基于故障樹(shù)的全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備故障診斷

孫 敏，侯為萍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176）

基于故障樹(shù)的全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備故障診斷

孫 敏，侯為萍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176）

針對(duì)全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，使用故障樹(shù)方法建立本系統(tǒng)故障樹(shù)模型，對(duì)本系統(tǒng)故障進(jìn)行定性分析。得到的各個(gè)故障頂事件的最小割集構(gòu)成了系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)使用數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件Microsoft Access處理編輯數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，利用Microsoft Visual C++6.0編寫查詢?cè)\斷軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)濕法清洗設(shè)備故障快速查詢?cè)\斷，以及對(duì)故障處理方法的快速查詢。

故障樹(shù)；全自動(dòng)濕法清洗；故障診斷

近年來(lái)隨著半導(dǎo)體行業(yè)快速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)濕法清洗設(shè)備的全自動(dòng)化已經(jīng)逐漸成熟完善。高生產(chǎn)效率的要求，使得全自動(dòng)清洗設(shè)備在故障診斷與處理方面也需要及時(shí)與準(zhǔn)確。傳統(tǒng)的故障后維修已經(jīng)發(fā)展到在線診斷、事先預(yù)報(bào)和自我修復(fù)方式。使用故障分析可以在設(shè)計(jì)最初的時(shí)候就避免頻繁故障率的發(fā)生，并且就設(shè)計(jì)出針對(duì)各種故障做出的修復(fù)方法。

全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備通過(guò)觸摸屏或者按鈕進(jìn)行工藝需求的輸入，然后通過(guò)PLC或者工控機(jī)進(jìn)行指令處理、邏輯運(yùn)算并且發(fā)出指令，通過(guò)控制氣動(dòng)或者電動(dòng)執(zhí)行元件來(lái)達(dá)到最初要求的實(shí)現(xiàn)，比如自動(dòng)傳輸系統(tǒng)傳輸物料的順序，以及濕法清洗的時(shí)間溫度等，再由各類傳感器將當(dāng)前狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)，不需要人工參與的就由控制系統(tǒng)自動(dòng)控制完成，如果人為需要進(jìn)行參與也可進(jìn)行控制。全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備開(kāi)放程度高，客戶可操作的自由度大，增加了設(shè)備的復(fù)雜程度，導(dǎo)致單一原因能夠引發(fā)多重故障的復(fù)雜狀態(tài)，也給故障診斷增加了大量的冗余和復(fù)雜的工作。人為分析故障原因，基本使用排除法以及經(jīng)驗(yàn)方法，導(dǎo)致故障診斷時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，導(dǎo)致生產(chǎn)瓶頸。

1 故障樹(shù)分析和專家系統(tǒng)

故障樹(shù)分析（Fault Tree Analysis，簡(jiǎn)稱 FTA）方法，利用故障樹(shù)將系統(tǒng)故障原因自頂向下逐級(jí)進(jìn)行分析，估計(jì)頂事件的發(fā)生概率和底事件重要度，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可靠性分析的有效辦法，以及故障檢測(cè)與診斷常用的一種分析方法。這種方法通過(guò)把系統(tǒng)可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的事故（即頂事件）作為分析起點(diǎn)，將導(dǎo)致事故的原因事件按因果關(guān)系逐層列出，用樹(shù)形圖表示出來(lái)，構(gòu)成一種邏輯模型。找出事件發(fā)生的各種可能途徑及發(fā)生概率，找出避免事故發(fā)生的各種方案并優(yōu)選出最佳安全對(duì)策。故障樹(shù)分析方法因果關(guān)系清晰、形象。對(duì)導(dǎo)致事故的各種原因及邏輯關(guān)系能做出全面、簡(jiǎn)潔和形象的描述，快速推斷故障原因所在，從而使有關(guān)人員了解和掌握安全控制的要點(diǎn)和措施，即定性分析。

