林超 蔣天植 黃有駿 單偉 陳冠宇

摘 要

數(shù)字化核儀表系統(tǒng)有信號調(diào)理和信號處理兩個主要環(huán)節(jié)，其通道配置方式可考慮兩種結(jié)構(gòu)，一種是通道獨(dú)立式，即同一機(jī)柜中源量程、中間量程、功率量程彼此獨(dú)立;另一種為處理集中式，源量程、中間量程、功率量程的信號調(diào)理部分各自獨(dú)立，而之后的信號處理部分共用。需要從系統(tǒng)設(shè)計的角度評估兩種不同結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)可靠性帶來的影響，本文通過可靠性框圖進(jìn)行可靠性對比分析研究。

關(guān)鍵詞

核儀表系統(tǒng);通道配置方式;可靠性框圖

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.037

Abstract

The digital nuclear instrument system has two main parts：signal conditioning and signal processing.Two structures can be considered for its channel configuration.One is channel independent，that is，the source range， intermediate range and power range in the same cabinet are independent of each other;the other is processing centralized，and the signal conditioning parts of the source range，intermediate range and power range are independent of each other，while the subsequent signal processing sharing. It is necessary to evaluate the impact of two different structures on system reliability from the perspective of system design.In this paper，reliability comparative analysis is conducted through reliability block diagram.

Key Words

Nuclear instrument system;Channel configuration;Reliability block diagram

數(shù)字化核儀表系統(tǒng)有信號調(diào)理和信號處理兩個主要環(huán)節(jié)。信號調(diào)理部分主要是向探測器提供高壓，脈沖放大、濾波、整形;信號處理部分主要是計算計數(shù)率、功率、倍增時間等，以及閾值比較產(chǎn)生相應(yīng)保護(hù)和控制信號。

在核儀表系統(tǒng)通道配置方式中可考慮兩種結(jié)構(gòu)，一種是典型通道獨(dú)立式，即同一機(jī)柜中源量程、中間量程、功率量程彼此獨(dú)立;另一種為處理集中式，源量程、中間量程、功率量程的信號調(diào)理部分各自獨(dú)立，而之后的信號處理部分共用。

兩種結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

通道獨(dú)立式結(jié)構(gòu)方便檢修，處理集中式結(jié)構(gòu)可簡化設(shè)備。需從系統(tǒng)設(shè)計的角度評估兩種不同結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)可靠性帶來的影響。本文考慮的是通道配置方式的不同對系統(tǒng)可靠性影響研究。因可靠性框圖技術(shù)可直觀展現(xiàn)信號流程的邏輯關(guān)系，且便于計算，以核儀表系統(tǒng)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計兩種不同通道配置方式，利用可靠性框圖技術(shù)進(jìn)行可靠性對比分析研究。

1 可靠性框圖簡介

可靠性框圖（RBD-reliability block diagram）是研究系統(tǒng)可靠性的重要工具。簡單地說，用框圖的形式將系統(tǒng)各個組成部分故障之間的邏輯關(guān)系表示出來，可靠性框圖就是表示這些邏輯關(guān)系的工具，這種分析方法就叫作可靠性框圖技術(shù)[1]。

復(fù)雜系統(tǒng)可靠性模型的建立往往比較復(fù)雜，它可能是一個復(fù)雜的串聯(lián)、并聯(lián)、旁聯(lián)和橋聯(lián)等多種可靠性模型的組合，求解這種混合的可靠度需要特定的方法，在進(jìn)行求解之前可利用虛單元（把一些獨(dú)立的單元組合在一起，構(gòu)成一個虛擬的單元）對其進(jìn)行簡化。

劃分虛單元簡化可靠性框圖后，可以分步建立系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型。首先建立虛單元的可靠性數(shù)學(xué)模型，并把它作為虛單元的可靠度代入簡化后的可靠性框圖中;然后對簡化后的可靠性框圖建立數(shù)學(xué)模型去求解系統(tǒng)任務(wù)可靠度[2]。

2 系統(tǒng)可靠性分析

核儀表系統(tǒng)輸出信號有三類，分別是邏輯信號、模擬信號、網(wǎng)絡(luò)信號。三類信號流程不同，故通道配置方式的改變對三類信號可靠性影響程度會有所區(qū)別。因此在兩種不同結(jié)構(gòu)下，分別建立三類信號可靠性框圖，進(jìn)而開展系統(tǒng)可靠性研究。

2.1 通道獨(dú)立式可靠性分析

分別建立各量程三類信號可靠性框圖。其中SRL、SRA、SRN分別表示源量程邏輯信號、模擬信號、網(wǎng)絡(luò)信號，而IR、PR對應(yīng)中間量程、功率量程相關(guān)信號。圖2為通道獨(dú)立式SR邏輯信號可靠性框圖。

2.2 處理集中式信號可靠性分析

為實現(xiàn)與通道獨(dú)立式結(jié)構(gòu)相同的系統(tǒng)功能，采用相同的板卡，設(shè)計不同的通道配置方式，設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)與2.1節(jié)中計算用數(shù)據(jù)保持一致。

分別構(gòu)建邏輯信號、模擬信號、網(wǎng)絡(luò)信號可靠性框圖，處理集中式邏輯信號可靠性框圖如圖4所示。

2.3 對比分析

以一個換料周期為研究時間，觀察兩種不同通道配置方式所對應(yīng)信號可靠度隨時間變化情況。結(jié)果如圖5、6、7所示。

由圖5和圖6可直觀看出，處理集中式結(jié)構(gòu)中邏輯信號和模擬信號可靠度衰減較快，信號可靠度明顯減小。對于處理集中式結(jié)構(gòu)，如處理部分CPU單元損壞，會導(dǎo)致三個量程通道都不可用;而通道獨(dú)立式中各個量程通道彼此互不干涉，單一通道的CPU損壞只會使相應(yīng)通道不可用，通道獨(dú)立式的維護(hù)性也優(yōu)于處理集中式。

將圖7與圖5和6作對比，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號可靠度是優(yōu)于邏輯信號與模擬信號的，主要是因為網(wǎng)絡(luò)信號的輸出單元可靠度較高。

3 小結(jié)

本文建立了兩種不同通道配置方式所對應(yīng)的信號可靠性框圖模型，基于板卡可靠性數(shù)據(jù)計算得到信號可靠度函數(shù)，進(jìn)行了對比分析。處理集中式結(jié)構(gòu)邏輯信號、模擬信號可靠性下降幅度較顯著，網(wǎng)絡(luò)信號可靠度下降不明顯。

若將核儀表系統(tǒng)可靠性納入儀控系統(tǒng)可靠性整體考慮，當(dāng)整體可靠性分解到核儀表系統(tǒng)的可靠性要求高，則采用通道獨(dú)立式;若不是很高，則基于經(jīng)濟(jì)性考慮可采用處理集中式。

參考文獻(xiàn)

[1]王常力，等.分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計與應(yīng)用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[2]陳循，陶俊勇，張春華，蔣瑜，等.機(jī)電系統(tǒng)可靠性工程[M].北京：科學(xué)出版社，2010.