電解整流系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析

王永升

（中國石化股份有限公司齊魯分公司氯堿廠，山東淄博255411）

電解整流系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析

王永升

（中國石化股份有限公司齊魯分公司氯堿廠，山東淄博255411）

介紹了幾個(gè)常用的可靠性參數(shù)，依據(jù)可靠性框圖技術(shù)，通過可靠度的相關(guān)分析，找出系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。通過硬件的冗余配置和軟件的容錯(cuò)編程，提高了整流系統(tǒng)的可靠性。

可靠性框圖；可靠度；MTBF；冗余；容錯(cuò)

可靠性工程是賦予產(chǎn)品可靠性的一種綜合技術(shù)：設(shè)計(jì)奠定可靠性，精細(xì)制造保證可靠性，用心維護(hù)保持和延續(xù)可靠性。可靠性設(shè)計(jì)就是要在構(gòu)思、定義、研制階段中考慮可靠性要求，以保證未來產(chǎn)品有較高的可靠性。評(píng)價(jià)某一設(shè)備可靠性的具體指標(biāo)是MTBF（平均故障間隔時(shí)間）亦稱平均無故障工作時(shí)間，現(xiàn)在UPS廠家多在說明書中列有該項(xiàng)，這主要是重要場(chǎng)所要求不間斷供電，保證這一任務(wù)的UPS必須要高質(zhì)量、高可靠性，如此，促使生產(chǎn)廠家在可靠性的追求上投入較大、取得的成效也大，且使可靠性得到量化。國內(nèi)整流器廠家在這方面的工作還相對(duì)落后，希望通過本文論述能對(duì)生產(chǎn)和制造企業(yè)起到拋磚引玉的作用，使整流器的可靠性也能量化，以后的說明書中也有MTBF指標(biāo)。

1 幾個(gè)常用的可靠性參數(shù)

系統(tǒng)可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。

可靠性設(shè)計(jì)的目的是找出設(shè)計(jì)產(chǎn)品潛在的失效模式和薄弱環(huán)節(jié)，通過設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)防和改進(jìn)，從而消除失效模式和薄弱環(huán)節(jié)。

可靠性設(shè)計(jì)的任務(wù)是通過設(shè)計(jì)確定系統(tǒng)可靠性。

系統(tǒng)可靠性定量衡量的幾個(gè)參數(shù)為平均故障率λ（t）；可靠度R（t）；平均故障間隔時(shí)間MTBF。

1.1 平均故障率λ

平均故障率為在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品的故障總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比。

式中：rg—出現(xiàn)故障的次數(shù)，個(gè)；No—CPU數(shù)量，個(gè)；t—工作時(shí)間，h。

如：一批CPU 1 000個(gè)，開始工作5 000 h，內(nèi)有100個(gè)出現(xiàn)故障，工作5 000 h時(shí)的平均故障率：

1.2 可靠度R（t）

可靠度是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。式中：No表示t=0，開始時(shí)的產(chǎn)品總數(shù)；r（t）表示在0到t時(shí)刻的工作時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品的累計(jì)故障數(shù)。

1.1 例子中CPU的可靠度為：

實(shí)際上，可靠度隨運(yùn)行時(shí)間在變，因此R（t）是一函數(shù)，其與平均故障率λ的關(guān)系為：R（t）=e-λt。

1.3 平均故障間隔時(shí)間MTBF

產(chǎn)品從開始工作直到出故障所經(jīng)歷的時(shí)間稱為無故障時(shí)間。在一批產(chǎn)品中每個(gè)無故障時(shí)間的平均值稱為平均無故障時(shí)間MTBF。依據(jù)定義可得：平均故障間隔時(shí)間MTBF與平均故障率λ的關(guān)系表達(dá)式為

2 可靠性框圖技術(shù)及其應(yīng)用分析

2.1 可靠性框圖技術(shù)