1.1 故障樹(shù)分析步驟

為了將故障樹(shù)技術(shù)作為一個(gè)系統(tǒng)分析方法有效地應(yīng)用，其分析的一般步驟為：

（1）定義分析的范圍。首先要確定需要分析解決問(wèn)題的系統(tǒng)范圍，包含了哪些內(nèi)容，哪些內(nèi)容不用涉及；

（2）熟悉掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、功能及運(yùn)行，包括設(shè)計(jì)資料、使用維護(hù)資料以及用戶信息等；

（3）選擇和定義頂事件。頂事件是系統(tǒng)最不希望發(fā)生的事件，或是制定進(jìn)行邏輯分析的故障事件；

（4）分析頂事件。尋找引起頂事件發(fā)生的直接的必要和充分原因；

（5）建立故障樹(shù)；

（6）對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性分析。首先簡(jiǎn)化故障樹(shù)，然后再求出最小割集；

（7）對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定量分析。首先求頂事件的發(fā)生概率，再進(jìn)行重要度分析；

（8）確定設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)前面做出的定性和定量分析，找到設(shè)計(jì)上的問(wèn)題所在；

（9）提出解決方案。對(duì)于可改變的薄弱環(huán)節(jié)可進(jìn)行修改，對(duì)于無(wú)法改進(jìn)的問(wèn)題可提出降低故障率的解決方法。

1.2 故障樹(shù)的最小割集

故障樹(shù)定性分析的主要任務(wù)是求出故障樹(shù)的全部最小割集，進(jìn)行定性重要度分析，設(shè)故障樹(shù)有 n 個(gè)底事件 x1，x2，…xn，C={xi1，xi2，…xim，}為其中一些底事件的一組集合，當(dāng)集合中的全部基本事件都已發(fā)生，或稱集合C發(fā)生時(shí)，頂事件必定發(fā)生，則集合C是故障樹(shù)的一個(gè)割集，假設(shè)C是一個(gè)故障樹(shù)的割集，若集合C中任意去掉一個(gè)基本事件后，余下的集合不再是故障樹(shù)的割集時(shí)，則稱集合C是一個(gè)最小割集，最小割集是中間事件發(fā)生的最小組合，如果這個(gè)組合的中間事件失效，將導(dǎo)致頂事件發(fā)生，求出最小割集后按器容量（割集階數(shù)）排成一定順序，可定性地反映出故障因素以及中間事件的失效重要度。

1.3 串聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在可靠性模型中，當(dāng)系統(tǒng)任何一個(gè)零部件的失效將導(dǎo)致系統(tǒng)失效時(shí)，這些構(gòu)件是一個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)。而在相應(yīng)的故障樹(shù)模型中，這些門或事件將全部輸入一個(gè)或門。

由n個(gè)獨(dú)立框圖構(gòu)成的系統(tǒng)，其頂事件的可靠性值為：

此串聯(lián)系統(tǒng)中，每一個(gè)單獨(dú)事件必須發(fā)生，整個(gè)系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。用故障率F（t）進(jìn)行描述（是可靠性的概率補(bǔ)充），F(xiàn)（t）=1-R（t），由n個(gè)獨(dú)立輸入門或者事件構(gòu)成的或門，其不希望出現(xiàn)事件發(fā)生的概率為：

冗余故障原因可能負(fù)載共享的模式，當(dāng)一個(gè)故障原因發(fā)生時(shí)，未發(fā)生的上一層故障原因的發(fā)生率可能會(huì)增加，這種概率的變化將破壞采用簡(jiǎn)單與或門的獨(dú)立性的要求。當(dāng)系統(tǒng)處于一種條件冗余，即可靠度相等的n個(gè)部件中，有k個(gè)工作時(shí)，系統(tǒng)就能正常工作，其可靠性數(shù)學(xué)表達(dá)為：

故障率為：

2 全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備系統(tǒng)

