故障樹分析法在泵站機(jī)電設(shè)備故障診斷及預(yù)防中的應(yīng)用

劉圣亞，孟 瑋，程 旺

（江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處，江蘇 蘇州 215128）

1993泵站機(jī)組是泵站的核心設(shè)備，隨著科技的發(fā)展，越來越多的高新技術(shù)運(yùn)用在泵站機(jī)組上，隨之而來的是泵站設(shè)備組成、功能復(fù)雜程度的提高。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，現(xiàn)場技術(shù)人員仍然是結(jié)合圖紙和已有的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判定，易造成分析不全面、排除故障耗時長。而故障樹分析法在這一方面上能夠發(fā)揮巨大優(yōu)勢，有效地判斷機(jī)電設(shè)備的安全性與故障影響因素，從而為維修人員及時檢修提供便利，并為管理人員制訂計劃提供支撐。

1 故障樹分析法

1.1 故障樹的基本特征

故障樹分析法（Fault Tree Analysis,FTA）是安全系統(tǒng)和可靠度工程領(lǐng)域的重要分析方法之一。故障樹分析法是結(jié)合診斷目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和功能性而構(gòu)建的故障分析模型，將故障現(xiàn)象作為頂事件，將直接或間接導(dǎo)致頂事件發(fā)生的因素作為中間事件，將最基本的故障原因作為底事件，通過“與”“或”等邏輯門將頂事件、中間事件和底事件連接起來，形成一個樹狀圖，得到一個定性的因果模型。故障樹建立以后，從頂事件出發(fā)，由上而下分析，最終可以迅速定位出對應(yīng)的底事件，即故障原因[1]。

故障樹分析法的特征有如下三點(diǎn)：（1）明確展現(xiàn)各個事件之間的因果關(guān)系，針對導(dǎo)致故障現(xiàn)象形成的各種誘因和邏輯關(guān)系進(jìn)行簡單且直觀的判別，從而幫助技術(shù)人員準(zhǔn)確快速地找出故障源。（2）利用定性分析能夠明確系統(tǒng)故障情況，故障樹分析法可以準(zhǔn)確找到系統(tǒng)中可能存在故障隱患的點(diǎn)位，通過有關(guān)措施來分析各種事件可能帶來的故障嚴(yán)重程度，進(jìn)而為故障的預(yù)防和解決提供了條件。（3）故障樹分析法不僅可以準(zhǔn)確迅速地定位故障，還可以借助相關(guān)技術(shù)定量分析出事故發(fā)生的概率，通過故障發(fā)生概率的判斷與運(yùn)算，能夠給予系統(tǒng)最佳的安全控制目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部指標(biāo)的量化。

1.2 故障樹的構(gòu)建過程

在故障樹建立前，制定者需要搜集被研究系統(tǒng)的技術(shù)資料，對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行全面而又透徹的研究。主要有以下兩個方面：一方面，選擇好頂事件。將最不希望出現(xiàn)的故障類型作為頂事件，通常頂事件會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作帶來嚴(yán)重影響，同時還會導(dǎo)致各種安全事故，屬于重大影響事件。不過頂事件也要有較為具體的定義，同時還需要具備可分解性。不希望發(fā)生的故障類型可能不止一種，因此一個系統(tǒng)可以構(gòu)建多個故障樹，同時頂事件也可以是多個事件。另一方面，需要明確故障樹的構(gòu)建步驟，在確定了一個頂事件之后，就可以將其當(dāng)作項(xiàng)，由上至下分析導(dǎo)致頂事件發(fā)生的中間事件和底事件。第一級的中事件可以利用一些符號和頂事件及二級中事件進(jìn)行連接，符號可以表明兩個事件之間的固有聯(lián)系或誘導(dǎo)因素，之后仍然以從上至下的順序流程來逐層向下分析與設(shè)計，直到明確導(dǎo)致系統(tǒng)故障問題的所有誘因。一個簡單的故障樹如圖1所示。

圖1 故障樹原理示意圖

從圖3中可以看出，故障1或故障2可以導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，元件1或元件2發(fā)生故障會引發(fā)故障1，元件3和元件4同時發(fā)生故障，才會引發(fā)故障2。

具體操作步驟如下：第一步，技術(shù)人員應(yīng)該對設(shè)備系統(tǒng)的組成、功能、原理進(jìn)行全方位的了解。第二步，合理設(shè)定頂事件，通常將待診斷的故障作為頂事件，頂事件的定義要明確。第三步，從頂事件開始向下逐層展開，找出故障產(chǎn)生的原因，將各個事件通過邏輯關(guān)系連接起來，建立故障樹。第四步，故障的搜查和確定，結(jié)合已建的故障樹來搜查各種故障因素和故障表現(xiàn)，通常利用邏輯推理診斷法來實(shí)現(xiàn)故障搜查[2]。第五步，根據(jù)遇到的故障和設(shè)想的故障不斷完善故障樹。

