林超 蒋天植 黄有骏 单伟 陈冠宇
摘 要
数字化核仪表系统有信号调理和信号处理两个主要环节，其通道配置方式可考虑两种结构，一种是通道独立式，即同一机柜中源量程、中间量程、功率量程彼此独立;另一种为处理集中式，源量程、中间量程、功率量程的信号调理部分各自独立，而之后的信号处理部分共用。需要从系统设计的角度评估两种不同结构对系统可靠性带来的影响，本文通过可靠性框图进行可靠性对比分析研究。
关键词
核仪表系统;通道配置方式;可靠性框图
中图分类号： TM623 文献标识码： 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
數字化核仪表系统有信号调理和信号处理两个主要环节。信号调理部分主要是向探测器提供高压，脉冲放大、滤波、整形;信号处理部分主要是计算计数率、功率、倍增时间等，以及阈值比较产生相应保护和控制信号。
在核仪表系统通道配置方式中可考虑两种结构，一种是典型通道独立式，即同一机柜中源量程、中间量程、功率量程彼此独立;另一种为处理集中式，源量程、中间量程、功率量程的信号调理部分各自独立，而之后的信号处理部分共用。
两种结构简图如图1所示。
通道独立式结构方便检修，处理集中式结构可简化设备。需从系统设计的角度评估两种不同结构对系统可靠性带来的影响。本文考虑的是通道配置方式的不同对系统可靠性影响研究。因可靠性框图技术可直观展现信号流程的逻辑关系，且便于计算，以核仪表系统设备可靠性数据为基础，设计两种不同通道配置方式，利用可靠性框图技术进行可靠性对比分析研究。
1 可靠性框图简介
可靠性框图（RBD-reliability block diagram）是研究系统可靠性的重要工具。简单地说，用框图的形式将系统各个组成部分故障之间的逻辑关系表示出来，可靠性框图就是表示这些逻辑关系的工具，这种分析方法就叫作可靠性框图技术[1]。
复杂系统可靠性模型的建立往往比较复杂，它可能是一个复杂的串联、并联、旁联和桥联等多种可靠性模型的组合，求解这种混合的可靠度需要特定的方法，在进行求解之前可利用虚单元（把一些独立的单元组合在一起，构成一个虚拟的单元）对其进行简化。
划分虚单元简化可靠性框图后，可以分步建立系统的可靠性数学模型。首先建立虚单元的可靠性数学模型，并把它作为虚单元的可靠度代入简化后的可靠性框图中;然后对简化后的可靠性框图建立数学模型去求解系统任务可靠度[2]。
2 系统可靠性分析
核仪表系统输出信号有三类，分别是逻辑信号、模拟信号、网络信号。三类信号流程不同，故通道配置方式的改变对三类信号可靠性影响程度会有所区别。因此在两种不同结构下，分别建立三类信号可靠性框图，进而开展系统可靠性研究。
2.1 通道独立式可靠性分析
分别建立各量程三类信号可靠性框图。其中SRL、SRA、SRN分别表示源量程逻辑信号、模拟信号、网络信号，而IR、PR对应中间量程、功率量程相关信号。图2为通道独立式SR逻辑信号可靠性框图。
2.2 处理集中式信号可靠性分析
为实现与通道独立式结构相同的系统功能，采用相同的板卡，设计不同的通道配置方式，设备可靠性数据与2.1节中计算用数据保持一致。
分别构建逻辑信号、模拟信号、网络信号可靠性框图，处理集中式逻辑信号可靠性框图如图4所示。
2.3 对比分析
以一个换料周期为研究时间，观察两种不同通道配置方式所对应信号可靠度随时间变化情况。结果如图5、6、7所示。
由图5和图6可直观看出，处理集中式结构中逻辑信号和模拟信号可靠度衰减较快，信号可靠度明显减小。对于处理集中式结构，如处理部分CPU单元损坏，会导致三个量程通道都不可用;而通道独立式中各个量程通道彼此互不干涉，单一通道的CPU损坏只会使相应通道不可用，通道独立式的维护性也优于处理集中式。
将图7与图5和6作对比，发现网络信号可靠度是优于逻辑信号与模拟信号的，主要是因为网络信号的输出单元可靠度较高。
3 小结
本文建立了两种不同通道配置方式所对应的信号可靠性框图模型，基于板卡可靠性数据计算得到信号可靠度函数，进行了对比分析。处理集中式结构逻辑信号、模拟信号可靠性下降幅度较显著，网络信号可靠度下降不明显。
若将核仪表系统可靠性纳入仪控系统可靠性整体考虑，当整体可靠性分解到核仪表系统的可靠性要求高，则采用通道独立式;若不是很高，则基于经济性考虑可采用处理集中式。
参考文献
[1]王常力，等.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2016.
[2]陈循，陶俊勇，张春华，蒋瑜，等.机电系统可靠性工程[M].北京：科学出版社，2010.
