国产化安全级DCS系统CIM板卡采集通道电压偏低故障可靠性提升研究

摘要：本文针对某核电厂国产化安全级DCS系统CIM板卡采集通道电压偏低故障，大修期间对CIM板卡采集通道电源模块进行测量，发现多块CIM板卡采集通道电源模块供电电压低于标准值（28.5-31.5VDC），在前期机组商运/大修期间，曾发生多起CIM板卡采集通道查询电压偏低导致产生仪控报警问题，通过排查分析，最终定位为CIM卡RECOM电源模块批次问题发生故障。目前已制定CIM卡更换方案，提升国产化设备可靠性。

关键字：CIM板卡；设备接口板卡；SABG01A；RECOM；1344批次

1. 背景概述

2022年3月31日，某核电站开始执行大修工作，根据CIM板卡故障的经验反馈，对CIM板卡各项性能进行检测，其中包括CIM板卡采集通道供电电压测试，标准范围：28.5-31.5VDC，截止目前，已发生多块CIM板卡供电电压低于标准范围的故障。

某核电站在前期商运/大修期间曾发生四起CIM板卡采集通道电压偏低导致报警的故障（详见表1）。

表1 某号机组商运期间CIM板卡采集通道故障记录

本文详细介绍CIM卡故障的主要原因，并针对故障原因提出切实可行的优化改进方案，经过多方验证并在现场实施。

2. 原理介绍

2.1 CIM板卡功能介绍

CIM板卡全称为设备接口板卡，板卡标识码为SABG01A，通过内部CPLD逻辑实现指令优先级管理、设备状态反馈、定期试验等功能。CIM板卡与设备接口转接板配合使用，CIM板卡与CIM转接板卡通过机笼内背板对插连接，CIM转接板卡主要功能是配合CIM板卡使用，为其提供信号输入输出接口，图一为CIM板卡与CIM转接板卡连接结构示意图：

图一 CIM板卡与转接板卡连接示意图

图二为设备与CIM板卡连接简图，就地SM3/SM5触点反馈信号经过普通线缆、端子排、半预制电缆、CIM转接板卡及机笼背板将反馈信号送入CIM板卡。

图二 就地设备与CIM板卡连接简图

2.2 CIM板卡采集功能介绍

板卡采集通道设计原理如下图所示，采集通道为设计双路光耦采集一路触点，其中DI1_A作为开关触点信号的采集结果，并送往逻辑组态中进行运算，DI1_B辅助判断DI1_A采集的信号是否有效。

图三 采集通道原理图

信号采集的逻辑如下：

1.触点断开信号采集：光耦1关断，光耦2导通，光耦输出端DI1_A为1，DI1_B为0；

图四 就地触点断开采集逻辑

2.触点闭合信号采集：光耦1导通，光耦2关断，光耦输出端DI1_A为0，DI1_B为1；

图五 就地触点断开采集逻辑

3.当触点抖动或光耦故障：光耦输出端DI1_A、DI1_B为1、1或0、0，质量位为Bad。

图六 采集故障判断逻辑

2.3 CIM板卡采集通道供电结构

通道电源设计原理如下图，根据板卡对外端口24V查询电源及隔离的应用需求，同时结合板卡通道功能最低电源要求（26.5V），板卡输入通道部分选用30VDC供电，电源模块U72（即V2）选用RECOM公司的RP12-2415隔离DC/DC模块，该模块标称输出值及精度为1.2%。

图七 采集通道供电设计

图三中的光耦1/2的单通道查询电流为10Ma，理论计算光耦1的导通电压为5.21V，光耦2的导通电压为27.8V。因此根据V2电压的不同，光耦1/2采集功能分析如下：

1.V2的电压在27.8V以上，光耦1/2的采集功能不受影响，板卡采集功能正常；

2.V2电压小于27.8V时，光耦1功能正常，送往组态内采集的就地反馈信号值正常，由于光耦2无法正常导通，因此存在DI1_A和DI1_B同时为“0”的情况，最终导致产生质量位报警，板卡点亮ERR灯，KIC上产生KCS报警（V1.5.4以上的版本），但是不影响CIM板卡采集功能；

