核电数字化仪控系统机械开关触点抖动优化方案

核电数字化仪控系统机械开关触点抖动优化方案

齐涛亮,喻科

海南核电有限公司 海南 昌江 572733

摘要：某核电项目数字化仪控系统中的机械开关由于使用时间较长，存在触点抖动的问题。本文针对此问题，分析了产生抖动的原因，并提出了优化方案，该方案已应用到多台数字化仪控系统中，取得了良好效果。

关键词：核电；数字化仪控系统；机械开关；触点抖动；优化方案

引言

在核电站数字化仪控系统中，一般采用的是继电器控制，继电器有机械开关和电子开关两种，在核电厂中使用较多的是电子开关，控制速度快、可靠性高，但由于其输出触点抖动的问题，对整个系统的正常工作造成了较大影响。由于机械开关输出触点存在抖动，在控制逻辑的作用下，当输入信号变化时，输出触点也会产生抖动，通过现场的设备可以检测到，并进行分析，如果机械开关输出触点抖动程度较大时，会对控制逻辑造成干扰。由此，本文将对核电数字化仪控系统机械开关触点抖动优化方案进行探究。

1开关抖动成因分析及后果影响

造成开关抖动原因有很多，如使用环境，材料，工艺等。为了提高开关的使用寿命，需要从开关的品质和使用环境两方面加以改善。比如要改善开关的制作工艺和材质，要在使用的时候要对其进行湿度和温度的控制。在DCS中，由于使用场合的不同，所选择的开关类型也不尽相同，这就造成了开关的抖动幅度差别很大。对于各种类型的切换，其去抖动机制也各不相同。从现在的情况来看，在使用了一定的时间以后，因为机械接触的氧化、腐蚀和磨损，都会出现抖动。解决这一问题的方案主要有以下三种：硬件电路中增加去抖电路。软件中增加去抖算法。运用高质量的开关等。

2开关抖动测试及分析

在没有经过去抖动优化的情况下，对板卡进行了测试和分析。如图1所示，采用4路示波器，对4个测点进行测量，并通过示波器的触发函数来捕捉测点的波形。请注意，保护装置的输出为干触点信号，必须有外部的电压电源来采集波形。

图1 测试示意图

测试过程出现了如下情形：

在情况一中，在开关断开的一瞬间出现了触头接触不良的情况，其持续时间大约在8毫秒。相对于普通的抖动波形，其触头接触差的波具有更小的频率。光耦对这种信号有正反应，使信号在3毫秒内发生错误。

在第二种情况下，在开关断开的那一刹那，会出现大约2毫秒的震动，随后进入高水平，此时是通常开关断开时的状态。在大约52毫秒的高电平后，切换在大约8毫秒的时间内跳跃到一个低电平，再跳跃回到通常的高电平。光耦对此波有正反应，造成约8毫秒的失真。

在情况三中，在开关打开的瞬间，示波器没有捕获到抖动（因为样本周期是20 ms)，而真实抖动很可能比1 ms更小，因此没有在示波器图表上出现。接着是一个通常关闭的高电平，并且在20毫秒以后，该切换在大约42毫秒的时间内跳跃到一个低电平，再跳跃回到通常的高电平。光耦对此波有正反应，造成约42毫秒的失真。

第四种情况是，在该开关被吸合的一刹那，该电平会跳跃到所需的低值，该低值会维持大约3毫秒。随后，波形发生了一次不寻常的跳变，这种跳变大约在2秒钟之内，然后又回到了原来的低电平。光耦对此波有正反应，使其输出有大约2 ms的关断，此关断被认为是失灵。在进行去抖优化设计之前，通过对未经去抖优化的机械式按键开关进行去抖优化试验，得出了10%左右的非正常吸合几率。（测试的样品：3个三挡位的钥匙开关，两个四挡位的钥匙开关，测试次数合计为1000次）。

