电解整流系统可靠性设计分析

王永升

（中国石化股份有限公司齐鲁分公司氯碱厂，山东淄博255411）

电解整流系统可靠性设计分析

王永升

（中国石化股份有限公司齐鲁分公司氯碱厂，山东淄博255411）

介绍了几个常用的可靠性参数，依据可靠性框图技术，通过可靠度的相关分析，找出系统可靠性的薄弱环节。通过硬件的冗余配置和软件的容错编程，提高了整流系统的可靠性。

可靠性框图；可靠度；MTBF；冗余；容错

可靠性工程是赋予产品可靠性的一种综合技术：设计奠定可靠性，精细制造保证可靠性，用心维护保持和延续可靠性。可靠性设计就是要在构思、定义、研制阶段中考虑可靠性要求，以保证未来产品有较高的可靠性。评价某一设备可靠性的具体指标是MTBF（平均故障间隔时间）亦称平均无故障工作时间，现在UPS厂家多在说明书中列有该项，这主要是重要场所要求不间断供电，保证这一任务的UPS必须要高质量、高可靠性，如此，促使生产厂家在可靠性的追求上投入较大、取得的成效也大，且使可靠性得到量化。国内整流器厂家在这方面的工作还相对落后，希望通过本文论述能对生产和制造企业起到抛砖引玉的作用，使整流器的可靠性也能量化，以后的说明书中也有MTBF指标。

1 几个常用的可靠性参数

系统可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。

可靠性设计的目的是找出设计产品潜在的失效模式和薄弱环节，通过设计进行预防和改进，从而消除失效模式和薄弱环节。

可靠性设计的任务是通过设计确定系统可靠性。

系统可靠性定量衡量的几个参数为平均故障率λ（t）；可靠度R（t）；平均故障间隔时间MTBF。

1.1 平均故障率λ

平均故障率为在规定的条件下和规定的时间内，产品的故障总数与寿命单位总数之比。

式中：rg—出现故障的次数，个；No—CPU数量，个；t—工作时间，h。

如：一批CPU 1 000个，开始工作5 000 h，内有100个出现故障，工作5 000 h时的平均故障率：

1.2 可靠度R（t）

可靠度是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。式中：No表示t=0，开始时的产品总数；r（t）表示在0到t时刻的工作时间内，产品的累计故障数。

1.1 例子中CPU的可靠度为：

实际上，可靠度随运行时间在变，因此R（t）是一函数，其与平均故障率λ的关系为：R（t）=e-λt。

1.3 平均故障间隔时间MTBF

产品从开始工作直到出故障所经历的时间称为无故障时间。在一批产品中每个无故障时间的平均值称为平均无故障时间MTBF。依据定义可得：平均故障间隔时间MTBF与平均故障率λ的关系表达式为

2 可靠性框图技术及其应用分析

2.1 可靠性框图技术

可靠性框图是研究系统可靠性的重要工具，其最基本的类型是：串联系统；并联系统，在此基础上又派生出一些其他类型，整流系统的可靠性问题也仅与这基本的类型有关，故仅讨论串联与并联系统。

2.2 串联系统及其应用分析

组成系统的所有单元（子系统）中任一单元故障均会导致整个系统的故障称为串联系统。其可靠性框图模型见图1。

图1 串联系统可靠性框图

它有n个单元（子系统）串联而成，设各单元的可靠度分别为：R1，R2，R3，…，Rn，则整个系统的可靠度为：R=R1×R2×R3×…Rn。由于每个单元的可靠度Ri的取值范围在0～1之间，故从设计角度出发，为提高系统的可靠性，应从下面几方面考虑。

（1）尽可能减少串联的单元数，而每一单元内部要多用集成电路，少用分立元件，减少元器件的种类与数量；

（2）提高单元的可靠性，即降低其故障率λ；

（3）系统中某一单元的可靠度比其他单元的低较多时，可适当采用高质量等级军用元器件或更改单元设计，以提高单元的可靠度。

对于整流系统来说，其可靠性框图模型见图2。

图2 整流系统可靠性框图

则整流系统的可靠度为：R=R变压器×R整流器× R冷却系统，由于变压器的使用年限为25年、MTBF为 1.75×105h，这相当于运行后20年内不会出故障；而冷却系统都是2台水泵，1开1备，其能在线维修，故其可靠性也很高，可靠度可近似是1。如此，决定整流系统可靠性的便是整流器了，为使其在15年的使用年限内可靠工作，整流器内部诸多单元设计需遵从以上三方面。

2.3 并联系统及其应用分析

组成系统的所有单元（子系统）都发生故障时，系统才发生故障称为并联系统。其可靠性框图模型见图3。

图3 并联系统可靠性框图

它有n个单元（子系统）并联而成，设各单元的可靠度分别为：R1，R2，R3……Rn，则整个系统的可靠度为：R=1-（1-R1）（1-R2）…（1-Rn）

如果并联的各单元是同类型的，则可靠度R=1-（1-R1）n，而R1为每一单元的可靠度。为直观的分析问题，把n=1、2、3时，也就是1个单元并联（1+0冗余）、2个单元并联（1+1冗余）、3个单元并联（1+2冗余）时的可靠度R与每一单元可靠度R1相对应的坐标曲线见图4。