全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備是主系統(tǒng)，它由子系統(tǒng)組成，這些子系統(tǒng)包括自動(dòng)傳輸系統(tǒng)、加熱制冷系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、液體輸送系統(tǒng)、抖動(dòng)攪拌系統(tǒng)、超聲系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)視控制系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)會(huì)互相關(guān)聯(lián)，互相影響，造成了故障分析時(shí)的復(fù)雜和繁瑣。全自動(dòng)濕法清洗系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備各系統(tǒng)關(guān)系圖

2.1 自動(dòng)傳輸系統(tǒng)

全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備只需要在上料臺(tái)將物料成批放置好后，所有過(guò)程都會(huì)自動(dòng)完成，最后只需要在下料臺(tái)將清洗處理好的物料取下。其中的物料傳輸過(guò)程都是通過(guò)機(jī)械手來(lái)自動(dòng)完成。自動(dòng)傳輸系統(tǒng)包括上下料臺(tái)氣動(dòng)或者電機(jī)帶動(dòng)傳輸臺(tái)，以及機(jī)械手臂X和Y的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，還有完成夾取物料工作的機(jī)械手抓。所以自動(dòng)傳輸系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)是有重疊的兩個(gè)系統(tǒng)。

2.2 氣動(dòng)系統(tǒng)

全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備中的氣動(dòng)系統(tǒng)屬于基礎(chǔ)動(dòng)力系統(tǒng)，他包括了動(dòng)力傳輸系統(tǒng)中一些直線行程氣缸，安全防護(hù)系統(tǒng)中槽蓋的旋轉(zhuǎn)氣缸或者直線行程氣缸，電氣箱和超聲電源里保護(hù)吹掃的氮?dú)猓D(zhuǎn)干燥系統(tǒng)吹掃的氮?dú)?，液體控制系統(tǒng)中液位傳感器中使用的氮?dú)庖约皻鈩?dòng)泵和閥的動(dòng)力。所以氣動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)傳輸系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、液體控制系統(tǒng)以及超聲系統(tǒng)都有重疊的內(nèi)容。

2.3 液體控制系統(tǒng)

全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備中參與工藝處理的是液體，所以液體控制系統(tǒng)是設(shè)備中的重要系統(tǒng)。液體控制系統(tǒng)包括了化學(xué)液供液、排放、槽體、循環(huán)過(guò)濾等。槽體會(huì)根據(jù)化學(xué)液種類的不同采用不同的材質(zhì)，需要一些功能，比如說(shuō)藥液循環(huán)過(guò)濾或者超聲波清洗，或者鼓吹氮?dú)?，都需要不同的槽體形狀設(shè)計(jì)。液體控制系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)以及超聲系統(tǒng)都有重疊。

2.4 旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)

系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)一般在下料臺(tái)前的一個(gè)槽位，是在下料步驟之前將清洗的物料通過(guò)旋轉(zhuǎn)甩干以及吹熱氮?dú)膺M(jìn)行干燥。旋轉(zhuǎn)甩干通過(guò)電機(jī)系統(tǒng)完成，吹出熱氮?dú)馐峭ㄟ^(guò)加熱管在線加熱流動(dòng)的氮?dú)?。所以旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)以及加熱冷卻系統(tǒng)都有重疊。

2.5 加熱冷卻系統(tǒng)

槽體內(nèi)的藥液或者氣體進(jìn)行加熱的方法有加熱膜、投入式加熱器、水浴加熱以及在線加熱幾種方法。有些化學(xué)反應(yīng)是放熱的，則需要通過(guò)冷卻的辦法來(lái)控制溫度。排放的液體如果超過(guò)管道承受溫度，也需要先進(jìn)行冷卻再進(jìn)行排放。超聲震板可能會(huì)產(chǎn)生不需要的熱量，同樣也需要冷卻來(lái)控制液體溫度。加熱或者冷卻系統(tǒng)都需要溫度傳感器以及溫度控制器來(lái)進(jìn)行溫度閉環(huán)控制。加熱冷卻系統(tǒng)和超聲系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、液體控制系統(tǒng)都有重疊。

