基于故障樹的機車PLC控制系統(tǒng)可靠性分析

摘 要：隨著時代和科技的發(fā)展，機車運行等級在不斷的提高，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足對機車控制的需要，在控制過程中的故障率很高。針對這一問題，一種全新的控制系統(tǒng)出現(xiàn)，就是PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)能夠有效彌補繼電器控制系統(tǒng)高故障率的缺陷，可靠性更高。文章將在故障樹的基礎(chǔ)上對PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行分析，希望對今后的相關(guān)研究以及實踐提供有益的幫助。

關(guān)鍵詞：故障樹；機車；PLC控制系統(tǒng)；可靠性

前言

為了保障機車的良好運行，要對機車控制系統(tǒng)進行不斷的更新和改進，機車通常都采用繼電器控制系統(tǒng)完成對機車的控制，但是繼電器系統(tǒng)的故障多發(fā)，對機車的安全運行產(chǎn)生了很大影響。在此基礎(chǔ)上PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生，并在實際工作中得到了廣泛的應(yīng)用，性能與繼電器控制系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。文章將利用故障樹對PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行簡要的分析。

1 PLC控制系統(tǒng)

機車控制系統(tǒng)通常分為兩種，一種是繼電器控制系統(tǒng)，一種是PLC控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)是比較傳統(tǒng)的機車控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中運用大量的繼電器，線路連接上十分復(fù)雜，系統(tǒng)中的聯(lián)鎖具有很多個可接觸的點，受到干擾的機率增多。繼電器控制系統(tǒng)的影響因素也較多，常見的是粉塵污染對其造成的影響，使得系統(tǒng)的觸點不能正常的運行，特別容易發(fā)生系統(tǒng)故障，影響了機車的正常運行。PLC控制系統(tǒng)也叫可編程邏輯控制器系統(tǒng)，可以對開關(guān)量處理方面進行有效的控制，研制出PLC控制系統(tǒng)之后，傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)被其取代，在機車控制方面發(fā)揮了重要的作用[1]。

2 故障樹以及故障樹的建立

故障樹分析通過故障樹的建立，將系統(tǒng)不希望發(fā)生的故障作為具體分析的目標(biāo)，從源頭開始追溯故障發(fā)生的所有可能原因，分層進行分析，并將系統(tǒng)中可能造成故障的影響因素之間的關(guān)系進行理順，通過計算得出不同組合對故障發(fā)生的影響概率。故障樹分析可以在故障發(fā)生原因的眾多組合之中找到系統(tǒng)之中的薄弱環(huán)節(jié)，采取積極有效的措施對其薄弱環(huán)節(jié)進行加固，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

故障樹的建立是故障樹分析之中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須充分考慮到各種因素對故障的影響，建立全面系統(tǒng)的故障樹，才能對PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行準(zhǔn)確的分析。故障樹的建立范圍要通過對整個系統(tǒng)的全面分析，了解系統(tǒng)各部分的性能之后，才能逐層建立全面、完整的故障樹[2]。在機車中應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)取代原來的繼電器控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的可靠性還不是很了解，可以通過故障樹分析的方法對PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行研究。

在分析PLC控制系統(tǒng)的可靠性時，首先要建立一個故障樹，故障樹的頂事件設(shè)定為由于PLC控制系統(tǒng)故障而造成的機車無法正常運行，在這個故障樹之中，對于不是由于PLC控制系統(tǒng)故障而引起的機車無法正常運行的情況不進行考慮。PLC控制系統(tǒng)的故障通常都是由于不同模塊的故障所引起的，總體來講PLC控制系統(tǒng)的故障原因可以從兩個方面來分析，一個是軟件方面的原因，一個是硬件方面的原因。軟件方面的原因與諸多主觀因素有關(guān)，比如編程者的經(jīng)驗以及對系統(tǒng)的理解等，在定量分析上存在很大的困難，所以在對機車PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行分析時，暫時只考慮硬件因素。

假設(shè)用來進行PLC控制系統(tǒng)可靠性分析的機車是用來對重載列車進行牽引使用的，在牽引過程中需要相同的兩輛機車首尾進行相連。整個機車的控制系統(tǒng)主要由高壓電路控制的子系統(tǒng)、電控制動控制的子系統(tǒng)、牽引電機的子系統(tǒng)等組成。在這兩節(jié)機車進行牽引的過程中，只需要保持一節(jié)機車的高壓電路控制子系統(tǒng)進行正常的工作，牽引電機只要能夠保持三組在同時正常的工作，列車的運行就可以維持正常[3]。當(dāng)這兩節(jié)牽引機車中的任何一節(jié)出現(xiàn)故障時，整個列車的正常運行都將無法得到保障，而PLC控制系統(tǒng)是采用模塊的結(jié)構(gòu)，任何一個模塊的故障都將影響機車子系統(tǒng)的工作情況。根據(jù)對機車PLC控制系統(tǒng)中的故障情況進行分析，可以建立一個故障樹對其可靠性進行分析。

