故障树在控制系统可靠性评估中的应用分析

[导读]在现代流程工业生产中,生产工艺相关的运行参数,如温度、液位、压力、流量等,都是采用仪表进行测量检测,并根据仪表的测量结果通过控制阀门、泵等执行机构使这些工艺运行参数处于要求的范围内以满足工艺生产的需要。目前,在先进的工厂中,这种工艺运行参数的测量检测和执行机构的控制都借助于先进的数字化控制系统来完成,工艺相关的各种生产运行指令都预制在控制系统内,使得控制系统成为生产系统的神经中枢。控制系统的稳定性和可靠性成为整个现代流程工业生产的关键所在,直接影响工厂的经济性和安全性。

引言

在现代流程工业生产中,生产工艺相关的运行参数,如温度、液位、压力、流量等,都是采用仪表进行测量检测,并根据仪表的测量结果通过控制阀门、泵等执行机构使这些工艺运行参数处于要求的范围内以满足工艺生产的需要。目前,在先进的工厂中,这种工艺运行参数的测量检测和执行机构的控制都借助于先进的数字化控制系统来完成,工艺相关的各种生产运行指令都预制在控制系统内,使得控制系统成为生产系统的神经中枢。控制系统的稳定性和可靠性成为整个现代流程工业生产的关键所在,直接影响工厂的经济性和安全性。

可靠性指部件或系统在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力[1]。为评估和计算控制系统的可靠性,在控制系统的设计过程中需要进行可靠性评估,通过可靠性评估来识别控制系统的故障和风险点,进而对控制系统的设计进行优化改进,最终使控制系统的可靠性满足生产运行指标要求。

可靠性评估一般分为定量可靠性评估和定性可靠性评估。定性可靠性评估用于判定一个系统发生故障的可能途径以及确定适当的预防措施,从而减少故障发生的频率,减轻故障的后果。定量可靠性评估通过建立系统数学模型,对系统的各个部分分配可靠性与可用性指标,确定各类故障的概率。本文主要研究可靠性评估中的故障树分析法。

1概述故障树分析法

故障树分析法是评估系统可靠性和安全性的一种有效方法[2]。故障树分析法最早在20世纪60年代由美国贝尔实验室提出,主要用于导弹发射控制系统的可靠性评估,该方法能成功地预测计算出导弹发射失败的概率[3]。其后,故障树分析法在核能设计、航空航天系统、武器设计系统、电子设计、机械设计、化工系统等领域被广泛应用,成为业界技术人员和研究者解决问题的主要技术方法之一[4]。

故障树分析法是以系统失败、单元故障为导向,以系统失败至单元故障的倒立树状图模型为载体,以门描述故障逻辑为内涵,以揭示系统失败原因及计算系统可靠性与单元重要性为目的的故障分析方法[5—6]。通过分析引起故障的原因来识别系统中的薄弱环节,通过消除或减少系统中的薄弱环节来降低故障发生的概率,从而提高系统的可靠性。

2控制系统可靠性计算

2.1控制系统结构

决定控制系统可靠性和可用性指标的一个关键因素就是控制系统的结构。对于由同样的控制系统设备搭建的不同的控制系统结构,每种系统结构的可靠性和可用性指标必然是不同的。控制系统分为非冗余系统和冗余系统,冗余系统又可分为双冗余系统和多重冗余系统。

图1为一典型的双冗余控制系统,系统由两个冗余的通道组成,每个通道由仪表、采集模块、处理单元、输出模块、继电器、电源模块、执行机构等部件组成。仪表为液位传感器,用于测量工艺设备中的液位高低。采集模块为信号输入设备,用于获取传感器信号,经过计算处理后获得液位的实际数值。处理单元用于进行数据处理,根据采集模块获取的数据产生控制输出信号。输出模块为信号输出设备,用于输出控制指令。继电器为执行机构接口,用于将通道1和通道2的输出与执行机构接口相适配。执行机构为气动阀门,是最终的被控设备。除处理单元、电源模块和执行机构外,组成每个通道的其他部件都是独立的,两个通道之间是互不影响的。两个处理单元为冗余热备用结构,当任何一个处理单元故障时,另一个处理单元可以立即投入运行,承担数据处理的任务,通道1和通道2共用冗余处理单元。电源模块为共用系统,为两个通道供电。执行机构为通道1和通道2的共同控制对象。

图1所示冗余控制系统执行的功能如下:当液位传感器仪表1和液位传感器仪表2测量获得的液位高于某一液位高度时,输出模块1输出信号控制继电器1线圈的电流,输出模块2输出信号控制继电器2线圈的电流,使线圈得电,从而继电器1和继电器2的输出触点闭合。继电器1和继电器2的输出触点组成串联电路控制气动阀门的压空管路电磁阀,只有两个继电器的输出触点都闭合时压空管路电磁阀获得供电打开,执行机构气动阀门才能关闭。

2.2控制系统故障分析

图1所示的控制系统主要功能是气动阀门的控制,当工艺设备中的液位达到一定高度时联锁关闭气动阀门。

根据控制系统实现的功能和控制系统的结构,试图逐步分析可能引起控制系统的故障事件和原因事件。经分析得到控制系统中的故障事件和原因如表1所示,本表只分析气动阀门不能关闭故障事件。

2.3故障树建立

故障树是一种常用的系统故障分析模型,是对一个特定系统的一个特定不希望事件与引起该事件的事件用演绎法组织起来的布尔失效逻辑的图形表示,形状是树形结构,信息从分支树梢流入,在各分支的汇集点是单一的不希望事件。故障树的根部就是特定不希望事件,即顶事件。位于故障树树梢的事件为基本事件。

故障树的建立一般采用演绎法,从控制系统整体到局部层层深入分析[7]。首先需要掌握和熟悉控制系统结构和功能;然后选定最不希望发生的事件作为顶事件;接下来逐层分析导致顶事件的直接原因,直到分析出所有的基本事件。

由图1的控制系统结构和功能建立故障树得到故障树模型,如图2所示。

对故障树中所有事件进行编号,用符号A1、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、D1、D2、E1、E2分别表示故障树中的所有事件。事件与符号的对应关系如图2所示,长方形框中为事件名称,右上角为事件编号。其中,事件C3为转移输出,转移输入事件C9,因此事件C9和事件C3具有相同的发生概率,事件C2、D2和C8具有相同的发生概率。

在故障树模型中,事件C1、C2、C4、C5、C6、C7、C8、C10、C11、C12、D2、E1、E2位于树梢,是故障树的基本事件,对于每个基本事件分别用字符A~M表示基本事件发生的概率。

2.4故障树中事件发生概率计算

故障树建立了故障事件以及引起事件发生的原因之间的逻辑关系。通过故障树可以清晰地作出如下判断:

(1)只有事件E1~E2同时发生时,事件D1才能发生;

(2)只要事件D1~D2中任何一个事件发生时,事件C3必然发生;

(3)只要事件C1~C6中任何一个事件发生时,事件B1必然发生;

(4)只要事件C7~C12中任何一个事件发生时,事件B2必然发生;

(5)只要事件B1~B4中任何一个事件发生时,事件A1必然发生。

根据故障树模型,建立事件发生概率的逻辑表达式和布尔表达式,如表2所示。