CN202126626U - 一种核电站数字化仪控系统测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种核电站数字化仪控系统测试装置，涉及自动化控制领域，包括控制装置和信号处理装置，控制装置包括工控机、安装在工控机内部的采集卡和控制测试过程的控制软件，所述信号处理装置包括分线板和调理板，分线板的两端通过信号线分别与采集卡和调理板连接，调理板的另一端通过信号线与被测的DCS控制柜连接。本方案以DCS控制柜或工艺系统为单位进行测试，可同时将全部信号都接入测试装置，一次能够完成待测DCS控制柜或工艺系统的所有测试项，提高了测试效率、节省了人力资源。控制方法实时反映测试状态及预期结果，模拟软件可模拟工艺系统控制回路，并根据需要设置工艺系统状态测试控制的准确性与控制效果。

Description

一种核电站数字化仪控系统测试装置

技术领域

本实用新型涉及自动化控制领域，具体涉及一种对核电站数字化仪控柜内所有信号点同时进行检测的测试装置。 

背景技术

核电站的DCS(数字化仪控系统)作为核电机组的关键设备，是核电站的重要组成部分，DCS将现场的各个控制器和仪表及仪表设备互联，DCS包括保护系统、控制系统、安全停堆系统、保障系统和辅助系统等几部分，各系统利用所需的仪表和控制设备完成核电站大部分工艺过程的自动化检测和控制功能，因此核电站机组的安全可靠、经济运行在很大程度上取决于DCS的性能水平，DCS工艺流程复杂，监测和控制的参数多而且各种过程参数之间联系密切，以1000MW典型的核电站DCS为例，它的参数信息量和指令大约是7000～9000个，因此维护和检测各个DCS控制柜的安全性和稳定性，不但是核电站正常运行的保证，还是测试系统硬件和软件配置的完整性和正确性、输入文件实施的完整性和正确性的工具，也是DCS的功能和性能是否符合合同、技术规格等要求的唯一保证。 

而且DCS在生产的各个阶段都需要进行验证，以确定各系统本身的安全性，其中DCS集成阶段中的下列工序完成时需要进行测试：硬件系统配置完成时、平台软件安装完成时、工程组态下装完成时、测试工程下装完成时和网络环境搭建完成时等，另外在整个DCS集成后还需要进行各种测试来进行验证。DCS的控制点位于多个DCS控制柜内，DCS控制柜包括不同的IO柜和端子柜，对DCS控制柜的验证包括单体测试、性能测试、逻辑测试(设备及功能测试)和HMI测试四种，测试的基本原理是对控制柜中的各测试点外加各类信号或采集各类信号。 

在测试手段上，现有技术中一是采用手工测试，利用信号发生器、示波器、过程控制仪表等各种设备进行手动测试，在进行测试项时需要外加和采集各类信号，再利用各种仪表或短接线的方法人工在DCS控制柜的接线端子排上加信号。，例如要为DCS控制柜加入一个4～20mA信号，需要人工查看图纸以找到相应接收端子，再将信号源的电缆连接到相应的接线端子上，测试完一个通道(AI、AO、DI、DO)还需要拆线，并再接到另一个通道上进行测试，一个DCS控制柜测试下来需要发送和采集大量的信号，此方式不但测试效率低、花费时间长、人力消耗大，而且由于仪表的局限性，一些测试项还无法进行，如：各部分之间连  动后的关系。 

另一种测试方法是集成测试，采用电脑控制的集成测试装置一次能够对DCS控制柜中的多个端子进行测试，此方法避免了测试过程中的手工连线，但是现有的集成测试装置均为国外产品，如：岭澳二期核电站DCS项目采用AREVA公司的ERBUS_TXS产品。还存在一次测试的信号点少，硬件方面不能满足大量信号(上万信号)的试验要求，而且硬件接口结构不利于大量测试点的快速连接，只能针对特定的系统执行验证测试，而且不能根据具体的测试对象增加或减少测试端口。 

实用新型内容

为解决现有技术中核电站DCS控制柜手工测试效率低、成本大，集成测试一次测试控制点少的问题，本实用新型提供一次能同时测试一个DCS控制柜上所有信号点的集成测试装置，而且能够根据目标对象的多少增加或减少测试端口，同时能够输出偏移信号以扩大测试范围，具体方案如下：一种核电站数字化仪控系统的测试装置，包括控制装置和信号处理装置，其特征在于，所述控制装置包括工控机、安装在工控机内部的采集卡和控制测试过程的控制软件，所述信号处理装置包括分线板和调理板，分线板的两端通过信号线分别与采集卡和调理板连接，调理板的另一端通过信号线与被测的DCS控制柜连接。 