3去抖优化方案

现有的去抖技术主要分为硬件去抖和软件去抖。硬件去抖将使电路元件增多，从而使主板的价格和尺寸增大。但随着电子元件数量的增多，控制板的失效几率也随之增大，从而影响到DCS系统的可靠性。二是在DCS中，当切换量很大时，由于软件的抖动需要很长的处理时间，对DCS的反应速度及监测数据的实时性有很大的影响。目前的DCS在快速监测方面存在着很大的缺陷，因此在实际应用中往往没有使用软件来消除抖动。本文重点介绍了DCS中常见的关键开关，并对其进行了硬件的防抖电路的选取与校核。在此基础上，提出了一种基于数字信号处理的数字信号处理方法。因为是人工操纵，因此它的选取时间最少也要超过100毫秒。关键开关的响应时间是指在关键开关旋转结束后，进入一个确定态并在该确定态持续一段时间（ms级）之后，系统对此持续一段时间之后的确定态作出的响应。从这个反应时间的界定和上面对键控信号的颤抖试验来看，我们可以得出键控信号的去抖电路在键控信号中的延迟大约60毫秒。常见的去抖动方法包括：RS锁去抖动，RC积分去抖动，翻转试去抖动等。

3.1 RS锁存器去抖

在图2中所显示的电路是利用RS锁来构造的一个去抖电路，通过利用RS锁的一个状态维持功能来完成切换去抖的工作。RS锁存消振电路是针对单刀双投式开关进行消振的一种方法。在两种情况下，单刀双掷开关都会发生抖动，其去抖分析结果是：

图2 RS锁存器防抖电路

（1）在将开关从A接触端抽出时出现的抖动，如在图2中所见。如果所发生的弹性振动没有达到B接触，那么R·，S·将在1,1和0,1的状态之间转换。根据RS锁存函数表格中可知，当切换触头与B触头相接触时，在R·=1和S·=1的情况下，输出维持先前的状态，直至该切换触头与该B触头相接触时，该输出状态发生变化。

（2）在切换触头与B触头相接触时出现的波动，如在图2中所示：该波动低于RS锁定装置的传递延迟，那么该波动保持前一状态（从已有的R$锁定装置的参数可知，传递延迟比切换的传递延迟要小很多），而高于RS锁定装置的传递延迟，那么该波动就改变了。在输出状态变化后，如果抖动没有停止，只要抖动没有使开关触点回到A触点，则R·、S·会在1、0和1、1状态之间切换。如从RS锁存函数显示输出状态没有变化。

通过以上分析可以看出，当单刀双掷开关出现抖动时，RS锁可以很好地消除抖动，但是当单刀双掷开关出现抖动时，RS锁不能用作去抖电路。

3.2 RC积分去抖

RC积分去抖电路主要是通过对电容器的存储特性来实现对电容器两端电压的抑制。只有在电容被释放或者被充入到施密特触发器的临界电压后，电流的输出才发生变化。利用RC集成电路中的电阻器和电容量，对其进行了抗抖性分析和抗抖性分析。在开路时，将使得该电容按照抖动的频率，在充、放之间不断地转换，直至抖动消失后，该电容的电压被充至施密特触发器的门限，该电容的输出状况不会改变。该电路在关闭时，将按照抖动频率，使得电容在放电与充电之间不断地转换，直至抖动频率达到施密特触发器的门限，而不改变电容器的输出状况。总而言之，RC集成除抖电路之去除抖动延迟时间，可由施密特触发器之电容值、电阻值与宽值电压值决定。当切换器无抖动时，延迟的时间为一固定的数值；在切换过程中，由于切换的延迟，其持续的时间将会被拉长。此防抖电路能适应多种类型的切换。

3.3 翻转式去抖

与积分去抖相似，翻转式去抖也是通过电容的充电和放电来实现。与积分去抖电路相比，翻转式电路需要更多的元件，这将增大主板出现错误的几率，进而影响主板的可靠度。

4结束语

本文介绍了电气盘二次插头故障事件的案例，并对其产生的原因进行了剖析，并给出了两种改进和改进的方法。第一种方法可以有效地解决接线柱的弯曲和串联问题，但是需要大量的资金投入，第二种方法可以有效地解决串联问题，但是需要大量的工作人员。所以，在实际的电厂中，必须针对不同的条件，选择相应的解决方案。现采用两种方法相结合的方法，使电厂二次电源失效现象大为减少，为电厂安全稳定生产提供了有力保障。

参考文献

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