图4 冗余数与可靠度对比图

由图4可看出如下趋势。

（1）同一冗余系统，随单元自身可靠度的不同，其系统冗余后可靠度的增幅不同；

（2）系统可靠度随冗余单元数的增加而增加；

（3）在R1较小或较大时，1+n冗余与1+（n+1）冗余的可靠度R值越来越接近。

为定量分析，再列出R1随冗余数变化值对应表，见表1。

表1 R1随冗余数变化值对应表

依据表1中数据，从理论上有以下分析。

（1）单元的可靠度在0.9以上时，1+1冗余的系统可靠度就相当高了，没必要再增加冗余单元；

（2）单元的可靠度在0.8～0.9时，1+1或1+2冗余即可；

（3）单元的可靠度在0.7～0.8时，1+2或1+3冗余即可；

（4）单元的可靠度在0.7以下时，建议采用高质量等级军用元器件或更改单元设计，以便提高单元的可靠度。

以上仅是理论上提高系统可靠度的分析，实际中还要考虑投资、装配尺寸、冗余单元之间实现功能切换的难度、编程规模、系统自身功耗、是否能在线更换等实际问题。例如，某单元可靠度0.7，其尺寸较大，单元制造价格较便宜，可在线更换，那么其1+1冗余也是完全可以的。总之，单元的冗余数要根据情况的实际，尤其是投资情况确定，使产品具有高性价比。通常冗余技术不宜普遍采用，只能有选择地用于失效后非常严重的场合。离子膜电解对整流系统的可靠供电有较高的要求，故整流系统中采用了冗余技术。由于各整流器厂家的控制方式不同，在此，仅对共性的冗余单元列举如下。

（1）工作电源冗余：双交流电源，双电源模块的冗余；

（2）反馈信号冗余：交流与直流信号的冗余；

（3）同步信号冗余：由不同的采样点采来2个相互独立的同步信号；

（4）通讯系统冗余：上、下位机和通讯介质的冗余；

（5）控制触发单元（控制调节器）冗余：大多是同构1+1冗余，也有的是异构1+2冗余。

以上单元多采用了1+1的冗余，从实际应用来看，能满足生产的可靠性要求，这些单元的冗余设置通常是经常出故障的环节，经过应用后，感到有必要冗余，在后来的设计就完善上了。可靠性研究到家的厂商，设计之初，通过可靠度的定量计算、分析，然后简约的串联单元+必要适度的单元冗余，便完成了优化设计，且预知产品的平均无故障时间MTBF，MTBF再经过产品实际应用的检验，就出现在了产品说明书中。

3 编程容错

3.1 故障联锁输入信号的处理

线路故障的发生有2种情况，一种是开路，是由于断线、接线端子松动、端子等接触面氧化后接触电阻增大等原因造成的，开路发生的概率占线路故障的90%以上；另一种是短路，是由于两芯线间绝缘老化、外力挤压、端子受潮等原因造成的，短路发生的概率占线路故障的10%以下。线路故障可引起联锁误动或拒动，对开关输入信号来说：新上整流系统，一般的故障保护设备都有一开、一闭2对触点（两常开或两常闭触点也一样），将其都引入控制系统，在控制系统中做一逻辑，当一对触点动作时，仅报警，只有2对触点同时动作时，才联锁停车。

而线路故障（不论是开路，还是短路）对于模拟输入信号来说，因为线路故障后模拟信号的数值将变为零，联锁的结果也表现为误动与拒动。

对于模拟输入信号来说，选择的模拟信号为：4～20 mA，1～5 V（或1～10 V），这样正常时，模拟信号最小值也在4 mA或1 V以上，当线路故障时，输入信号会变为0，可在控制编程时，做一判断逻辑，只要模拟输入信号为0就是线路故障，此时仅报警，再延时一段时间后（如果值班人员这期间仍没检查、处理好）联锁停车，至于延时时间的长短，要看具体是何故障，有无后备保护等具体情况来确定，这样就可使整流设备具有一定的容错功能。

3.2 存在逻辑关系量的处理

将同步信号的A、B、C三相同时引入控制系统中，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过零点作为同步基准便可，6个触发脉冲依次移相60°输出。但当这一相断线（熔断器熔断）时，会导致同步故障，正常只有一相为工作相，其余2相为备用，可以通过软件的编程来实现，只要A、B、C三相同步信号有一相正常，6个触发脉冲依次正常输出，整流器就能正常工作，目前国内广州擎天等企业已经实现。

4 结语

国外的一些整流器厂商非常重视产品的可靠性分析，把整流器的可靠性进行了量化，如瑞士的ABB公司，其对每一单元、环节都进行可靠性的分析、计算，在此基础上确定达到预期可靠度的设计方案，确保高可靠性整流器的先天优势。可靠性设计的内容不仅限于本文提到的简化、冗余设计，还有降额设计、耐环境（温度、湿度、振动、腐蚀、辐射、电磁兼容等）设计等环节。可靠性设计仅完成高质量产品的第一步，还要经过精细的制造工艺，方可产出高质量的整流器，总之，高质量整流器的获得要经过一系列的、复杂的系统工程。本文无论在可靠性的广度，还是深度的论述上，限于篇幅而未展开，旨在通过本文，引起关注，促进国产整流器可靠性设计工作的纵深发展，使整流器产品不但能告知出厂时的质量情况，还能告诉用户产品出厂后在有效使用期内的失效概率有多大（MTBF：平均无故障时间）。使用户在使用过程中的备件更换、预知维修、产品升级换代更有针对性，以较少的人力、物力投入，就可保证整流器的可靠运行。

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