CN204731633U - 一种dcs系统物理量变化率测试的信号模拟发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种DCS系统物理量变化率测试的信号模拟发生装置，包括自动测试模块，函数发生器(1)和模拟量调理板卡(2)，其中，所述自动测试模块包括控制机箱和若干数据采集板卡；所述模拟量调理板卡(2)包括模拟量采集端口和数字量采集端口，模拟量采集端口采集函数发生器输出的模拟量波形电压信号，数字量采集端口采集数据采集板卡发出的控制信号；所述数字量输入/输出板卡连接数字量调理电路；自动测试模块与函数发生器和模拟量调理板卡电连接。本实用新型不仅可以在自动测试程序中实现信号同步还可以实现不同信号源的无缝切换；由于采用商业化且高精度的函数发生器，可以完全仿真现场的真实信号，也保证了测试的精度及溯源性。

Description

一种DCS系统物理量变化率测试的信号模拟发生装置

技术领域

本实用新型涉及核电领域，更具体地说是一种用于核电厂DCS系统测试中物理量变化率测试的信号模拟发生装置。

背景技术

在核电站DCS系统测试中，需要测试装置模拟某些物理变量的“变化率”。通过模拟这些信号，用来验证被测系统在该变化率下，是否产生正确的逻辑动作。比如：当DCS系统测试到某反应堆型中的“核中子通量”正或负变化率达到某一数值时，会触发反应堆执行相应的保护动作。

目前通用的测试方法是通过数据采集板卡以一定的时间间隔输出某种预先编制好的阶梯波，用这种阶梯波来模拟多种现场变化信号。

由于数据采集板卡的输出速率及控制软件编程效率的影响会带来如下问题：

1)输出波形的平滑度受采集板卡输出建立时间指标的影响。

根据采样定理，“在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息”，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。通用的数据采集板卡，模拟量输出的刷新速率都在ms级范围内，如果需要更快的刷新速率则无法实现；

2)输出波形的复杂程度受测试软件的影响，如果在通用测试软件中插入复杂的波形生成算法，将使程序变得异常复杂，并可能对测试带来不稳定性；

这就要求测试装置在每个时间周期都进行运算并输出。不仅增加测试装置中的CPU负荷，也增加了对数据采集板卡输出速率和精度的要求。

3)受测试策略的影响，如系统测试的单步通常是以秒为单位，在每一步各个通道输出一个固定值，这样就无法实现相对快速的变化。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种用于核电厂DCS系统物理量变化率测试的信号模拟发生装置，

一种DCS系统物理量变化率测试的信号模拟发生装置，包括自动测试模块，包括函数发生器和模拟量调理板卡，其中，

所述自动测试模块包括控制机箱和若干数据采集板卡；

所述数据采集板卡除了完成常规的自动测试功能外，还用于触发函数发生器进行波形同步输出，并控制模拟量调理板卡被测通道的切换；

所述函数发生器，用于按照事先编辑好的参数，输出物理变化率波形信号；

所述模拟量调理板卡包括模拟量采集端口和数字量采集端口，模拟量采集端口采集函数发生器输出的模拟量波形电压信号，数字量采集端口采集数据采集板卡发出的控制信号；

所述数字量输入/输出板卡连接数字量调理电路，所述数字量调理电路用于控制函数发生器的同步及模拟量调理板卡中的通道的切换；

自动测试模块与函数发生器和模拟量调理板卡电连接，所述数据采集板卡向函数发生器触发同步信号，函数发生器读取该信号后输出电压型模拟量信号，模拟量调理板卡与函数发生器匹配，模拟量调理板卡将函数发生器发出的电压型模拟量信号转换为与被测系统匹配的模拟量信号。

进一步，所述数据采集板卡为多通道数字量输入/输出板卡，控制函数发生器的信号同步及模拟量调理板卡中的通道的切换。

进一步，所述自动测试模块包括通讯模块，所述通讯模块与函数发生器进行通讯，用于控制函数发生器波形输出。

进一步，所述控制机箱包括NI控制单元。

进一步，所述数字量输入/输出板卡包括若干通道，其中一个通道向函数发生器端口发出信号，控制函数发生器输出波形。

进一步，所述模拟量调理板卡采用μs级信号芯片。

进一步，所述模拟量调理板卡包括采集模块电路，所述集模块电路采用仪表型运算放大器采集0-5V差分电压信号，采用缓冲运放为低电压偏置高精度运放电路。

进一步，所述采集模块电路包括四个输出通道，所述输出通道采用四个隔离运算放大器，同时采用四个隔离DC//DC电源模块分别对所述模拟量调理板卡四个输出通道供电。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型实现了核电厂DCS及其它系统DCS测试中，与“变化率”相关功能的全自动测试并保证了较高的测试精度。