本实用新型的另一优选方案：所述分线板上包括一个输入插座和多个输出插座，每个输出插座通过信号线连接一块调理板，所述调理板与控制柜之间安装有航空插座，调理板的信号线通过插在航空插座上的航空电连接器与DCS控制柜连接。 

本实用新型的另一优选方案：所述航空电连接器为100PIN插头且符合MIL-DTL-38999标准。 

本实用新型的另一优选方案：所述调理板包括DO调理板、DI调理板、AO调理板和AI调理板，所述分线板与各调理板对应的分为DO分线板、DI分线板、AO分线板和AI分线板。 

本实用新型的另一优选方案：所述AO调理板将采集卡输出的±10V电压调理成DCS控制柜需要的0～20mA电流、0～10V电压信号输出； 

所述AI调理板将DCS控制柜输出的0～10V电压信号或0～20mA电流信号调理成0～10V的信号输出至工控机； 

所述DO调理板将工控机输出的TTL-5V信号调理成DCS控制柜能够接受的触点、DC24V或DC48V信号输出； 

所述DI调理板将DCS控制柜输出的0～10V电压信号或0～20mA电流信号调理成0～10V的  电压信号输出至工控机。 

本实用新型的另一优选方案：所述AO调理板上安装有微调控制器，微调控制器为AO调理板上电器元件提供电压补偿，电压补偿范围为±2V，使AO调理板能够输出0～24mA或-2～12V的偏移电流、电压信号，所述微调控制器为电位器。 

本实用新型的另一优选方案：所述DO分线板和DI分线板的输入插座包含96个数据通道，输出插座为6个，每个输出插座包含16个数据通道；所述AO分线板和AI分线板的输入插座包含32个数据通道，输出插座为4个，每个输出插座包含8个数据通道。 

本实用新型的另一优选方案：所述AO调理板和DO调整板上设置有用于通道保护的元件，包括设置在AO调理板、DO调理板输入端和外接电源处的TVS，以及光藕回路中设置的自恢复保险丝。 

本实用新型的另一优选方案：所述DO调理板连接有外接电源，所述外接电源功率大于等于24V/50W或大于等于48V/100W。 

本实用新型的另一优选方案：所述AI调理板和DI调理板在外接电源输入端和信号输出端设置有TVS，在信号输入端设置有二极管组成的通道保护电路。 

本方案的测试装置以控制柜或工艺系统为单位进行测试，可同时将一个DCS控制柜或工艺系统的全部信号都接入测试装置，一次能够完成待测现场的DCS控制柜或工艺系统的所有测试项，中途无需更换信号线缆，保证了测试的连贯性。测试装置不仅可以模拟变送器等测量设备，更可模拟断路器、阀、风机等执行设备，还可根据测试的需要模拟设备的各种工作状态。测试装置根据现场设备的信号特性，在测试装置的调理板上配置输入输出的相应信号类型，完全符合设备运行的真实环境，如断路器的控制信号为DC24V、状态反馈信号为触点信号，在调理板上使用跳线块接通相应的通道即可输出DC24V信号，完全符合设计图纸中现场信号的类型。本实用新型的调理板上可支持触点、DC24V、DC48V的开关量输入输出信号，如遇其他特殊开关量信号，如DC125V、AC220V，可由调理板上的中间继电器转换成触点、DC24V或DC48V信号再进行测试。调理板上开关量的输出精度可达1MHz，实现最快1微秒变位的开关量信号，完全替代现有的SOE发生器。调理板上模拟量输出信号配置为标准电压、电流信号，电流信号更可分为电流源方式(四线制)和模拟变送器方式(二线制)，精度可达16bit。调理板还可将模拟量输出信号转换为超出标准电量程信号，进行超电量程测试，以验证数字化仪控系统的超电量程识别及报警的功能。使用符合MIL-DTL-38999标准的100PIN航空电连接器连接测试装置与DCS控制柜，将航空电连接器的线路按照通道信号类型、信号数量进行划分，在更换被测对象时，仅需更换几个插头即可。相比传统的直接接线方式，航空电连  接器可以提供更方便、更可靠的信号连接。而且在测试装置上连接不同DCS控制柜的航空电连接器，可实现相邻的多个DCS控制柜的同时测试。 

