FTA在工業氣體探測報警系統中的應用

史東東　于蓮芝

摘 要：工業氣體探測報警系統在運行過程中，常有各種故障發生，使系統安全性和可靠性降低。為減少系統故障率，采用故障樹分析法（FTA），建立以工業氣體探測報警系統失效為頂上事件的故障樹，運用算術邏輯關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，給出預防和維護措施，以提高工業氣體探測報警系統可靠性。

關鍵詞：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

文獻標識碼：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域，如何消除隱患、控制系統安全性和可靠性備受關注[1]。為保證系統安全運行，就要找出導致控制系統發生故障的全部因素，然后逐步分析，得出結論，消除隱患，才可進行有效預防以減少事故發生[2]。

制藥廠生產車間使用工業氣體探測報警器監測可燃氣體和有毒氣體濃度是否在規定的安全范圍之內，如果超出范圍，主控室報警控制器便會報警[34]。若控制系統失靈就會帶來嚴重后果，對工人生命造成重大危害，對企業財產造成重大損失。本文通過故障樹分析法對控制系統以往發生的故障進行分析，以工業氣體探測報警系統為建模對象，總結出有效的預防方法，以提高可燃氣體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，作為研究控制系統發生某一故障時建立的一種倒立樹狀邏輯因果關系圖。通過使用算術邏輯推理，對控制系統出現故障的各種因素層層分析，找出最小割集，確定控制系統發生故障的各種因素組合方式以及發生概率，計算出控制系統發生此故障的概率，提供預防方式，以提高控制系統的可靠性[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防控制系統故障，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：由控制系統各部分失效的概率求出系統失效概率，求出事件的結構重要度、概率重要度和關鍵重要度，最終根據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生都有效；③與門符號表示兩種及以上事件共同發生時才有效；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，詳細了解控制系統各部分參數；②對控制系統出現過的各種故障進行調查并統計分析；③確定故障樹模型的最上層事件也就是頂上事件；④調查與頂上事件所有相關的原因事件；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，運用基本事件發生概率求出頂上事件發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行排序；⑧由定性和定量分析結果，制定有效的預防措施以及改進措施。

2 工業氣體探測報警系統

工業氣體探測報警系統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，主要對各監測點進行控制。可燃氣體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置氣體傳感器，可有效檢測出可燃氣體以及有毒氣體濃度，可將檢測到的氣體濃度轉換成電信號，通過線纜傳輸到報警控制器。可燃氣體和有毒氣體濃度越高，電信號越強，當氣體濃度達到或超過氣體報警控制器設置的報警點時，氣體報警控制器發出報警信號，并啟動電磁閥、排氣扇等外聯設備，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應用

通過對工業探測報警系統發生的相關事故記錄以及故障總結，確定控制系統報警失效為頂上事件。造成頂上事件發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行排列，組成基本事件，包括設備采集故障、電源故障、數據轉換故障等，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生的基本事件稱為最小割集。最小割集中只要有一個不發生，則頂上事件就不會發生。

通過定性分析結果可知，在工業氣體探測報警系統所出現的所有故障中，數據采集設備出現故障導致整個系統的安全性和可靠性很低。當現場的可燃氣體和有毒氣體濃度超標時，傳感器不能采集數據，不能通過通信設備傳送到主控室的氣體報警控制器中，控制器不報警，工作人員誤以為現場氣體濃度在正常范圍內。其次是數據轉換故障：當采集到的數據不能轉換成數字信號或電流電壓信號時，控制系統也會失效。通信失效會使控制系統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故障會導致控制系統失效，若工作人員發現不及時則可能發生重大事故；氣體報警控制器芯片內存因長期記錄數據而造成存儲空間不足，會使控制系統維持在一個正常或報警狀態，造成工作人員誤解；只有長期在極端惡劣的天氣狀況下，溫度設備才會出現一些小故障，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生概率來計算頂上事件發生概率，通過重要度計算判別底事件對頂上事件的影響程度進行排序。

由于氣體探測報警系統的安全性和可靠性程度比較高，各部分元件的失效概率遠遠小于0.1，因此可認為兩個以及兩個以上故障不會同時發生，相互之間為互斥事件。假設任意一個底事件Xi發生的概率為0.001，頂上事件的概率為Pr（T），則 ：

3.3 底事件重要度計算

重要度是指系統中各個部件發生故障時對系統發生概率的貢獻程度，重要度分為概率重要度和結構重要度。

（1）概率重要度指底事件發生的概率引起頂上事件發生概率的變化程度。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）。

工業氣體探測報警系統出現故障的14個底事件發生概率以及頂上事件發生概率得到的底事件概率重要度數據見表1。

4 結語

通過對工業氣體探測報警系統頂上事件建立事故樹進行定性分析和定量分析，為提高系統可靠性，對氣體探測器中的數據采集設備和氣體報警控制器中的數據轉換接口進行經常性測試，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行周期性檢測，確保不受外界環境影響。整個系統供電設置兩個備用供電系統，防備系統斷電影響設備運行。為確保設備不受外界溫度影響，可在設備放置地點安裝空調來調節溫度。

參考文獻：

[1] 丁輝，靳江紅，汪彤.控制系統的功能安全評估[M].北京：化學工業出版社，2016.

[2] 胡昌華，許化龍.控制系統故障診斷與容錯控制的分析和設計[M].北京：國防工業出版社，2000.

[3] GOBLE W，CHEDDIE H.Control system safety evaluation and reliability[M].US：ISA，1998.

[4] 李岳峰.功能安全國家標準研究[D].杭州：浙江大學，2007.

[5] 周寧，馬建偉，胡博，等.基于故障樹分析的電力變壓器可靠性跟蹤方法[J].應用研究，2012（19）：2526.

[6] 朱繼洲.故障樹原理和應用[M].西安：西安交通大學出版社，1989.

[7] 劉東，張紅林，王波，等.動態故障樹分析法[M].北京：國防工業出版社，2013.

[8] 海濤.傳感器與檢測技術[M].重慶：重慶大學出版社，2016.

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

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

（責任編輯：杜能鋼）