基于故障树的全自动湿法清洗设备故障诊断

孙 敏，侯为萍

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176）

基于故障树的全自动湿法清洗设备故障诊断

孙 敏，侯为萍

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176）

针对全自动湿法清洗设备的结构和功能特点，使用故障树方法建立本系统故障树模型，对本系统故障进行定性分析。得到的各个故障顶事件的最小割集构成了系统故障数据库，通过使用数据库管理软件Microsoft Access处理编辑数据库数据，利用Microsoft Visual C++6.0编写查询诊断软件，实现了对自动湿法清洗设备故障快速查询诊断，以及对故障处理方法的快速查询。

故障树；全自动湿法清洗；故障诊断

近年来随着半导体行业快速的发展，国内湿法清洗设备的全自动化已经逐渐成熟完善。高生产效率的要求，使得全自动清洗设备在故障诊断与处理方面也需要及时与准确。传统的故障后维修已经发展到在线诊断、事先预报和自我修复方式。使用故障分析可以在设计最初的时候就避免频繁故障率的发生，并且就设计出针对各种故障做出的修复方法。

全自动湿法清洗设备通过触摸屏或者按钮进行工艺需求的输入，然后通过PLC或者工控机进行指令处理、逻辑运算并且发出指令，通过控制气动或者电动执行元件来达到最初要求的实现，比如自动传输系统传输物料的顺序，以及湿法清洗的时间温度等，再由各类传感器将当前状态反馈给控制系统以及显示系统，不需要人工参与的就由控制系统自动控制完成，如果人为需要进行参与也可进行控制。全自动湿法清洗设备开放程度高，客户可操作的自由度大，增加了设备的复杂程度，导致单一原因能够引发多重故障的复杂状态，也给故障诊断增加了大量的冗余和复杂的工作。人为分析故障原因，基本使用排除法以及经验方法，导致故障诊断时间长，严重影响生产效率，导致生产瓶颈。

1 故障树分析和专家系统

故障树分析（Fault Tree Analysis，简称 FTA）方法，利用故障树将系统故障原因自顶向下逐级进行分析，估计顶事件的发生概率和底事件重要度，是系统设计时可靠性分析的有效办法，以及故障检测与诊断常用的一种分析方法。这种方法通过把系统可能发生或已经发生的事故（即顶事件）作为分析起点，将导致事故的原因事件按因果关系逐层列出，用树形图表示出来，构成一种逻辑模型。找出事件发生的各种可能途径及发生概率，找出避免事故发生的各种方案并优选出最佳安全对策。故障树分析方法因果关系清晰、形象。对导致事故的各种原因及逻辑关系能做出全面、简洁和形象的描述，快速推断故障原因所在，从而使有关人员了解和掌握安全控制的要点和措施，即定性分析。

1.1 故障树分析步骤

为了将故障树技术作为一个系统分析方法有效地应用，其分析的一般步骤为：

（1）定义分析的范围。首先要确定需要分析解决问题的系统范围，包含了哪些内容，哪些内容不用涉及；

（2）熟悉掌握系统的设计、功能及运行，包括设计资料、使用维护资料以及用户信息等；

（3）选择和定义顶事件。顶事件是系统最不希望发生的事件，或是制定进行逻辑分析的故障事件；

（4）分析顶事件。寻找引起顶事件发生的直接的必要和充分原因；

（5）建立故障树；

（6）对故障树进行定性分析。首先简化故障树，然后再求出最小割集；

（7）对故障树进行定量分析。首先求顶事件的发生概率，再进行重要度分析；

（8）确定设计上的薄弱环节。根据前面做出的定性和定量分析，找到设计上的问题所在；

（9）提出解决方案。对于可改变的薄弱环节可进行修改，对于无法改进的问题可提出降低故障率的解决方法。

1.2 故障树的最小割集

故障树定性分析的主要任务是求出故障树的全部最小割集，进行定性重要度分析，设故障树有 n 个底事件 x1，x2，…xn，C={xi1，xi2，…xim，}为其中一些底事件的一组集合，当集合中的全部基本事件都已发生，或称集合C发生时，顶事件必定发生，则集合C是故障树的一个割集，假设C是一个故障树的割集，若集合C中任意去掉一个基本事件后，余下的集合不再是故障树的割集时，则称集合C是一个最小割集，最小割集是中间事件发生的最小组合，如果这个组合的中间事件失效，将导致顶事件发生，求出最小割集后按器容量（割集阶数）排成一定顺序，可定性地反映出故障因素以及中间事件的失效重要度。