本方案的测试装置实现了模拟现场设备层(LEVEL0层)环境和设备动作等功能，能够按照工况自动发送和采集大量信号、实现特定测试功能、显示和记录测试结果、提高测试效率节省人力资源等。一个通常需要2至3周甚至一个月的逻辑测试，在使用本方案测试装置的情况下1周便可完成，在时间上节约了50％至70％。 

本申请的调理板能够兼容3～5种信号，并严格控制硬件板卡尺寸大小，使测试装置在保证体积的情况下，板卡还能够将信号延时、输入输出精度控制一定范围内，且各通道间信号不相互干扰，保护了工控机的采集卡。本方案的测试装置可以由多个测试柜联结在一起，对数字化仪控系统的上万点信息同时进行测试，克服了现有技术中不能同时并行测试几个相关设备的问题，并且一次可以同时测试几个DCS控制柜，航空电连接器还简化了以往手工测试DCS控制柜IO端子的连接过程，使现场排线清楚、简洁。 

附图说明

图1本实用新型测试装置的连接结构示意图。 

图2DO分线板结构示意图。 

图3本实用新型DO调理板工作示意框图。 

图4图3所示DO调理板的单通道电路示意图。 

图5本实用新型DI调理板工作示意框图。 

图6图5所示DI调理板的单通道电路示意图。 

图7本实用新型中AO分线板与AO调理板连接示意图。 

图8本实用新型AO调理板电路工作框图。 

图9图8所示AO调理板的单通道电路示意图。 

图10本实用新型中AI分线板与AI调理板连接示意图。 

图11图10中AI调理板电路工作框图。 

图12图11中AI调理板的单通道电路示意图。 

图中1-测试装置，2-DCS控制柜，3-工控机，4-分线板，5-调理板，6-航空电连接插座板，7-航空电连接器插座，8-信号线，9、控制模块，10-航空电连接器。 

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的测试装置包括工控机3，分线板4、调理板5、航空插座板6，上述设备都安装在一个机柜内，其中工控机3上安装有12块负责接收和发送测试信号的采集卡，采集卡通过信号线8与分线板4连接，分线板4一般包括一个输入接口多个输出接口，主要用于将接入的信号分散输出，每个输出接口连接一块调理板5，相当于一个分线板按输出接口的数量控制相应的调理板。调理板包括信号输入通道和信号输出通道，每个对应的信号输入通道和信号输出通道之间有转换模块和对应的跳线块，调理板将输入输出的各种电压、电流信号调理到相应的电压、电流后输出。每个调理板利用信号线将调理后的信号以点对点的方式与航空电连接插座板6上的插针连接，利用符合MIL-DTL-38999标准的100PIN插头的航空电连接器10连接测试装置1与DCS控制柜2，航空电连接器的每根线都是一个独立信号通道，DCS控制柜里控制模块9上的每个IO端子都单接一根航空电连接线，每个DCS控制柜仅需要将航空电连接器的插头插接到测试装置的航空电连接插座板上，就使每根航空电连接线对应到一个调理板上的独立信号通道上，大大简化了检测过程和连接过程，节省了大量的人力。工控机上利用软件模拟各种现场设备的功能，包括模拟变送器、断路器、阀、风机等执行设备，还可以模拟上述设备的各种工作状态，工控机可以利用软件模拟出工艺系统控制回路，并根据需要设置工艺系统的状态、以得到测试控制的准确性和控制效果，工控机上预留有数学模型接口，为模拟更大型的工艺系统或是现场环境提供支持。本方案安装的四种调理板可以根据实际测试的需要进改变，如涉及AI测试时，可以只安装AI调理板，这样能够提高每次测试的测试数量。 

测试装置中的调理板包括四种信号的调理，即DO(开关量输出)、DI(开关量输入)、AO(模拟量输出)和AI(模拟量输入)，，针对上述四种信号，调理板也分为DO调理板、DI调理板、AO调理板和AI调理板四种结构。本方案在一个测试装置机柜内安装12块分线板，其中包括3个AO分线板含192个测试点，1个AI分线板含32个测试点，8个DI和DO分线板共768个测试点，四种调理板合计65块，1块航空电连接插座板，航空电连接插座板上安装有10个航空电连接插座7，而每个航空电连接插座为100PIN，这样本测试装置的机柜可以测试的信号点就达到1000个。工控机中安装的采集卡型号为NI6224，可提供32个AI电压信号采集通道和48个DO电压输出通道，如图2所示，采集卡上输入输出的信号由2组SCSI68接口直接与分线板连接，每个分线板设置一个输入接口和多个输出接口(输出接口的数量按DO为6个，AO为4个，AI为7个，DI为6个)，各输出接口的型号为DB37F同时按相应输出接口的数量连接相应数量的调理板。 