可靠性框圖是研究系統(tǒng)可靠性的重要工具，其最基本的類型是：串聯(lián)系統(tǒng)；并聯(lián)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上又派生出一些其他類型，整流系統(tǒng)的可靠性問題也僅與這基本的類型有關(guān)，故僅討論串聯(lián)與并聯(lián)系統(tǒng)。

2.2 串聯(lián)系統(tǒng)及其應(yīng)用分析

組成系統(tǒng)的所有單元（子系統(tǒng)）中任一單元故障均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的故障稱為串聯(lián)系統(tǒng)。其可靠性框圖模型見圖1。

圖1 串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖

它有n個(gè)單元（子系統(tǒng)）串聯(lián)而成，設(shè)各單元的可靠度分別為：R1，R2，R3，…，Rn，則整個(gè)系統(tǒng)的可靠度為：R=R1×R2×R3×…Rn。由于每個(gè)單元的可靠度Ri的取值范圍在0～1之間，故從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，為提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)從下面幾方面考慮。

（1）盡可能減少串聯(lián)的單元數(shù)，而每一單元內(nèi)部要多用集成電路，少用分立元件，減少元器件的種類與數(shù)量；

（2）提高單元的可靠性，即降低其故障率λ；

（3）系統(tǒng)中某一單元的可靠度比其他單元的低較多時(shí)，可適當(dāng)采用高質(zhì)量等級(jí)軍用元器件或更改單元設(shè)計(jì)，以提高單元的可靠度。

對(duì)于整流系統(tǒng)來說，其可靠性框圖模型見圖2。

圖2 整流系統(tǒng)可靠性框圖

則整流系統(tǒng)的可靠度為：R=R變壓器×R整流器× R冷卻系統(tǒng)，由于變壓器的使用年限為25年、MTBF為 1.75×105h，這相當(dāng)于運(yùn)行后20年內(nèi)不會(huì)出故障；而冷卻系統(tǒng)都是2臺(tái)水泵，1開1備，其能在線維修，故其可靠性也很高，可靠度可近似是1。如此，決定整流系統(tǒng)可靠性的便是整流器了，為使其在15年的使用年限內(nèi)可靠工作，整流器內(nèi)部諸多單元設(shè)計(jì)需遵從以上三方面。

2.3 并聯(lián)系統(tǒng)及其應(yīng)用分析

組成系統(tǒng)的所有單元（子系統(tǒng)）都發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)才發(fā)生故障稱為并聯(lián)系統(tǒng)。其可靠性框圖模型見圖3。

圖3 并聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖

它有n個(gè)單元（子系統(tǒng)）并聯(lián)而成，設(shè)各單元的可靠度分別為：R1，R2，R3……Rn，則整個(gè)系統(tǒng)的可靠度為：R=1-（1-R1）（1-R2）…（1-Rn）

如果并聯(lián)的各單元是同類型的，則可靠度R=1-（1-R1）n，而R1為每一單元的可靠度。為直觀的分析問題，把n=1、2、3時(shí)，也就是1個(gè)單元并聯(lián)（1+0冗余）、2個(gè)單元并聯(lián)（1+1冗余）、3個(gè)單元并聯(lián)（1+2冗余）時(shí)的可靠度R與每一單元可靠度R1相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)曲線見圖4。

