史東東　于蓮芝

摘 要：工業(yè)氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，常有各種故障發(fā)生，使系統(tǒng)安全性和可靠性降低。為減少系統(tǒng)故障率，采用故障樹分析法（FTA），建立以工業(yè)氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)失效為頂上事件的故障樹，運(yùn)用算術(shù)邏輯關(guān)系求出故障樹的最小割集，通過定性分析和定量分析排列出底事件對(duì)頂上事件影響程度順序，給出預(yù)防和維護(hù)措施，以提高工業(yè)氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可靠性。

關(guān)鍵詞：FTA；最小割集；定性分析；定量分析；底事件重要度

DOIDOI：10.11907/rjdk.162024

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）011015103

0 引言

在電力、電子、儀器儀表、石油化工以及航天航空等領(lǐng)域，如何消除隱患、控制系統(tǒng)安全性和可靠性備受關(guān)注[1]。為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，就要找出導(dǎo)致控制系統(tǒng)發(fā)生故障的全部因素，然后逐步分析，得出結(jié)論，消除隱患，才可進(jìn)行有效預(yù)防以減少事故發(fā)生[2]。

制藥廠生產(chǎn)車間使用工業(yè)氣體探測(cè)報(bào)警器監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w和有毒氣體濃度是否在規(guī)定的安全范圍之內(nèi)，如果超出范圍，主控室報(bào)警控制器便會(huì)報(bào)警[34]。若控制系統(tǒng)失靈就會(huì)帶來嚴(yán)重后果，對(duì)工人生命造成重大危害，對(duì)企業(yè)財(cái)產(chǎn)造成重大損失。本文通過故障樹分析法對(duì)控制系統(tǒng)以往發(fā)生的故障進(jìn)行分析，以工業(yè)氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)為建模對(duì)象，總結(jié)出有效的預(yù)防方法，以提高可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器的可靠性[5]。

1 FTA

1.1 FTA簡(jiǎn)介

故障樹分析法（FTA）是一種自頂向下識(shí)別系統(tǒng)故障的方法，由貝爾實(shí)驗(yàn)室的H A Watson于1961年提出，作為研究控制系統(tǒng)發(fā)生某一故障時(shí)建立的一種倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖。通過使用算術(shù)邏輯推理，對(duì)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的各種因素層層分析，找出最小割集，確定控制系統(tǒng)發(fā)生故障的各種因素組合方式以及發(fā)生概率，計(jì)算出控制系統(tǒng)發(fā)生此故障的概率，提供預(yù)防方式，以提高控制系統(tǒng)的可靠性[67]。

1.2 FTA特點(diǎn)

與其它模型相比，故障樹模型能更好地分析和預(yù)防控制系統(tǒng)故障，其有兩種分析方法：①定性分析：找出頂事件所有可能發(fā)生的故障模式，求出故障所有的最小割集（MCS）：②定量分析：由控制系統(tǒng)各部分失效的概率求出系統(tǒng)失效概率，求出事件的結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵重要度，最終根據(jù)所求底事件重要度大小排序，給出最佳故障診斷和維修順序。

1.3 故障樹圖符號(hào)

故障樹中使用的每一種符號(hào)都有特殊含義，見圖1。①矩形符號(hào)表示事件或最終故障即頂上事件；②或門符號(hào)表示有兩種及以上事件中任何一種事件發(fā)生都有效；③與門符號(hào)表示兩種及以上事件共同發(fā)生時(shí)才有效；④圓形符號(hào)表示基本故障也就是在故障樹圖中的底層事件。

1.4 故障樹分析法建模步驟

步驟如下：①熟悉所分析的控制系統(tǒng)，詳細(xì)了解控制系統(tǒng)各部分參數(shù)；②對(duì)控制系統(tǒng)出現(xiàn)過的各種故障進(jìn)行調(diào)查并統(tǒng)計(jì)分析；③確定故障樹模型的最上層事件也就是頂上事件；④調(diào)查與頂上事件所有相關(guān)的原因事件；⑤通過軟件繪制事故樹圖形；⑥通過對(duì)事故樹的定性分析，找出一切可能引起頂上事件發(fā)生的基本事件組合，求出最小割集。通過最小割集的定性比較對(duì)故障樹底層事件進(jìn)行重要度排序；⑦通過對(duì)事故樹的定量分析，運(yùn)用基本事件發(fā)生概率求出頂上事件發(fā)生的概率以及底事件重要度，判別底事件對(duì)頂上事件的影響程度并進(jìn)行排序；⑧由定性和定量分析結(jié)果，制定有效的預(yù)防措施以及改進(jìn)措施。

