故障樹分析法在泵站機電設備故障診斷及預防中的應用

劉圣亞，孟 瑋，程 旺

（江蘇省太湖地區水利工程管理處，江蘇 蘇州 215128）

1993泵站機組是泵站的核心設備，隨著科技的發展，越來越多的高新技術運用在泵站機組上，隨之而來的是泵站設備組成、功能復雜程度的提高。當設備發生故障時，現場技術人員仍然是結合圖紙和已有的經驗進行判定，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揮巨大優勢，有效地判斷機電設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）是安全系統和可靠度工程領域的重要分析方法之一。故障樹分析法是結合診斷目標的結構和功能性而構建的故障分析模型，將故障現象作為頂事件，將直接或間接導致頂事件發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，由上而下分析，最終可以迅速定位出對應的底事件，即故障原因[1]。

故障樹分析法的特征有如下三點：（1）明確展現各個事件之間的因果關系，針對導致故障現象形成的各種誘因和邏輯關系進行簡單且直觀的判別，從而幫助技術人員準確快速地找出故障源。（2）利用定性分析能夠明確系統故障情況，故障樹分析法可以準確找到系統中可能存在故障隱患的點位，通過有關措施來分析各種事件可能帶來的故障嚴重程度，進而為故障的預防和解決提供了條件。（3）故障樹分析法不僅可以準確迅速地定位故障，還可以借助相關技術定量分析出事故發生的概率，通過故障發生概率的判斷與運算，能夠給予系統最佳的安全控制目標，從而實現內部指標的量化。

1.2 故障樹的構建過程

在故障樹建立前，制定者需要搜集被研究系統的技術資料，對該系統的結構、原理進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。將最不希望出現的故障類型作為頂事件，通常頂事件會對系統的穩定運作帶來嚴重影響，同時還會導致各種安全事故，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。不希望發生的故障類型可能不止一種，因此一個系統可以構建多個故障樹，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建步驟，在確定了一個頂事件之后，就可以將其當作項，由上至下分析導致頂事件發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行連接，符號可以表明兩個事件之間的固有聯系或誘導因素，之后仍然以從上至下的順序流程來逐層向下分析與設計，直到明確導致系統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可以導致頂事件的發生，元件1或元件2發生故障會引發故障1，元件3和元件4同時發生故障，才會引發故障2。

具體操作步驟如下：第一步，技術人員應該對設備系統的組成、功能、原理進行全方位的了解。第二步，合理設定頂事件，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，找出故障產生的原因，將各個事件通過邏輯關系連接起來，建立故障樹。第四步，故障的搜查和確定，結合已建的故障樹來搜查各種故障因素和故障表現，通常利用邏輯推理診斷法來實現故障搜查[2]。第五步，根據遇到的故障和設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組進水閘門故障診斷中的應用

2.1 常熟水利樞紐泵站機組進水閘門啟閉機控制原理

常熟水利樞紐泵站有9臺立式軸流泵，流道為“X”形，長江側和內河側皆設置了2扇閘門，1扇進水閘門和1扇出水閘門，通過控制兩側的進出水閘門來切換“灌溉”和“排澇”的狀態，進出水閘門機電設備一旦出現故障，就會導致進出水閘門不能動作，使對應的機組無法運行，因此在故障發生后，需要迅速找出故障并及時對其進行檢修。進水閘門啟閉機控制原理圖如圖2所示。在圖2中，FU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為現場動作按鈕，1K、2K是上位機的動作按鈕，QF是低壓斷路器，K是選擇工況的轉換開關，XXWD、XXWJ、SXWD、SXWJ分別是閘門行程開關的電子下限位、機械下限位、電子上限位、機械上限位。在控制回路當中，當元器件都處于正常狀態時，通過現場或者上位機的動作按鈕來給出一個觸發信號，對應的交流接觸器線圈得電，主觸點由斷開變為閉合，主回路導通，輔助觸點由斷開變為閉合形成自保持，電機啟動開始給進水閘門提供動力。

圖2 常熟水利樞紐泵站機組長江側進水閘門啟閉機控制原理圖

2.2 進水閘門故障樹的建立

先確定故障樹的頂事件為“進水門無法動作”，按照進水門控制原理圖及現場實際檢修經驗，第一層中間事件可以分為“電器故障”和“機械故障”，進水閘門故障樹如圖3所示。圖3中最下面一層的事件就是底事件，在發現進水閘門無法動作后，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行檢修。

圖3 進水閘門故障樹

3 機電設備故障的診斷與預防

3.1 結合自動化監控系統進行診斷

自動化監控系統已經普遍應用于泵站中，一般情況下，當自動化監控系統監測到的設備數據不在正常范圍之內，就說明該設備很可能發生了故障，技術人員就要根據預先設計的流程進行故障診斷。診斷故障時，可以將故障樹中的頂事件、中間事件、底事件與現場的異常情況對應起來，結合故障樹各個事件之間的邏輯關系，對不同時段、類型的異常數據進行分析對比，從而迅速診斷出故障的位置。應盡可能地將故障樹中的底事件輸入監控系統數據庫中，以便獲得更多的故障檢測信息，從而提高檢修效率[3]。

3.2 設備故障的預防

可以通過對已有的故障進行分析，舉一反三，觸類旁通，設想出其他可能導致該結果的底事件，也可以借助專家的經驗，不斷完善泵站各個系統設備的故障樹。隨著電器元件和機械部件投入使用的年限增加，發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很久，但是仍然沒有達到更換的期限，這些元器件對應的底事件發生的概率也會增加，從而導致頂事件發生的可能性增大。可以運用大數據技術得出底事件在不同時間段發生的概率，從而對各個故障樹的頂事件發生的概率進行預估，這樣管理人員在制訂維修保養計劃時可以有所側重，盡可能降低頂事件發生的可能，做到防患于未然，為泵站機電設備的安全穩定運行增添一份保障。

4 結束語

故障的診斷和預防對于泵站設備的安全運行具有重要意義，在設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。對系統可能出現的各種故障進行歸納整理，不斷地完善故障樹，并結合故障樹制訂相應的維修養護計劃，可以較好地預防故障的發生，提高泵站設備的安全性和可靠性。