FTA在工業(yè)氣體探測報警系統(tǒng)中的應(yīng)用

史東東　于蓮芝

摘 要：工業(yè)氣體探測報警系統(tǒng)在運行過程中，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)氣體探測報警系統(tǒng)失效為頂上事件的故障樹，運用算術(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)氣體探測報警系統(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：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：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)氣體探測報警器監(jiān)測可燃?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，主控室報警控制器便會報警[34]。若控制系統(tǒng)失靈就會帶來嚴(yán)重后果，對工人生命造成重大危害，對企業(yè)財產(chǎn)造成重大損失。本文通過故障樹分析法對控制系統(tǒng)以往發(fā)生的故障進(jìn)行分析，以工業(yè)氣體探測報警系統(tǒng)為建模對象，總結(jié)出有效的預(yù)防方法，以提高可燃?xì)怏w檢測報警器的可靠性[5]。

1 FTA

1.1 FTA簡介

故障樹分析法（FTA）是一種自頂向下識別系統(tǒng)故障的方法，由貝爾實驗室的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

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

故障樹中使用的每一種符號都有特殊含義，見圖1。①矩形符號表示事件或最終故障即頂上事件；②或門符號表示有兩種及以上事件中任何一種事件發(fā)生都有效；③與門符號表示兩種及以上事件共同發(fā)生時才有效；④圓形符號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對控制系統(tǒng)出現(xiàn)過的各種故障進(jìn)行調(diào)查并統(tǒng)計分析；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故障樹底層事件進(jìn)行重要度排序；⑦通過對事故樹的定量分析，運用基本事件發(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)氣體探測報警系統(tǒng)

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

3 FTA應(yīng)用

通過對工業(yè)探測報警系統(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警控制器、氣體探測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不發(fā)生，則頂上事件就不會發(fā)生。

通過定性分析結(jié)果可知，在工業(yè)氣體探測報警系統(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)致整個系統(tǒng)的安全性和可靠性很低。當(dāng)現(xiàn)場的可燃?xì)怏w和有毒氣體濃度超標(biāo)時，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警控制器中，控制器不報警，工作人員誤以為現(xiàn)場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)字信號或電流電壓信號時，控制系統(tǒng)也會失效。通信失效會使控制系統(tǒng)的安全性和可靠性降低。氣體探測器和氣體報警器供電電源出現(xiàn)故障會導(dǎo)致控制系統(tǒng)失效，若工作人員發(fā)現(xiàn)不及時則可能發(fā)生重大事故；氣體報警控制器芯片內(nèi)存因長期記錄數(shù)據(jù)而造成存儲空間不足，會使控制系統(tǒng)維持在一個正常或報警狀態(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)生概率來計算頂上事件發(fā)生概率，通過重要度計算判別底事件對頂上事件的影響程度進(jìn)行排序。

由于氣體探測報警系統(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)為兩個以及兩個以上故障不會同時發(fā)生，相互之間為互斥事件。假設(shè)任意一個底事件Xi發(fā)生的概率為0.001，頂上事件的概率為Pr（T），則 ：

3.3 底事件重要度計算

重要度是指系統(tǒng)中各個部件發(fā)生故障時對系統(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個底事件，每個底事件發(fā)生的概率為Fi，i=1，2，……，n。則第i個底事件概率重要度定義為FiPr（T）。

工業(yè)氣體探測報警系統(tǒng)出現(xiàn)故障的14個底事件發(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

通過對工業(yè)氣體探測報警系統(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，對氣體探測器中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和氣體報警控制器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行經(jīng)常性測試，以此確定是否正常工作[10]。對氣體探測器和氣體報警控制器之間的通信部分進(jìn)行周期性檢測，確保不受外界環(huán)境影響。整個系統(tǒng)供電設(shè)置兩個備用供電系統(tǒng)，防備系統(tǒng)斷電影響設(shè)備運行。為確保設(shè)備不受外界溫度影響，可在設(shè)備放置地點安裝空調(diào)來調(diào)節(jié)溫度。

參考文獻(xiàn)：

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[9] 史藝.通信儀器儀表理論與實踐[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2012.

[10] 邱勇進(jìn).常用電子儀器儀表的使用與速修技巧[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）