通道配置方式對核儀表系統可靠性影響研究

林超 蔣天植 黃有駿 單偉 陳冠宇

摘 要

數字化核儀表系統有信號調理和信號處理兩個主要環節，其通道配置方式可考慮兩種結構，一種是通道獨立式，即同一機柜中源量程、中間量程、功率量程彼此獨立;另一種為處理集中式，源量程、中間量程、功率量程的信號調理部分各自獨立，而之后的信號處理部分共用。需要從系統設計的角度評估兩種不同結構對系統可靠性帶來的影響，本文通過可靠性框圖進行可靠性對比分析研究。

關鍵詞

核儀表系統;通道配置方式;可靠性框圖

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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

數字化核儀表系統有信號調理和信號處理兩個主要環節。信號調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率、功率、倍增時間等，以及閾值比較產生相應保護和控制信號。

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

兩種結構簡圖如圖1所示。

通道獨立式結構方便檢修，處理集中式結構可簡化設備。需從系統設計的角度評估兩種不同結構對系統可靠性帶來的影響。本文考慮的是通道配置方式的不同對系統可靠性影響研究。因可靠性框圖技術可直觀展現信號流程的邏輯關系，且便于計算，以核儀表系統設備可靠性數據為基礎，設計兩種不同通道配置方式，利用可靠性框圖技術進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）是研究系統可靠性的重要工具。簡單地說，用框圖的形式將系統各個組成部分故障之間的邏輯關系表示出來，可靠性框圖就是表示這些邏輯關系的工具，這種分析方法就叫作可靠性框圖技術[1]。

復雜系統可靠性模型的建立往往比較復雜，它可能是一個復雜的串聯、并聯、旁聯和橋聯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，在進行求解之前可利用虛單元（把一些獨立的單元組合在一起，構成一個虛擬的單元）對其進行簡化。

劃分虛單元簡化可靠性框圖后，可以分步建立系統的可靠性數學模型。首先建立虛單元的可靠性數學模型，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學模型去求解系統任務可靠度[2]。

2 系統可靠性分析

核儀表系統輸出信號有三類，分別是邏輯信號、模擬信號、網絡信號。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別。因此在兩種不同結構下，分別建立三類信號可靠性框圖，進而開展系統可靠性研究。

2.1 通道獨立式可靠性分析

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、網絡信號，而IR、PR對應中間量程、功率量程相關信號。圖2為通道獨立式SR邏輯信號可靠性框圖。

2.2 處理集中式信號可靠性分析

為實現與通道獨立式結構相同的系統功能，采用相同的板卡，設計不同的通道配置方式，設備可靠性數據與2.1節中計算用數據保持一致。

分別構建邏輯信號、模擬信號、網絡信號可靠性框圖，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信號可靠度隨時間變化情況。結果如圖5、6、7所示。

由圖5和圖6可直觀看出，處理集中式結構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。對于處理集中式結構，如處理部分CPU單元損壞，會導致三個量程通道都不可用;而通道獨立式中各個量程通道彼此互不干涉，單一通道的CPU損壞只會使相應通道不可用，通道獨立式的維護性也優于處理集中式。

將圖7與圖5和6作對比，發現網絡信號可靠度是優于邏輯信號與模擬信號的，主要是因為網絡信號的輸出單元可靠度較高。

3 小結

本文建立了兩種不同通道配置方式所對應的信號可靠性框圖模型，基于板卡可靠性數據計算得到信號可靠度函數，進行了對比分析。處理集中式結構邏輯信號、模擬信號可靠性下降幅度較顯著，網絡信號可靠度下降不明顯。

若將核儀表系統可靠性納入儀控系統可靠性整體考慮，當整體可靠性分解到核儀表系統的可靠性要求高，則采用通道獨立式;若不是很高，則基于經濟性考慮可采用處理集中式。

參考文獻

[1]王常力，等.分布式控制系統（DCS）設計與應用實例[M].北京：電子工業出版社，2016.

[2]陳循，陶俊勇，張春華，蔣瑜，等.機電系統可靠性工程[M].北京：科學出版社，2010.