本方案中的每块调理板上可以兼容3～5个测试信号，可支持触点、DC24V、DC48V的开  关量输入输出信号，通过AI调理板将各种模拟量输入信号1～5V、4～20mA转换为模拟量输入模块可采集的标准电压信号-10～10V，精度可达到16bit。也可通过AO调理板将模拟量输出信号-10～10V转换为标准电压、电流信号，如0～10V、1～5V、4～20mA等，电流信号更可分为电流源方式(四线制)和模拟变送器方式(二线制)。另外通过AO调理板将模拟量输出信号转换为超出标准的电量程信号，进行超电量程测试，以验证核电站数字化仪控系统的超电量程识别及报警的功能。如标准信号为-4～20mA，超出标准电量程信号为0～24mA。 

本方案测试装置的工控机主控采用PXI8106，航空连接器座采用8DO-23F35PN，8DO-23F35PN，航空连接器头采用8D5-23F35SN，信号线采用NI线缆85095-02SH100-100-FLEX.2M，NI线缆SHC68-68-EPM和NI线缆SH68-C68-S，连接线采用DB3737mm-1m，屏蔽1米37针两端公头，数字量的分线板一个可接96个测试点，而模拟量的分线板一个可接32个测试点。 

以下以具体数据说明四种调理板和相应分线板的具体结构和工作过程。 

实施例1： 

一、DO调理板： 

如图3所示，工控机上采集卡信号输入端子排96个通道中的TTL-5V信号由SCSI-100接口引入DO分线板，在DO分线板上被分成6组，每组16个通道信号，6组通道分别连接一块DO调理板。如图2所示，DO分线板和DI分线板结构相同，主要功能是将采集卡的DO信号引入分组后输出给DO调理板，将来自DI调理板的信号汇集后输出给采集卡，图中J1为输入接口，J01～J06为输出接口，J2为24V电源接口，J3为48V电源接口，DO分线板上还设置有电源警报灯。 

如图4所示，从DO分线板输入的TTL-5V信号，在DO调理板的每个单通道信号调理电路的光耦前端输入，其电平高低变化使光耦的发光二极管导通或关断，通过感光三极管光电耦合，引起三极管的开关变化。通过光耦后端的电路使调理电路输出相应的触点、24V或48V信号，实现对信号的隔离和调理目的。调理后的信号与DCS控制柜共地。由于调理前信号为TTL-5V电平，调理后要输出DCS控制柜能接受的触点、24V或48V信号，并且通道延时时间不大于0.1ms，因此需要选择精度高的光耦元件作为信号调理的主器件，既要实现隔离输入输出通道的目的，又要承受24V、48V的查询电压及5mA查询电流。 

采集卡上5V电源的最大电流为1A，如果直接用采集卡驱动96路通道那么电流将达到96*8.5mA＝816mA再加上板卡本身的消耗250mA，采集卡的电源会超负荷，因此需要增加外接电源和三极管来增大光耦前级驱动能力，降低采集卡的IO口电流消耗。本方案的三极管选择  NPN型，需要CE节之间承受25V电压，集电极电流达到0.5A，放大倍数一般为200倍。光耦发光二极管导通时压降为1.1V左右，由于三极管的Uce导通压降很小可以忽略，这样限流电阻R2计算为(5V-1.1V)/8.5mA＝456Ω，优选430Ω；重新计算Ic为(5-1.1)V/430Ω＝9mA，此电路中三极管Ic就是发光二极管的If即9mA，那么基极电流计算为0.045mA，基极电阻R1为(5-0.7)V/0.045mA＝95.6kΩ，再考虑阻值系列和电流驱动能力等情况，选择91KΩ，这样重新估算Ib基极电流＝(5-0.7)V/91KΩ＝0.047mA，Ic＝9.4mA符合光耦前级要求。 

在对外输出24V、48V电压信号时为防止电源信号不经过光藕输出端直接流向外部接口，在电压信号的对外线路上增设一个肖特基二极管，使输入的24V、48V电压信号只能从光藕端经过，肖特基二极管可以承受90V电压，在5mA查询电流下的正向结压降为0.6以下，对整个回路影响很小可忽略不计。 

