責(zé)任公司 山東省濟(jì)南市 250031）

1 項目背景介紹

核電站EAU 系統(tǒng)， 即核電站安全殼儀表系統(tǒng)（Containment Instrumentation），安全殼作為核電廠核安全第三道屏障，必須具備良好的強(qiáng)度性能和密封性能，用來包容反應(yīng)堆冷卻劑回路在發(fā)生失水事故產(chǎn)生的放射性裂變產(chǎn)物，確保核電站工作人員和周圍環(huán)境的安全。升級前的EAU 系統(tǒng)是通過手動定期采集數(shù)據(jù)來分析和評價安全殼的強(qiáng)度性能。在核電站打壓試驗過程中，數(shù)據(jù)采集密度要求較高，傳統(tǒng)的人工采集數(shù)據(jù)在實時性、客觀性、安全性都難以保障。因此，各已建核電站近幾年先后啟動了EAU 系統(tǒng)的自動化改造。

全殼打壓試驗是核電廠建設(shè)及商運期間最重要的專項試驗之一，用于驗證作為核安全第 三道屏障的安全殼及其附屬部件的性能是否滿足要求。核電站EAU 系統(tǒng)是打壓試驗的重要數(shù)據(jù)來源，其采集的數(shù)據(jù)基本都包含溫度，應(yīng)變，應(yīng)力以及鉛垂線位置。溫度傳感器一般采用熱電偶，輸出電壓信號；應(yīng)變、應(yīng)力一般都采用振弦式傳感器，輸出頻率信號；鉛垂線位置一般采用垂線坐標(biāo)儀測量，輸出mA 電流信號。自動化改造后，各類傳感器的電信號都集中到自動化采集裝置處。自動化采集裝置選擇澳大利亞Dataker 的產(chǎn)品，主采集單元為DT85G，模擬通道擴(kuò)展模塊為CEM20，其信號采集精度為直流電壓測量：+0.1%；直流電流測量：+0.1%；直流電阻測量：+0.1%：能夠滿足核電站EAU 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精度要求。

2 干擾因素分析

我們在某個核電站EAU 系統(tǒng)自動化改造實施過程中，發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的隨機(jī)干擾問題。具體表現(xiàn)為溫度測量通道采集數(shù)據(jù)的隨機(jī)跳動。而且多個溫度信號通道的數(shù)據(jù)波動基本同步發(fā)生。如圖1 所示。

圖1：溫度信號某通道數(shù)據(jù)異常波動情況

溫度異常跳動幅度達(dá)到2℃，明顯超出了數(shù)據(jù)采集裝置的精度范圍。經(jīng)反復(fù)排查，其他類型數(shù)據(jù)通道采集正常，只有溫度傳感器通道出現(xiàn)此現(xiàn)象。考慮到現(xiàn)場部分坐標(biāo)儀信號傳輸通道與溫度信號通道有較長的一段在電纜橋架上同軸并行且共纜，懷疑有信號干擾。將所有坐標(biāo)儀關(guān)電停用，則溫度采集通道的數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。而把所有坐標(biāo)儀上電啟用后，溫度采集通道的數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象又重復(fù)出現(xiàn)。至此可以確定是信號干擾問題。

電磁干擾產(chǎn)生的根本原因是導(dǎo)體中有電壓或電流的變化，即較大dv/dt 或di/dt。dv/dt 或di/dt 能夠使導(dǎo)體產(chǎn)生電磁波輻射。凡是有電壓電流突變的場合，肯定會有電磁干擾存在。工廠企業(yè)在生產(chǎn)過程中會經(jīng)常有一些大型的設(shè)備（電機(jī)、變頻器 ）頻繁開關(guān)，他們也會造成一些容性、感性的干擾，也將影響儀器儀表正常顯示或采集。

現(xiàn)場測試垂線坐標(biāo)儀數(shù)據(jù)采集正常，應(yīng)變應(yīng)力數(shù)據(jù)采集正常，但是垂線坐標(biāo)儀信號輸出通道有35V 對地交流分量，交流分量會產(chǎn)生電磁場，形成電磁干擾源。

應(yīng)力應(yīng)變信號為頻率信號，傳輸過程中抗干擾能力強(qiáng)。垂線坐標(biāo)儀輸出4-20mA 電流信號，抗干擾能力較強(qiáng)，適用于長距離傳輸。熱電偶采集通道為mV 級弱信號，抗干擾能力弱，一般不適用于長距離傳輸，如需長距離傳輸，通常做法是通過變送器把mV 級信號變送為V 級電壓信號或者mA級電流信號。

由此可見，本核電站EAU 系統(tǒng)中的干擾問題由兩個方面的原因造成，一是熱電偶傳感器的溫度采集通道采用了不適宜長距離傳輸?shù)膍V 級的弱信號，二是垂線坐標(biāo)儀輸出的直流mA 信號之外，還存在交流分量，從而作為干擾源產(chǎn)生電磁干擾。