2.6 安全防護(hù)系統(tǒng)和監(jiān)視控制系統(tǒng)

安全防護(hù)系統(tǒng)貫穿整個(gè)全自動(dòng)濕法清洗系統(tǒng)。使用和生產(chǎn)都必須在安全的前提下進(jìn)行。每一個(gè)系統(tǒng)在能正常使用同時(shí)都應(yīng)該將安全因素考慮進(jìn)去，所以安全故障是各個(gè)系統(tǒng)的第一位故障。安全防護(hù)系統(tǒng)包括基本的滅火系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)以及防泄漏系統(tǒng)，還包括各個(gè)系統(tǒng)中安全為前提的運(yùn)行保護(hù)，比如加熱的溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)、液位傳感器、機(jī)械手臂的防撞開(kāi)關(guān)、超聲電源的吹氮?dú)獗Ｗo(hù)以及在線加熱或者循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)中的流量傳感器等。

各個(gè)系統(tǒng)的控制及狀態(tài)的反饋都通過(guò)監(jiān)視控制系統(tǒng)來(lái)完成，監(jiān)視控制系統(tǒng)包括觸摸顯示屏、按鈕、警報(bào)器、燈塔以及手操器等。各個(gè)系統(tǒng)預(yù)期達(dá)到的目的以及現(xiàn)在的狀態(tài)都通過(guò)監(jiān)視控制系統(tǒng)來(lái)控制和監(jiān)視。

所以安全防護(hù)系統(tǒng)包含了所有以上的功能系統(tǒng)，并且被監(jiān)視控制系統(tǒng)包含在內(nèi)。

3 全自動(dòng)濕法清洗系統(tǒng)故障樹(shù)的建立和分析

3.1 全自動(dòng)濕法清洗系統(tǒng)故障樹(shù)的建立

在整個(gè)全自動(dòng)濕法清洗系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中最不希望發(fā)生的故障是自動(dòng)運(yùn)行故障，即自動(dòng)運(yùn)行中斷或者停止不能進(jìn)行。所以自動(dòng)運(yùn)行故障作為故障樹(shù)的頂事件建立故障樹(shù)。各個(gè)系統(tǒng)故障都會(huì)引起自動(dòng)運(yùn)行中斷，所以各個(gè)系統(tǒng)的故障成為或的關(guān)系的中間事件。如圖2，建立了兩層故障因素的故障樹(shù)，主故障樹(shù)分析了由子系統(tǒng)里的直接故障引起的頂事件，這些故障因素稱為中間事件。這里面的故障因素都是中間事件，因?yàn)橄到y(tǒng)相對(duì)龐大一些，可以再給每一個(gè)中間事件建立故障樹(shù)。這樣的樹(shù)稱為子樹(shù)。

圖2所示為以自動(dòng)運(yùn)行為故障頂事件的兩層故障樹(shù)，其中第一層中間事件是各個(gè)系統(tǒng)引起的故障，第二層中間事件是各個(gè)系統(tǒng)中次級(jí)故障事件。每個(gè)次級(jí)事件還有具體的子故障樹(shù)來(lái)表示，在這里以吹熱氮?dú)夤收系腁子樹(shù)作為分析例子，如圖3所示。

3.2 全自動(dòng)濕法清洗系統(tǒng)故障樹(shù)的定性分析

以上面所述為例，氮?dú)饧訜岵荒荛_(kāi)啟作為頂事件的故障子樹(shù)，對(duì)其做定性分析，得出此故障樹(shù)的最小割集。在這個(gè)故障樹(shù)中，事件關(guān)系都是或的關(guān)系。給故障樹(shù)取得代碼，進(jìn)行邏輯運(yùn)算。如圖4所示得到頂事件以及中間事件的最小割集，為數(shù)據(jù)庫(kù)做準(zhǔn)備。其中1代表是，0代表否。

圖2 自動(dòng)運(yùn)行故障樹(shù)兩層中間事件

圖3 吹熱氮?dú)夤收献訕?shù)