圖4 冗余數(shù)與可靠度對(duì)比圖

由圖4可看出如下趨勢(shì)。

（1）同一冗余系統(tǒng)，隨單元自身可靠度的不同，其系統(tǒng)冗余后可靠度的增幅不同；

（2）系統(tǒng)可靠度隨冗余單元數(shù)的增加而增加；

（3）在R1較小或較大時(shí)，1+n冗余與1+（n+1）冗余的可靠度R值越來越接近。

為定量分析，再列出R1隨冗余數(shù)變化值對(duì)應(yīng)表，見表1。

表1 R1隨冗余數(shù)變化值對(duì)應(yīng)表

依據(jù)表1中數(shù)據(jù)，從理論上有以下分析。

（1）單元的可靠度在0.9以上時(shí)，1+1冗余的系統(tǒng)可靠度就相當(dāng)高了，沒必要再增加冗余單元；

（2）單元的可靠度在0.8～0.9時(shí)，1+1或1+2冗余即可；

（3）單元的可靠度在0.7～0.8時(shí)，1+2或1+3冗余即可；

（4）單元的可靠度在0.7以下時(shí)，建議采用高質(zhì)量等級(jí)軍用元器件或更改單元設(shè)計(jì)，以便提高單元的可靠度。

以上僅是理論上提高系統(tǒng)可靠度的分析，實(shí)際中還要考慮投資、裝配尺寸、冗余單元之間實(shí)現(xiàn)功能切換的難度、編程規(guī)模、系統(tǒng)自身功耗、是否能在線更換等實(shí)際問題。例如，某單元可靠度0.7，其尺寸較大，單元制造價(jià)格較便宜，可在線更換，那么其1+1冗余也是完全可以的?？傊?，單元的冗余數(shù)要根據(jù)情況的實(shí)際，尤其是投資情況確定，使產(chǎn)品具有高性價(jià)比。通常冗余技術(shù)不宜普遍采用，只能有選擇地用于失效后非常嚴(yán)重的場(chǎng)合。離子膜電解對(duì)整流系統(tǒng)的可靠供電有較高的要求，故整流系統(tǒng)中采用了冗余技術(shù)。由于各整流器廠家的控制方式不同，在此，僅對(duì)共性的冗余單元列舉如下。

（1）工作電源冗余：雙交流電源，雙電源模塊的冗余；

（2）反饋信號(hào)冗余：交流與直流信號(hào)的冗余；

（3）同步信號(hào)冗余：由不同的采樣點(diǎn)采來2個(gè)相互獨(dú)立的同步信號(hào)；

（4）通訊系統(tǒng)冗余：上、下位機(jī)和通訊介質(zhì)的冗余；

（5）控制觸發(fā)單元（控制調(diào)節(jié)器）冗余：大多是同構(gòu)1+1冗余，也有的是異構(gòu)1+2冗余。

以上單元多采用了1+1的冗余，從實(shí)際應(yīng)用來看，能滿足生產(chǎn)的可靠性要求，這些單元的冗余設(shè)置通常是經(jīng)常出故障的環(huán)節(jié)，經(jīng)過應(yīng)用后，感到有必要冗余，在后來的設(shè)計(jì)就完善上了?？煽啃匝芯康郊业膹S商，設(shè)計(jì)之初，通過可靠度的定量計(jì)算、分析，然后簡約的串聯(lián)單元+必要適度的單元冗余，便完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)，且預(yù)知產(chǎn)品的平均無故障時(shí)間MTBF，MTBF再經(jīng)過產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)，就出現(xiàn)在了產(chǎn)品說明書中。

3 編程容錯(cuò)

3.1 故障聯(lián)鎖輸入信號(hào)的處理

線路故障的發(fā)生有2種情況，一種是開路，是由于斷線、接線端子松動(dòng)、端子等接觸面氧化后接觸電阻增大等原因造成的，開路發(fā)生的概率占線路故障的90%以上；另一種是短路，是由于兩芯線間絕緣老化、外力擠壓、端子受潮等原因造成的，短路發(fā)生的概率占線路故障的10%以下。線路故障可引起聯(lián)鎖誤動(dòng)或拒動(dòng)，對(duì)開關(guān)輸入信號(hào)來說：新上整流系統(tǒng)，一般的故障保護(hù)設(shè)備都有一開、一閉2對(duì)觸點(diǎn)（兩常開或兩常閉觸點(diǎn)也一樣），將其都引入控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)中做一邏輯，當(dāng)一對(duì)觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，僅報(bào)警，只有2對(duì)觸點(diǎn)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，才聯(lián)鎖停車。

而線路故障（不論是開路，還是短路）對(duì)于模擬輸入信號(hào)來說，因?yàn)榫€路故障后模擬信號(hào)的數(shù)值將變?yōu)榱?，?lián)鎖的結(jié)果也表現(xiàn)為誤動(dòng)與拒動(dòng)。