如表1所示，DO调理板的每个通道都有两组跳线，每组三个线柱，利用两个跳线块将输入的TTL5V信号，分别跳转到DC 24V、DC 48V或触点的线路上，则相应的将输入信号变化为DCS控制柜需要的24V、48V和触点输出信号。 

表1DO调理板跳线方式说明 

表中的数字1-6表示接线柱，“-”号表示跳线块连接相邻的两个接线柱。 

为提高DO调整板的承受能力，在DO调理板上设置以下过压过流保护措施： 

(1)对采集卡输出端的信号利用5伏TVS的通道保护； 

(2)调理板上的光藕输出端由于对外部提供24V或者48V电压信号，并且DCS控制柜侧需要5mA的查询电流，因此回路里面设置了50mA的自恢复保险丝，这样可以防止外部接线意外造成回路短路烧毁光藕元件； 

(3)为防止电源电压电流的意外波动烧毁元件，在DO调理板的24V、48V电源处，分别设置了TVS防护元件 。

表2DO调理板的硬件接口说明 

在电源方面，因为DO调理板为信号调理模块，需要将TTL-5V电平信号调理为触点、24V或48V信号输出，这样就需要为测试装置配备5V、24V、48V电源。根据这些要求，电源的分配方式和功耗估算如下：由于DO分线板上共有96个信号通道，在DO调理板每个通道的光藕前端电流大约9.4mA，这样96通道的电流总和大约为902.4mA，而采集卡的输出能力最大为1A并且静态时电流为250mA，因此需要选择外接电源系统，以防止电源系统对采集卡可能带来的干扰，将外接电源系统的24V电源进行隔离降压后输出5V电源，外接电源系统隔离后与采集卡系统共地，考虑5V电源的总体功耗以及冗余设计，需要选择功率在8W，最大输出电流为1500mA的隔离电源模块，这样，经过DO调理板后可以对外输出24V、48V电源信号。单个输出通道的电流能力为8mA左右，96条通道需要的电流应该在768mA以上，再加上电源的冗余使用，优选24V/50W及48V/100W以上的电源为测试装置供电。 

二、DI调理板： 

如图5所示，DI调理板主要功能为将DCS控制柜输入的触点、DC24V和DC48V信号经过光电隔离调理输出为TTL-5V信号，通过分线板传给采集卡设备，这主要为工控机检测DCS控制柜所输出的信号是否存在异常。DI分线板与DO分线板结构一致这里不再说明。DI调理板的硬件参数如表3所示： 

表3DI调理板的硬件接口说明 

DCS控制柜的输入信号通过航空电连接器输入到DI调理板，每个输入信号在DI调理板的单通道电路中光耦的前端输入，信号回路的电流通断变化使光耦发光二极管开关变化进而引起输出端光敏三极管发生通断变化，并由电路调理为TTL-5V信号变化，多路信号经过调理以后输出到DI分线板的SCSI-100-F端子的96条通道中，由工控机上的采集卡采集检测。从而达到对信号的隔离和调理功能，调理后的信号地与采集卡侧共地。 

图6为DI调理板的一个单通道调理电路示意图，由于调理前后通道信号不一致，调理后信号为TTL-5V电平，调理前为触点、24V或48V信号，而且通道延时时间不大于0.1ms，因此DI调理板的电路中需要选择合适的光耦元件作为信号调理的主器件，既要隔离输入输出通道，又要承受24V、48V的电压，以充分满足了DI调理板电路的电气性能要求。DCS控制柜侧输出触点、24V电压或48V电压3种信号，通过R1电阻的限流作用使光耦的发光管导通，触发输出端光敏三极管对地导通，这样L1将点亮提示前端动作，此时的逻辑是和前端相反的，因此用反相器使两端逻辑一致。输入端接入无极性电容CD1用于消除信号进入通道时的干扰脉冲，R1用于对24V/48V信号进行限流，使通道电流不大于10mA，F1为50mA保护能力的自恢复保险丝，防止外部误接线导致DI调理板短路及防止过压及静电损坏，T1为TVS，满足瞬间电压、电流变化的保护要求，D1为快速二极管对光耦续流放电，R97电阻既可以对光耦二极管分流保护，又可以消除输入信号开关时的冲击电流干扰，为瞬间峰值电流提供释放通道，避免光耦的误导通。在5mA电流下光耦二极管导通时的结电压大约1.1V，这样R97上的电压被限制在该值，这样其流过电流约为1.1V/1k＝1.1mA，流过R1的电流为  (48-1.1)V/4.7＝9.97mA(24V信号时，该电流为4.87mA，因此光耦二极管电流If为8.87mA(24V时为3.77mA)，光耦处于导通状态，根据光耦的CTR特性曲线此时输出端的电流能力为8mA左右(24V时为1.8mA左右)，在输出端选择高亮度LED，在1mA以上(结电压低于1.8V)即可达到亮度要求。DI调理板的过压过流保护采用如下方式： 