圖4 氮?dú)饧訜岵荒荛_(kāi)啟故障樹(shù)代碼

4 全自動(dòng)濕法洗系統(tǒng)故障查詢?cè)\斷系統(tǒng)

建立本故障查詢?cè)\斷系統(tǒng)是在windows系統(tǒng)上利用功能強(qiáng)大的Microsoft Visual C++6.0，操作關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件Microsoft Access構(gòu)建起來(lái)的。在Visual C++6.0中利用ADO（ActiveX Data Object）的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能和SQL語(yǔ)言的查詢功能對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作。

4.1 故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與維護(hù)

整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)故障作為頂事件會(huì)得到如表1的邏輯表，將子邏輯表保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)應(yīng)的是數(shù)據(jù)庫(kù)表中的一條記錄，而整個(gè)故障樹(shù)推理流程圖對(duì)應(yīng)的是數(shù)據(jù)庫(kù)中的一張表。圖5就是加熱冷卻系統(tǒng)故障表格中的一部分。數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件編輯輸入，也可以通過(guò)查詢?cè)\斷系統(tǒng)中高權(quán)限用戶反饋修正與完善。

4.2 查詢?cè)\斷系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在Microsoft Visual C++6.0中利用ADO組件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)，ADO是Microsoft公司推出的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)引擎。診斷軟件可以通過(guò)界面輸入全自動(dòng)清洗系統(tǒng)的故障現(xiàn)象，其中可以是多種現(xiàn)象組合。輸入信息被轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)可識(shí)別代碼，進(jìn)入案例專家?guī)焖褜づc之匹配案例，如果能夠找到匹配案例，那么直接在用戶端輸出故障診斷信息以及解決辦法。如果出現(xiàn)與庫(kù)里案例不匹配的情況，將搜索信息返回搜索情況最相近的案例，比如三種現(xiàn)象中只有兩種或者一種匹配。高權(quán)限用戶也可增加故障現(xiàn)象，編輯修正故障現(xiàn)象的原因與解決辦法。最終診斷軟件部分界面，如圖6所示。

表1 故障樹(shù)各個(gè)事件的割集邏輯

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)中加熱冷卻系統(tǒng)故障部分表格

圖6 全自動(dòng)濕法系統(tǒng)故障查詢?cè)\斷軟件界面

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備的特點(diǎn)，建立了基于故障樹(shù)的分析模型，定性分析后求得各個(gè)故障作為故障樹(shù)的最小割集，得到整個(gè)系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)庫(kù)，使用數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件Microsoft Access處理編輯數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，利用Microsoft Visual C++6.0 中 ADO（ActiveX Data Object）的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能和SQL語(yǔ)言的查詢功能對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作。得到的故障診斷的系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)濕法清洗設(shè)備故障快速查詢?cè)\斷，以及對(duì)故障處理方法的快速查詢。

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Fault Diagnosis of Full-Auto Wet Washing Equipment Based on the Fault Tree

SUN Min，HOU Weiping
（The 45th Research Institute of CETC，Beijing 101601，China）

Abstract:In this article fault tree model is set up direct to the structure and function of the Full-auto wet washing equipment system,then the qualitative analysis is down towards the system faults.The minimum cut sets of the each fault tree top events make up the system fault databank,and then those date are dealt and compiled through using the databank manage soft Microsoft Access.At last the inquiry and diagnosis soft is written buy the Microsoft Visual C++6.0.the full-auto wet washing equipment fault inquiry and diagnosis is achieved,it can consummate and improve the faults data.

Keywords:Fault tree；Full-auto wet washing；Fault diagnosis

TN305

A

1004-4507（2014）07-0022-06

2014-05-16

孫敏（1981-），女，工程師，碩士研究生，畢業(yè)于電子科技大學(xué)機(jī)械電子專業(yè)，現(xiàn)從事半導(dǎo)體濕法清洗設(shè)備的研制。