對(duì)于模擬輸入信號(hào)來說，選擇的模擬信號(hào)為：4～20 mA，1～5 V（或1～10 V），這樣正常時(shí)，模擬信號(hào)最小值也在4 mA或1 V以上，當(dāng)線路故障時(shí)，輸入信號(hào)會(huì)變?yōu)?，可在控制編程時(shí)，做一判斷邏輯，只要模擬輸入信號(hào)為0就是線路故障，此時(shí)僅報(bào)警，再延時(shí)一段時(shí)間后（如果值班人員這期間仍沒檢查、處理好）聯(lián)鎖停車，至于延時(shí)時(shí)間的長短，要看具體是何故障，有無后備保護(hù)等具體情況來確定，這樣就可使整流設(shè)備具有一定的容錯(cuò)功能。

3.2 存在邏輯關(guān)系量的處理

將同步信號(hào)的A、B、C三相同時(shí)引入控制系統(tǒng)中，由于三相的相位差是固定的120°，因此，整流器可采集其中某一相的過零點(diǎn)作為同步基準(zhǔn)便可，6個(gè)觸發(fā)脈沖依次移相60°輸出。但當(dāng)這一相斷線（熔斷器熔斷）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致同步故障，正常只有一相為工作相，其余2相為備用，可以通過軟件的編程來實(shí)現(xiàn)，只要A、B、C三相同步信號(hào)有一相正常，6個(gè)觸發(fā)脈沖依次正常輸出，整流器就能正常工作，目前國內(nèi)廣州擎天等企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

國外的一些整流器廠商非常重視產(chǎn)品的可靠性分析，把整流器的可靠性進(jìn)行了量化，如瑞士的ABB公司，其對(duì)每一單元、環(huán)節(jié)都進(jìn)行可靠性的分析、計(jì)算，在此基礎(chǔ)上確定達(dá)到預(yù)期可靠度的設(shè)計(jì)方案，確保高可靠性整流器的先天優(yōu)勢(shì)?？煽啃栽O(shè)計(jì)的內(nèi)容不僅限于本文提到的簡化、冗余設(shè)計(jì)，還有降額設(shè)計(jì)、耐環(huán)境（溫度、濕度、振動(dòng)、腐蝕、輻射、電磁兼容等）設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。可靠性設(shè)計(jì)僅完成高質(zhì)量產(chǎn)品的第一步，還要經(jīng)過精細(xì)的制造工藝，方可產(chǎn)出高質(zhì)量的整流器，總之，高質(zhì)量整流器的獲得要經(jīng)過一系列的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。本文無論在可靠性的廣度，還是深度的論述上，限于篇幅而未展開，旨在通過本文，引起關(guān)注，促進(jìn)國產(chǎn)整流器可靠性設(shè)計(jì)工作的縱深發(fā)展，使整流器產(chǎn)品不但能告知出廠時(shí)的質(zhì)量情況，還能告訴用戶產(chǎn)品出廠后在有效使用期內(nèi)的失效概率有多大（MTBF：平均無故障時(shí)間）。使用戶在使用過程中的備件更換、預(yù)知維修、產(chǎn)品升級(jí)換代更有針對(duì)性，以較少的人力、物力投入，就可保證整流器的可靠運(yùn)行。

Reliability design analyzing of electrolysis rectifying system

WANG Yong-sheng
（Chlor-alkali Factory of Qilu Branch SINOPEC，Zibo 255411，China）

Firstly，we introduce several commonly used reliability parameters.Then，based on the reliability block diagram technology，we find the weak link of the system reliability through the correlation analysis of reliability.Finally，the reliability of rectifying system is improved by hardware redundancy configuration and software fault tolerance programming.

reliability block diagram；reliability；MTBF；redundancy；fault tolerance

TM461

B

1009－1785(2017)07-0008-03

2017-05-31