(1)DI调理板输入端的信号经过48V TVS的通道保护； 

(2)DCS控制柜输出触点信号时，系统的24V电源作为查询电源将流经DCS控制柜，因此回路里面设置了50mA的自恢复保险丝，防止外部接线意外造成回路短路烧毁光藕元件； 

(3)DI调理板的24V、5V电源处分别设置了TVS防护元件，以防止电源意外波动烧毁元件。 

DI调理板设计为信号调理模块，需要将24V电源隔离转化为5V电源，为采集卡侧提供TTL-5电平，并且需要输出24V作为通道的查询电源。具体电源分配方式和功耗估算如下：DI调理板的信号调理系统中共有96个信号通道，每个通道的光藕前端电流大约5mA，这样96通道的电流总和大约为480mA；同时5V电流要为LED提供电流，96通道*1mA大约为100mA，基于降额应用的原则，选择24V电源输出电流应在1A以上，5V隔离电源模块输出电流在200mA以上。 

三、AO调理板： 

AO调理板的主要功能为将采集卡输出的模拟电压信号，通过高精度运放电路以及压流转换电路的调理输出DCS控制柜能够接收的电流或电压信号，并可以实现对DCS控制柜的超量程测试。 

如图7所示，工控机的采集卡输出32通道的电压模拟信号，首先由2组SCSI-68接口进入AO分线板，AO分线板再将其分成4个信号组，每组设置8个通道信号进行输出。AO分线板采用24VDC系统电源引入，经过隔离输出±15V为调理电路提供正负电源，同时隔离后的24V为外部电路提供电源输出，AO分线板的硬件接口说明如表4所示： 

表4AO分线板的硬件接口说明 

AO分线板通过DB37/F接口将电压模拟信号引入AO调理板，如图7、8所示，每个AO调理板上设置8个信号通道，电压信号经过2组运算放大电路的增益和零点调理后可得到理想精度的电压值输出，并且该电压信号经过压流转换电路后可得到相应的电流输出。在AO调理板输出端子上通过硬线连接将调理后信号输出到DCS控制柜里。AO调理板的硬件接口参数说明如表6所示： 

表6AO调理板硬件接口说明 

AO调理板上的每个单通道电路如图9所示，当AO调理板进行电压信号调理时，U1内部含有2路运算放大器，运放A和运放B。采集卡输出的模拟电压信号经过了过压保护芯片D4后输入到运放前端，经过电阻R12和R13的1∶1分压后输入到运放A的正端(+InA)，负端(-InA)处电阻R10，RP4，R15构成了同相放大器电路运放A的增益调节电路，gain＝1+Rf/R即1+(R15+x)/(R10+Rp4-x)，x为电位器构成反馈电阻的阻值，根据电阻参数取值可得gain＝[1.83，2.2].该电路通过微调电位器RP4使gain＝2，这样被分半的电压信号经过放大2倍后输出。 

运放B及I1共同组成的电路可以实现对运放A进行调“零点”和增加偏置电压的功能，从而实现对输入信号的调理功能。I1产生100uA的恒流源，这样在R42、R43上产生6V的压差，在其中间加设0V的电势点，可以在R42和R43上产生±3V参考电压，这样调节电位器RP11就可以实现-3V～+3V范围内的电压浮动。 

由于采集卡输出的是±10V的电压，在测试中需要对DCS控制柜的信号进行-2～12V的超限测量，而采集卡本身不能输出12V电压，因此只有将该范围进行±2V偏移处理，才能得到-4V～10V范围，来满足采集卡的输出能力范围，而这个±2V的偏移量由AO调理板来完成，本方案在AO调理板上安装提供偏置电压的微调控制器，微调控制器提供的电压补偿范围为±2V，微调控制器利用电位器实现，本方案通过微调电位器Rp11使采集卡输出0V电压时，使得运放A输出VoutA＝2.000V。这样采集卡输出的-4V～10V信号与电位器提供的±2V偏置电压叠加就得到-2～12V信号，再进入运放电路前端，因此AO调理板可将采集卡输出的-4～10V电压调理为-2～12V信号输出给DCS控制柜，实现正常和超限范围的测量功能。电路中利用电位器引入±2V的电压来克服电器元件本身存在的误差，使引出的±2V电压达到要求的精度。 