3 對應(yīng)解決方案

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，通常一個系統(tǒng)會集成多個子系統(tǒng)，包括各種自動化儀表、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，各個子系統(tǒng)的信號類型往往各不相同，其中既存在微弱的毫伏級、毫安級弱信號；也存在幾十伏，數(shù)千伏、數(shù)百安培的強(qiáng)信號；既包含低頻直流信號，也包含高頻脈沖信號等等。當(dāng)所有這些不同類型的信號系統(tǒng)構(gòu)成一個系統(tǒng)整體后，經(jīng)常出現(xiàn)不同的儀表和設(shè)備之間的信號干擾問題，從而造成采集數(shù)據(jù)不可靠，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。出現(xiàn)這種情況除了每臺儀器、設(shè)備本身的抗電磁干擾能力，還有一個十分重要的原因，就是各種儀器設(shè)備各個子系統(tǒng)基于本身要求都需要接地，例如為了安全，機(jī)殼需要接大地；為了使電路正常工作，系統(tǒng)需要有公共參考點；為了抑制干擾加屏蔽罩，屏蔽罩也需要接地。但是由于不同的儀表和設(shè)備之間的參考點之間存在電勢差（也就是各設(shè)備的共地點不同），因而形成“接地環(huán)流”?！敖拥丨h(huán)流”問題是在系統(tǒng)處理信號過程中必須解決的問題。從消除干擾與抗干擾兩方面出發(fā)，給出了如下四種建議整改方案。

方案1：為了使系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)需要有公共參考點；但是由于各個監(jiān)測設(shè)備之間的參考點之間存在電勢差（也就是各設(shè)備的共地點不同）因而形成“地環(huán)流”、“接地環(huán)流”問題是在系統(tǒng)處理信號過程中必須解決的問題，最直接的方法就是把核電站EAU 系統(tǒng)中所有坐標(biāo)儀的信號負(fù)極接地。

方案2：設(shè)法消除信號中的dv/dt 或di/dt.，也就是信號電纜中傳輸?shù)氖羌儍舻闹绷餍盘?。由于垂線坐標(biāo)儀與熱電偶的信號電纜存在部分共線段，這需要在垂線坐標(biāo)儀的信號輸出位置加裝濾波裝置，把交流信號濾除干凈，由于濾波裝置相對尺寸較大，難以加裝到現(xiàn)有坐標(biāo)儀內(nèi)部，只能外放式安裝在坐標(biāo)儀附近的接線箱位置。

方案3：消除信號中的dv/dt 或di/dt，也可以通過把坐標(biāo)儀的AC220V 供電改為直流供電，供電電源采用電廠的直流電源，同時把坐標(biāo)儀內(nèi)部的整流模塊去掉，對坐標(biāo)儀進(jìn)行改造，這樣能徹底解決電磁干擾問題。

方案4：電磁干擾的解決除了降低干擾源的途徑，還可以通過加強(qiáng)抗干擾能力的途徑。由于mV 級電壓信號本身就不建議用于長距離信號傳輸，因為它更容易受到干擾?？梢酝ㄟ^變送器把mV 級電壓信號升壓到0-5V 的電壓信號，或者把mV 級信號轉(zhuǎn)換為4-20mA 的電流信號，則能夠顯著提高遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目垢蓴_能力。

方案1 到3 都是從消除干擾源出發(fā)，方案4 是從提高信道抗干擾能力出發(fā)。由于設(shè)計難以變更以及現(xiàn)場實際情況，最終采用第一種解決方案。在不改變熱電偶信號采集方式（提高抗電磁干擾能力）的情況下，則需盡量消除干擾源——垂線坐標(biāo)儀信號輸出通道的對地交流分量，把核電站EAU 系統(tǒng)中所有垂線坐標(biāo)儀的輸出信號負(fù)極接地。

4 室內(nèi)測試驗證

我們在室內(nèi)對垂線坐標(biāo)儀進(jìn)行了兩種開關(guān)電源的接地與不接地測試，接地情況下單通道接線原理圖如圖2 所示。

圖2：坐標(biāo)儀mA 直流信號接線原理圖

測試記錄表如表1 所示。

表1：測試記錄表

經(jīng)測試驗證，接地后交流分量顯著降低。無論開關(guān)電源選擇LPV-12-24 或者LPV-20-24，信號輸出端的交流分量電壓均小于1V，能夠達(dá)到消除電磁干擾效果。

5 現(xiàn)場整改效果

現(xiàn)場，我們對每臺坐標(biāo)儀的輸出信號負(fù)極接地，接線原理圖如圖3。

圖3：垂線坐標(biāo)儀信號輸出接線原理圖

由于核電站沒有在垂線坐標(biāo)儀安裝位置處提供統(tǒng)一的信號接地點，而僅提供電源地，AC220V 電源線纜均具備接地線，此處的負(fù)極接地接電源地最為便利，經(jīng)現(xiàn)場測試也滿足垂線坐標(biāo)儀信號輸出端消除交流分量的要求。因此，現(xiàn)場只需要在原有接線基礎(chǔ)上，把Y 路輸出信號的負(fù)極與AC220V電源線纜的地線連接即可。

實際接線圖如圖4。

圖4：垂線坐標(biāo)儀信號輸出接線實物圖

對該核電站現(xiàn)場的12 臺垂線坐標(biāo)儀都做了信號輸出端負(fù)極接地措施后，EAU 系統(tǒng)其它部分不做任何調(diào)整，自動化采集系統(tǒng)運行良好，所有溫度數(shù)據(jù)采集通道均沒有再出現(xiàn)異常波動情況。如圖5、圖6 所示。

圖5：K15 溫度時程數(shù)據(jù)曲線

圖6：N2 溫度時程數(shù)據(jù)曲線

整改后的通過了現(xiàn)場用戶驗收測試，在隨后的核電站打壓試驗中，EAU 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)運行靈活穩(wěn)定。

6 結(jié)論

核電站安全殼儀表系統(tǒng)在自動化改造過程中，需充分考慮并設(shè)計各個接入儀器儀表的接地；同時，在長距離信號傳輸中，盡量不要采用mV 的電壓弱信號。后續(xù)可以進(jìn)一步考慮長距離信號傳輸都采用數(shù)字信號，這也是邊緣計算的發(fā)展方向。