3 PLC控制系統(tǒng)的可靠性分析

根據(jù)故障分析建立的故障樹，可以對機車PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行相應(yīng)的分析，分析過程十分復(fù)雜，需要對可靠性分別進行定性分析和定量的分析，通過綜合分析的結(jié)果可以得出機車PLC控制系統(tǒng)的可靠性。

3.1 故障樹的定性分析

利用故障樹對機車PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行定性分析時，要考慮故障樹的割集和路集。所謂割集就是當(dāng)故障樹中的一些底事件同時發(fā)生，會引起頂事件的發(fā)生時，這些同時發(fā)生的底事件就是故障樹的割集，割集中的底事件被去掉一個時，就稱這個集合為最小割集。每個故障樹都具有若干個最小割集，最小割集是PLC控制系統(tǒng)的故障模式的全部表現(xiàn)形式，也就是這個系統(tǒng)的故障圖譜[4]。定性分析可以通過相應(yīng)的計算得出故障樹中最小割集的個數(shù)，找出系統(tǒng)之中的薄弱環(huán)節(jié)，在對PLC控制系統(tǒng)可靠性進行設(shè)計時，對其進行更新和改進。故障樹的路集是在故障樹中的幾個底事件同時不發(fā)生時，頂事件也一定不會發(fā)生，這幾個底事件的集合就是路集，最小路集也是在路集之中去掉一個底事件得來的。故障樹的路集可以通過求故障樹的對偶數(shù)來得到，所謂對偶數(shù)也就是故障樹的成功數(shù)。

3.2 故障樹的定量分析

對機車PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行定量分析，可以通過計算的方式將PLC控制系統(tǒng)的失效率得出，也能夠清楚的知道PLC控制系統(tǒng)中的子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)之中的重要度，即子系統(tǒng)對系統(tǒng)正常運行的影響程度。定量分析首先要對故障樹之中的頂事件的概率進行計算，頂事件的計算方法十分靈活，可以采取多種計算方式，比如可以采取上行法來計算，也可以通過故障樹的最小割集來計算。

PLC控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)的重要度也可以通過定量分析的計算得出，牽引機車使用的兩個高壓電路控制子系統(tǒng)的重要度公式可以表示為：

其他子系統(tǒng)的重要度也可以通過公式表示出來，通過計算得出相應(yīng)部分的重要程度，在對PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行設(shè)計時，可以找到相應(yīng)的工作重點，將系統(tǒng)的性能進行不斷的提升[5]?？刂葡到y(tǒng)中不同的模塊采用的都是電子產(chǎn)品，系統(tǒng)中的分立器件也同樣為電子產(chǎn)品，這些電子產(chǎn)品在出廠之前就已經(jīng)經(jīng)過了質(zhì)量檢驗，如果在使用過程中發(fā)生問題則認(rèn)為是偶然的失效。PLC控制系統(tǒng)中的各個模塊之間相對獨立，一個模塊發(fā)生故障時不會對其他模塊造成影響，各個模塊的失效率相加會得到子系統(tǒng)的失效率。

4 結(jié)束語

PLC控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域都進行了廣泛的應(yīng)用，對運動控制等方面產(chǎn)生了十分重要的促進作用。文章是在故障樹的基礎(chǔ)上對機車PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行了分析，探討了故障樹的構(gòu)建方法以及可靠性分析的具體途徑。通過故障樹對機車PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行分析，可以得知系統(tǒng)中子系統(tǒng)的重要性以及其中的薄弱環(huán)節(jié)，有利于對機車PLC控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的改進。

參考文獻

[1]陸長捷，潘泉.基于故障樹模型的某制導(dǎo)系統(tǒng)可靠性分析[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2007（3）：65-67.

[2]張森.基于故障樹的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析方法研究與軟件研制[D].西南交通大學(xué)，2007.

[3]李艷琴.基于故障樹的汽車檢測系統(tǒng)可靠性分析[D].吉林大學(xué)，2008.

[4]王超.電力系統(tǒng)可靠性評估中的幾個重要問題研究[D].浙江大學(xué)，2007.

[5]王萍，楊保年.基于故障樹的地鐵車輛客室自動門系統(tǒng)可靠性分析[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013（2）：47-49.