AO调理板在进行电流调理时，为了输出电流信号，需要将调理后的电压信号转换为电流驱动外部电路，图9中的X1可将输入的微小电流放大100倍输出，并有偏置电路，最大值12V电压对应输出24mA电流，因此在X1前端配置电阻R58，IinMAX＝0.24mA经过放大100倍后的电流能力为24mA。Q3三极管负责引导X1全量程的输出电流，承担大部分的功率消耗，防止X1片上发热带来的误差。 

如图9所示，AO调理板在进行电压/电流调理时，需要利用AO调理板上的跳线来调整相应的输出，输出通道跳线有三个针脚，在电压输出时，将2，3脚短接，断开1脚上的电流通路，输出端子上6脚为电压信号，5脚为对应参考地信号。在电流输出时，将1，2脚短接，断开3脚上的电压通路，防止输出电流时，该引脚产生天线效应给电路带来干扰，当AO调理板向外供电时，短接J9跳线，由输出端子3，2脚引出电流信号和地线回路；当外部输入电源信号时，断开J9跳线，输出端子的1脚为信号输入端，3脚为信号输出端。 

AO调理板的精度可以达到0.1％，电路中涉及的电阻均需要达到0.05％精密电阻温度系数±10ppm/℃，使用的运算放大器电压偏差为10uV，温漂±0.1μV/℃，恒流源的100uA电流精度为±0.25％，温度系数±25ppm/℃，线路及元件带来的误差可由两个运放搭建的增益调节和偏置调节电位器消除，并达到电压测量精度。可调电位器的温度系数±100ppm/℃，压流转换器的非线性误差在0.003％，加上0.05％精度的精密电阻，是电压到电流转换过程的精度也得到保证。AO调理板采用的电源保护措施如下： 

(1)采集卡输出端的信号经过D4的通道保护，可以防止线上信号电压超限； 

(2)在24V电源的接口处设置了T3TVS防止电压过高损坏电路； 

(3)压流转换器本身含有32mA的限流保护功能，当电流超限时能够进行自我保护。 

四、AI调理板 

如图10所示，DCS控制柜侧输出的电流和电压信号通过线缆接入测试柜，在内部通过硬接线分通道引入AI调理板，再由AI调理板将调理后的电压信号汇集到AI分线板，每块AI分线板将板上的四个通道信号通过2组SCSI接口输出给工控机的采集卡。如图11所示，DCS控制柜输出的0～10V模拟电压、0～20mA电流信号由输入端子进入AI调理板，经过通道过压保护以后，进入由高精度电阻和高精度仪表放大器构成的采样电路，仪放芯片具有极高的共模抑制比，能有效的抑制共模信号对测量电路带来的干扰，这样电流电压信号经过仪放可以被真实的还原输出，在经过后续运放电路和调偏电路的补偿修正，信号转换精度得以保证，将调理后的电压信号输出给采集卡采集检测。AI分线板硬件接口说明表8所示： 

表7AI分线板硬件接口参数标准 

其中AI调理板每个通道的电路结构如图12所示，DCS控制柜输出的模拟电压或电流信号经过了过压保护芯片D1以后进入采样电路，信号经过电阻R9、R10限流后进入RF滤波电路(C1，C2，C17，R25，R26)消除辐射信号的干扰可提高采集精度，高精度仪表放大器U1再将输入信号采集后转换为干净的电压信号后输出，由于元件本身及电路上带来的误差，需要对输出电压进行补偿和修正。AI调理板的硬件参数标准如表9所示： 

表9AI调理板的硬件接口说明 

仪表放大器U1输出的电压信号经过电阻R50和R51的1∶1分压后输入到运放A的正端(+InA)，负端(-InA)处电阻R49，RP1，R52构成了同相放大器电路运放A的增益调节电路，gain＝1+Rf/R即1+(R52+x)/(R49+Rp1-x)，x为电位器构成反馈电阻的阻值，根据电阻参数取值可得gain＝[1.83，2.2].该电路通过微调电位器RP1使gain＝2，这样被分半的电压信号经过放大2倍后输出。运放B及X1共同组成的电路可以实现对运放A进行调“零点”和增加偏置电压的功能，从而实现对输入信号的调理功能。此电路I1产生100uA的恒流源，这样在R81、R82上产生±1V参考电压，这样调节电位器RP1就可以实现-1V～+1V范围内的电压浮动，对输入信号进行有效的补偿。 