3.V2电压小于5.21V时，光耦1/2均无法导通，CIM板卡信号采集功能失效。

3. 事件概述

（1）2020年12月12日以来，发生了四起CIM板卡采集通道电压偏低故障，测量查询通道电源模块供电电压（V2）发现明显低于正常板卡的电压，将4块故障板卡进行检查，最终确认为RP12-2415电源模块内部元器件发生故障。

图八 测量采集通道电压

（2）将二块CIM卡送至电源模块原厂及赛宝进行检测，得出分析结论如下：

① 原厂分析第一块故障原因为内部U4元器件的阳极焊点因长时间的温度应力或机械应力作用下疲劳开裂；

② 原厂分析第二块故障原因为R21元器件一侧的焊点因长时间的温度应力或机械应力作用下疲劳开裂。

③ 赛宝分析U1电子元器件的Pin1和Pin2之间的你内部电路元器件存在故障。

（3）经核实，截止目前CIM卡输出电压偏低的RECOM电源模块的批次号均为1344，本批此电源模块仅在Y5号机机组中的CIM卡和DI卡中使用，Y6号机组未使用过本批次电源模块。

表4 1344批次RECOM电源使用情况

（4）为排查板卡电压异常的原因，对板卡实际电压阈值进行测试，相关结果如下：

① 通道在闭合状态下，质量位报警时的查询电压阈值范围为2.739v~3.796v，且质量位报警与通道故障同时产生，板卡“ERR”灯点亮。

② 通道在断开状态下，质量位报警时的查询电压阈值范围为24.95v~26.738v，且质量位报警，板卡“ERR”灯点亮。

因此板卡实际的电压阈值与理论计算阈值存在一定的偏差。

4. 根本原因分析

针对CIM卡故障，根据产品设计，元器件设计及应用，对电源输出电压异常问题进行梳理，为全面分析该问题，参照IEC-61025 故障树分析标准，采用故障树分析方法对该问题进行分析，本次分析主要从产品设计、物料问题、生产过程、工厂测试、现场使用五个方面进行分析，详见下图：

经过对产品设计、物料问题、生产过程、工厂测试和现场使用进行了全面排查，使用故障树分析方法对13 个底事件进行了分析，排除了产品设计、生产过程、工厂测试和现场使用问题。最终结果如下：

1) 分析结论

（1） 此次CIM 板卡故障原因是RECOM 电源物料问题，非板卡设计问题。

（2） 通过原厂和第三方赛宝实验室的失效分析，RECOM 电源失效的原因是因为反馈回路异常导致，未发现物料存在设计缺陷，定位为1344批次RECOM 电源物料问题。

2) 现场处理建议

由于大修发现31 块故障板卡上的RECOM 电源模块都是1344 批次的物料，同时考虑到单CIM 故障不会造成安全功能丧失和造成系统误动，因此给出现场处理建议：大修或日常期间对所有设备的CIM 板卡进行检查，对于1344 批次所涉及的板卡（CIM&DI）建议全部更换。

5. 改进方案及验证

根据上述CIM卡故障根本原因定位分析，确认故障根本原因为CIM卡所使用RECOM 电源模块1344批次产品缺陷，因此对CIM卡执行如下2种改进措施：

措施1：制定CIM卡故障处理预案及标准流，大修或日常期间对CIM卡进行检查，对1344批次进行更换。

措施2：反馈上游产品厂家，加强对产品品控措施，避免卡件零部件出现故障批次产品。

6. 结论

通过对安全级DCS CIM卡故障根本原因定位分析，确认故障根本原因为CIM卡所使用RECOM电源模块1344批次产品缺陷，针对该产品缺陷，制定CIM卡故障处理预案及标准流，大修或日常期间对CIM卡进行检查，对1344批次进行更换。并且反馈上游产品厂家，加强对产品品控措施，避免卡件零部件出现故障批次产品。

参考文献

[1]蒋达进，阳江核电站（5/6号机组）技术不同点手册，阳江核电有限公司，2016.12