2 工業(yè)氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

工業(yè)氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由氣體報(bào)警控制器和氣體探測(cè)器以及通信部分組成。氣體報(bào)警控制器放置于值班室，主要對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行控制。可燃?xì)怏w及有毒氣體探測(cè)器安裝于氣體易泄漏地點(diǎn)。氣體探測(cè)器的核心部件為內(nèi)置氣體傳感器，可有效檢測(cè)出可燃?xì)怏w以及有毒氣體濃度，可將檢測(cè)到的氣體濃度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過線纜傳輸?shù)綀?bào)警控制器?？扇?xì)怏w和有毒氣體濃度越高，電信號(hào)越強(qiáng)，當(dāng)氣體濃度達(dá)到或超過氣體報(bào)警控制器設(shè)置的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，氣體報(bào)警控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)電磁閥、排氣扇等外聯(lián)設(shè)備，自動(dòng)排除隱患，氣體探測(cè)器和氣體報(bào)警控制器之間的通信采用抗擾能力強(qiáng)的RS485 [8]。

3 FTA應(yīng)用

通過對(duì)工業(yè)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)生的相關(guān)事故記錄以及故障總結(jié)，確定控制系統(tǒng)報(bào)警失效為頂上事件。造成頂上事件發(fā)生的原因主要是氣體報(bào)警控制器、氣體探測(cè)器以及通信部分中的某一部分或者全部發(fā)生故障。上述3種原因作為中間事件，依次對(duì)造成中間事件的原因進(jìn)行排列，組成基本事件，包括設(shè)備采集故障、電源故障、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換故障等，建立故障樹圖，見圖2。

3.1 故障樹定性分析

故障樹定性分析主要是找出一切可能引起頂上事件的基本事件，這些基本事件的集合定義為割集。在割集集合中，任何一個(gè)可能引起頂上事件必然發(fā)生的基本事件稱為最小割集。最小割集中只要有一個(gè)不發(fā)生，則頂上事件就不會(huì)發(fā)生。

通過定性分析結(jié)果可知，在工業(yè)氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)所出現(xiàn)的所有故障中，數(shù)據(jù)采集設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性很低。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的可燃?xì)怏w和有毒氣體濃度超標(biāo)時(shí)，傳感器不能采集數(shù)據(jù)，不能通過通信設(shè)備傳送到主控室的氣體報(bào)警控制器中，控制器不報(bào)警，工作人員誤以為現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度在正常范圍內(nèi)。其次是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換故障：當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)不能轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)或電流電壓信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)也會(huì)失效。通信失效會(huì)使控制系統(tǒng)的安全性和可靠性降低。氣體探測(cè)器和氣體報(bào)警器供電電源出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)失效，若工作人員發(fā)現(xiàn)不及時(shí)則可能發(fā)生重大事故；氣體報(bào)警控制器芯片內(nèi)存因長期記錄數(shù)據(jù)而造成存儲(chǔ)空間不足，會(huì)使控制系統(tǒng)維持在一個(gè)正常或報(bào)警狀態(tài)，造成工作人員誤解；只有長期在極端惡劣的天氣狀況下，溫度設(shè)備才會(huì)出現(xiàn)一些小故障，但溫度也是必不可少的底事件[9]。

3.2 故障樹定量分析

定量分析主要是通過底事件發(fā)生概率來計(jì)算頂上事件發(fā)生概率，通過重要度計(jì)算判別底事件對(duì)頂上事件的影響程度進(jìn)行排序。

由于氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的安全性和可靠性程度比較高，各部分元件的失效概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1，因此可認(rèn)為兩個(gè)以及兩個(gè)以上故障不會(huì)同時(shí)發(fā)生，相互之間為互斥事件。假設(shè)任意一個(gè)底事件Xi發(fā)生的概率為0.001，頂上事件的概率為Pr（T），則 ：

3.3 底事件重要度計(jì)算

重要度是指系統(tǒng)中各個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)發(fā)生概率的貢獻(xiàn)程度，重要度分為概率重要度和結(jié)構(gòu)重要度。

（1）概率重要度指底事件發(fā)生的概率引起頂上事件發(fā)生概率的變化程度。頂上概率為Pr（T），故障樹有n個(gè)底事件，每個(gè)底事件發(fā)生的概率為Fi，i=1，2，……，n。則第i個(gè)底事件概率重要度定義為FiPr（T）。

工業(yè)氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)出現(xiàn)故障的14個(gè)底事件發(fā)生概率以及頂上事件發(fā)生概率得到的底事件概率重要度數(shù)據(jù)見表1。

4 結(jié)語

通過對(duì)工業(yè)氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)頂上事件建立事故樹進(jìn)行定性分析和定量分析，為提高系統(tǒng)可靠性，對(duì)氣體探測(cè)器中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和氣體報(bào)警控制器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行經(jīng)常性測(cè)試，以此確定是否正常工作[10]。對(duì)氣體探測(cè)器和氣體報(bào)警控制器之間的通信部分進(jìn)行周期性檢測(cè)，確保不受外界環(huán)境影響。整個(gè)系統(tǒng)供電設(shè)置兩個(gè)備用供電系統(tǒng)，防備系統(tǒng)斷電影響設(shè)備運(yùn)行。為確保設(shè)備不受外界溫度影響，可在設(shè)備放置地點(diǎn)安裝空調(diào)來調(diào)節(jié)溫度。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）