本实用新型不仅可以在自动测试程序中实现信号同步；还可以实现不同信号源的无缝切换；更为重要的是，由于采用商业化且高精度的函数发生器，即可以完全仿真现场的真实信号，也保证了测试的精度及溯源性。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的模拟量调理板卡切换机制示意图；

图3为本实用新型的调理电路原理图；

图4为本实用新型的模拟量调理板卡输出通道每路电源原理图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，一种DCS系统物理量变化率测试的信号模拟发生装置，包括自动测试模块、函数发生器1、模拟量调理板卡2。

自动测试模块包括控制机箱及四块数据采集板卡，数据采集板卡均采用与NI(美国国家仪器公司)兼容的通用数据采集板卡。除了完成函数发生器控制及波形输出，以及测试过程中的通道切换外，还用来进行常规测试。数据采集板卡其中包括的一块数字量输入/输出板卡，它控制函数发生器的同步及模拟量调理板卡中的通道的切换。

所述函数发生器1，用于按照事先编辑好的参数，在量程和频域两个维度上，精确地输出指定的物理变化率波形；

本实用新型的信号模拟发生装置是嵌入在一个自动测试系统中的，除数字输入/输出板卡外的其他数据采集板卡的作用是实现这个系统的常规测试功能。

自动测试模块中的控制机箱采用NI PXI-1045，控制核心是NI控制单元(NIPXI-8108)，机箱中还包含3个数据采集板卡，和一个数字量输入/输出板卡(NIPXI-6509)。数字量输入/输出板卡(NI PXI-6509)的若干通道可实现对函数发生器和调理板卡的控制。自动测试模块运行于Windows XP操作系统，并运行基于NI-Lab view平台开发的自动测试程序。该程序采用分布运行的策略，即在某一时间段同时对某些通道发出信号，采集被测系统反馈来的响应，并对该步的测试结果进行自动判断和存储。

在运行过程中，当需要函数发生器发出预先编辑好的波形时，通过数字量输入/输出板卡NI PXI-6509的一个通道向函数发生器的“Trigger”端口发出0-5VDC的方波信号。函数发生器读取该信号的上升沿后，按照事先编辑好的波形进行连续输出。测试结束后，NI PXI-6509的该通道发出下降沿，函数发生器接到该下降沿，波形输出结束。这样可实现测试信号的同步性。还可通过自动测试模块的通讯模块(即以太网口)，实现对函数发生器输出波形的控制。

模拟量调理板卡的作用是将函数发生器输出的0-5V信号变为与被测系统相匹配的模拟量信号。模拟量调理板卡有四个输出端口，分别把该模拟量信号变为：0-20mA有源电流信号，即S_AO；0-20mA无源电流信号，即T_AO；热电偶信号，mV_AO电压信号；以及-10～10V的电压信号V_AO.。模拟量调理板卡有一个模拟量采集端口，采集函数发生器输出的0-5V电压信号，分四路同时输出满足以上四种模拟量信号的同种波形。

采用图1所示的嵌入式结构及连接方式，可实现在自动测试程序中对函数发生器的同步控制。

某些需要进行变化率测试的通道还需要接收来自自动测试模块的常规测试信号，这些常规信号往往由控制机箱的数据采集板卡发出，通过自动测试模块在某一测试步骤输出一个固定的数值。因此，模拟量调理板卡上还有四个数字量采集端口，该数字量采集端口用来采集来自数字输入/输出板卡(PXI-6509)的控制信号。如图2所示，当某一通道开始变化率测试时，相应的DI通道收到来自控制机箱的“True”信号，模拟量调理板卡中对应的继电器切换到常开触点，函数发生器的“变化率”信号传输到被测装置的某一通道上；当测试结束后，对应的DI通道接收到“False”信号，继电器恢复到常闭触点。自动测试模块中数据采集板卡的信号进入到被测通道，以便于其它测试的正常进行。这样实现了测试的无缝切换，提高了测试的自动化程度。