2 故障樹分析法在常熟水利樞紐泵站機(jī)組進(jìn)水閘門故障診斷中的應(yīng)用

2.1 常熟水利樞紐泵站機(jī)組進(jìn)水閘門啟閉機(jī)控制原理

常熟水利樞紐泵站有9臺立式軸流泵，流道為“X”形，長江側(cè)和內(nèi)河側(cè)皆設(shè)置了2扇閘門，1扇進(jìn)水閘門和1扇出水閘門，通過控制兩側(cè)的進(jìn)出水閘門來切換“灌溉”和“排澇”的狀態(tài)，進(jìn)出水閘門機(jī)電設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，就會導(dǎo)致進(jìn)出水閘門不能動作，使對應(yīng)的機(jī)組無法運(yùn)行，因此在故障發(fā)生后，需要迅速找出故障并及時對其進(jìn)行檢修。進(jìn)水閘門啟閉機(jī)控制原理圖如圖2所示。在圖2中，F(xiàn)U為熔斷器，KA和SQA為中間繼電器，KM為交流接觸器，KH為熱繼電器，SB為現(xiàn)場動作按鈕，1K、2K是上位機(jī)的動作按鈕，QF是低壓斷路器，K是選擇工況的轉(zhuǎn)換開關(guān)，XXWD、XXWJ、SXWD、SXWJ分別是閘門行程開關(guān)的電子下限位、機(jī)械下限位、電子上限位、機(jī)械上限位。在控制回路當(dāng)中，當(dāng)元器件都處于正常狀態(tài)時，通過現(xiàn)場或者上位機(jī)的動作按鈕來給出一個觸發(fā)信號，對應(yīng)的交流接觸器線圈得電，主觸點(diǎn)由斷開變?yōu)殚]合，主回路導(dǎo)通，輔助觸點(diǎn)由斷開變?yōu)殚]合形成自保持，電機(jī)啟動開始給進(jìn)水閘門提供動力。

圖2 常熟水利樞紐泵站機(jī)組長江側(cè)進(jìn)水閘門啟閉機(jī)控制原理圖

2.2 進(jìn)水閘門故障樹的建立

先確定故障樹的頂事件為“進(jìn)水門無法動作”，按照進(jìn)水門控制原理圖及現(xiàn)場實(shí)際檢修經(jīng)驗(yàn)，第一層中間事件可以分為“電器故障”和“機(jī)械故障”，進(jìn)水閘門故障樹如圖3所示。圖3中最下面一層的事件就是底事件，在發(fā)現(xiàn)進(jìn)水閘門無法動作后，可以按上述故障樹一層一層地向下分析，快速定位底事件并及時進(jìn)行檢修。

圖3 進(jìn)水閘門故障樹

3 機(jī)電設(shè)備故障的診斷與預(yù)防

3.1 結(jié)合自動化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行診斷

自動化監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用于泵站中，一般情況下，當(dāng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到的設(shè)備數(shù)據(jù)不在正常范圍之內(nèi)，就說明該設(shè)備很可能發(fā)生了故障，技術(shù)人員就要根據(jù)預(yù)先設(shè)計的流程進(jìn)行故障診斷。診斷故障時，可以將故障樹中的頂事件、中間事件、底事件與現(xiàn)場的異常情況對應(yīng)起來，結(jié)合故障樹各個事件之間的邏輯關(guān)系，對不同時段、類型的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，從而迅速診斷出故障的位置。應(yīng)盡可能地將故障樹中的底事件輸入監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以便獲得更多的故障檢測信息，從而提高檢修效率[3]。

3.2 設(shè)備故障的預(yù)防

可以通過對已有的故障進(jìn)行分析，舉一反三，觸類旁通，設(shè)想出其他可能導(dǎo)致該結(jié)果的底事件，也可以借助專家的經(jīng)驗(yàn)，不斷完善泵站各個系統(tǒng)設(shè)備的故障樹。隨著電器元件和機(jī)械部件投入使用的年限增加，發(fā)生故障的概率也會增加。如果某些元器件投入使用的時間已經(jīng)很久，但是仍然沒有達(dá)到更換的期限，這些元器件對應(yīng)的底事件發(fā)生的概率也會增加，從而導(dǎo)致頂事件發(fā)生的可能性增大。可以運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)得出底事件在不同時間段發(fā)生的概率，從而對各個故障樹的頂事件發(fā)生的概率進(jìn)行預(yù)估，這樣管理人員在制訂維修保養(yǎng)計劃時可以有所側(cè)重，盡可能降低頂事件發(fā)生的可能，做到防患于未然，為泵站機(jī)電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行增添一份保障。

4 結(jié)束語

故障的診斷和預(yù)防對于泵站設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義，在設(shè)備故障診斷時利用故障樹分析法能夠提高故障檢測與診斷的效率。對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行歸納整理，不斷地完善故障樹，并結(jié)合故障樹制訂相應(yīng)的維修養(yǎng)護(hù)計劃，可以較好地預(yù)防故障的發(fā)生，提高泵站設(shè)備的安全性和可靠性。