采样电阻R1用于实现电流电压输入信号转换，仪表放大器U1只能对电压信号的进行采集放大，所以当外部输入为电流信号时需要通过高精度电阻将电流信号转化为可测的电压信号，然后输入给仪表放大器U1。 

AI调理板的精度可以达到0.1％，电路中涉及的电阻均使用0.05％精密电阻，仪表放大器U1的最大输入偏差25uV，最大温漂0.3uV/℃，具有极低的噪声，运算放大器U0的电压偏差为10uV，温漂±0.1μV/℃，恒流源的100uA电流精度为±0.25％，温度系数±25ppm/℃，线路及元件带来的误差可由两个运放搭建的增益调节和偏置调节电位器消除，可调电位器的温度系数±100ppm/℃，可达到电压测量精度。如图12所示，在AI调理板上设置了相应的电路保护： 

(1)输入信号经过D1由二极管组成的通道保护电路，用于防止线上信号电压超限； 

(2)系统里面在24V电源的接口处设置了TVS防止电压过高损坏电路； 

(3)输出信号端设置TVS防止电压高于10V对采集卡造成损坏。 

Claims (10)

1. 一种核电站数字化仪控系统测试装置，包括控制装置和信号处理装置，其特征在于，所述控制装置包括工控机(3)、安装在工控机内部的采集卡，所述信号处理装置包括分线板(4)和调理板(5)，分线板的两端通过信号线分别与采集卡和调理板连接，调理板的另一端通过信号线与被测的DCS控制柜(2)连接。

2.如权利要求1所述的一种核电站数字化仪控系统测试装置，其特征在于，所述分线板(4)上包括一个输入插座和多个输出插座，每个输出插座通过信号线连接一块调理板(5)，所述调理板与控制柜之间安装有航空插座(6)，调理板的信号线通过插在航空插座上的航空电连接器(10)与DCS控制柜(2)连接。

3.如权利要求2所述的一种核电站数字化仪控系统测试装置，其特征在于，所述航空电连接器(10)为100PIN插头且符合MIL-DTL-38999标准。

4.如权利要求3所述的一种核电站数字化仪控系统测试装置，其特征在于，所述调理板包括DO调理板、DI调理板、AO调理板和AI调理板，所述分线板与各调理板对应的分为DO分线板、DI分线板、AO分线板和AI分线板。

5.如权利要求4所述的一种核电站数字化仪控系统测试装置，其特征在于，所述AO调理板将采集卡输出的±10V电压调理成DCS控制柜需要的0～20mA电流、0～10V电压信号输出；

所述AI调理板将DCS控制柜输出的0～10V电压信号或0～20mA电流信号调理成0～10V的信号输出至工控机；

所述DO调理板将工控机输出的TTL-5V信号调理成DCS控制柜能够接受的触点、DC24V或DC48V信号输出；

所述DI调理板将DCS控制柜输出的0～10V电压信号或0～20mA电流信号调理成0～10V的电压信号输出至工控机。

6.如权利要求5所述的一种核电站数字化仪控系统测试装置，其特征在于，所述AO调理板上安装有微调控制器，微调控制器为AO调理板上电器元件提供电压补偿，电压补偿范围为±2V，使AO调理板能够输出0～24mA或-2～12V的偏移电流、电压信号，所述微调控制器为电位器。

7.如权利要求6所述的一种核电站数字化仪控系统测试装置，其特征在于，所述DO分线板和DI分线板的输入插座包含96个数据通道，输出插座为6个，每个输出插座包含16个数据通道；所述AO分线板和AI分线板的输入插座包含32个数据通道，输出插座为4个，每个输出插座包含8个数据通道。

8.如权利要求7所述的一种核电站数字化仪控系统测试装置，其特征在于，所述AO调理  板和DO调整板上设置有用于通道保护的元件，包括设置在AO调理板、DO调理板输入端和外接电源处的TVS，以及光藕回路中设置的自恢复保险丝。

9.如权利要求8所述的一种核电站数字化仪控系统测试装置，其特征在于，所述DO调理板连接有外接电源，所述外接电源功率大于等于24V/50W或大于等于48V/100W。

10.如权利要求9所述的一种核电站数字化仪控系统测试装置，其特征在于，所述AI调理板和DI调理板在外接电源输入端和信号输出端设置有TVS，在信号输入端设置有二极管组成的通道保护电路。 

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