采用图2所示的切换电路，可实现函数发生器与数据采集板卡在测试过程中的无缝切换，大大提高测试的自动化，减少测试过程中的人力投入。

模拟量调理板卡所采用的信号相关芯片都是μs级的芯片，与函数发生器匹配，可以保证信号转换的高速进行。无需考虑这部分电路造成的延迟。

如图3所示，模拟量调理板卡的采集模块电路采用仪表型运算放大器：INA128，该芯片采集0-5V差分电压信号，减小输入端共模干扰。INA128将采集到的信号传输到下一级运放，该缓冲运放采用OPA2277，该运放为低电压偏置高精度运放电路，该芯片偏置电压只有10mV，温飘小于±0.1mV/℃。

模拟量调理板卡的四个输出通道采用四个隔离运算放大器ISO124进行隔离，同时采用四个隔离DC//DC电源模块RP15_2412对这四路分别供电，这样使每一路输出通道间以及输入和输出通道间都完全隔离。以满足某些严酷环境或严格要求的测试。每一路电源的原理如图4所示。

电路中仍采用OPA2277作为缓冲调整运放。

对于四路转换电路分别按照以下形式实现：

1)采用V/I芯片XTR116实现电压到有源电流的转换，通过25K采样电阻，将0～10V的电压信号变为0～20mA电流信号，本地电路提供信号驱动电源；

2)采用V/I芯片XTR116实现电压到无源电流的转换，通过25K采样电阻，将0～10V的电压信号变为0～20mA电流信号，信号驱动电源为被测装置通道提供；

3)采用OPA2277和高精度电阻实现-10～10V电压信号变为-100～100mV电压信号。高精度电阻分别采用100KΩ和1KΩ，精度为0.01％的1/4W插装电阻。

4)采用OPA2277的射随形式将-10～10V的电压信号实现输出。

通过模拟量调理板卡将一路函数发生器信号变为四路，分别进行调理并转换为不同类型的信号。这样，可扩大本实用新型装置的应用领域，降低投入成本。

模拟量调理板卡输出的各信号间实现路路隔离，这样可用于各种严酷或要求严格的测试场合，在增加测试装置可靠性的同时，也增加了应用范围。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种DCS系统物理量变化率测试的信号模拟发生装置，包括自动测试模块，其特征在于，还包括函数发生器(1)和模拟量调理板卡(2)，其中，

所述自动测试模块包括控制机箱和若干数据采集板卡；

所述数据采集板卡除了完成常规的自动测试功能外，还用于触发函数发生器进行波形同步输出，并控制模拟量调理板卡(2)被测通道的切换；

所述函数发生器，用于按照事先编辑好的参数，输出物理变化率波形信号；

所述模拟量调理板卡(2)包括模拟量采集端口和数字量采集端口，模拟量采集端口采集函数发生器输出的模拟量波形电压信号，数字量采集端口采集数据采集板卡发出的控制信号；

数字量输入/输出板卡连接数字量调理电路，所述数字量调理电路用于控制函数发生器的同步及模拟量调理板卡中的通道的切换；

自动测试模块与函数发生器和模拟量调理板卡电连接，所述数据采集板卡向函数发生器(1)触发同步信号，函数发生器(1)读取该信号后输出电压型模拟量信号，模拟量调理板卡(2)与函数发生器(1)匹配，模拟量调理板卡(2)将函数发生器(1)发出的电压型模拟量信号转换为与被测系统匹配的模拟量信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集板卡为多通道数字量输入/输出板卡，控制函数发生器(1)的信号同步及模拟量调理板卡(2)中的通道的切换。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自动测试模块包括通讯模块，所述通讯模块与函数发生器(1)进行通讯，用于控制函数发生器波形输出。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制机箱包括NI控制单元。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字量输入/输出板卡包括若干通道，其中一个通道向函数发生器端口发出信号，控制函数发生器输出波形。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模拟量调理板卡采用μs级信号芯片。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模拟量调理板卡包括采集模块电路，所述集模块电路采用仪表型运算放大器采集0-5V差分电压信号，采用缓冲运放为低电压偏置高精度运放电路。

8.根据权利要求1或7所述的装置，其特征在于，所述采集模块电路包括四个输出通道，所述输出通道采用四个隔离运算放大器，同时采用四个隔离DC//DC电源模块分别对所述模拟量调理板卡四个输出通道供电。