1.3 串联系统结构

在可靠性模型中，当系统任何一个零部件的失效将导致系统失效时，这些构件是一个串联结构。而在相应的故障树模型中，这些门或事件将全部输入一个或门。

由n个独立框图构成的系统，其顶事件的可靠性值为：

此串联系统中，每一个单独事件必须发生，整个系统才能正常运行。用故障率F（t）进行描述（是可靠性的概率补充），F（t）=1-R（t），由n个独立输入门或者事件构成的或门，其不希望出现事件发生的概率为：

冗余故障原因可能负载共享的模式，当一个故障原因发生时，未发生的上一层故障原因的发生率可能会增加，这种概率的变化将破坏采用简单与或门的独立性的要求。当系统处于一种条件冗余，即可靠度相等的n个部件中，有k个工作时，系统就能正常工作，其可靠性数学表达为：

故障率为：

2 全自动湿法清洗设备系统

全自动湿法清洗设备是主系统，它由子系统组成，这些子系统包括自动传输系统、加热制冷系统、气动系统、液体输送系统、抖动搅拌系统、超声系统、安全防护系统、监视控制系统以及旋转干燥系统等。这些子系统会互相关联，互相影响，造成了故障分析时的复杂和繁琐。全自动湿法清洗系统中各个子系统的关系如图1所示。

图1 全自动湿法清洗设备各系统关系图

2.1 自动传输系统

全自动湿法清洗设备只需要在上料台将物料成批放置好后，所有过程都会自动完成，最后只需要在下料台将清洗处理好的物料取下。其中的物料传输过程都是通过机械手来自动完成。自动传输系统包括上下料台气动或者电机带动传输台，以及机械手臂X和Y的运动控制系统，还有完成夹取物料工作的机械手抓。所以自动传输系统和气动系统是有重叠的两个系统。

2.2 气动系统

全自动湿法清洗设备中的气动系统属于基础动力系统，他包括了动力传输系统中一些直线行程气缸，安全防护系统中槽盖的旋转气缸或者直线行程气缸，电气箱和超声电源里保护吹扫的氮气，旋转干燥系统吹扫的氮气，液体控制系统中液位传感器中使用的氮气以及气动泵和阀的动力。所以气动系统和自动传输系统、旋转干燥系统、加热冷却系统、液体控制系统以及超声系统都有重叠的内容。

2.3 液体控制系统

全自动湿法清洗设备中参与工艺处理的是液体，所以液体控制系统是设备中的重要系统。液体控制系统包括了化学液供液、排放、槽体、循环过滤等。槽体会根据化学液种类的不同采用不同的材质，需要一些功能，比如说药液循环过滤或者超声波清洗，或者鼓吹氮气，都需要不同的槽体形状设计。液体控制系统和气动系统、加热冷却系统以及超声系统都有重叠。

2.4 旋转干燥系统

系统中的旋转干燥系统一般在下料台前的一个槽位，是在下料步骤之前将清洗的物料通过旋转甩干以及吹热氮气进行干燥。旋转甩干通过电机系统完成，吹出热氮气是通过加热管在线加热流动的氮气。所以旋转干燥系统和气动系统以及加热冷却系统都有重叠。

2.5 加热冷却系统

槽体内的药液或者气体进行加热的方法有加热膜、投入式加热器、水浴加热以及在线加热几种方法。有些化学反应是放热的，则需要通过冷却的办法来控制温度。排放的液体如果超过管道承受温度，也需要先进行冷却再进行排放。超声震板可能会产生不需要的热量，同样也需要冷却来控制液体温度。加热或者冷却系统都需要温度传感器以及温度控制器来进行温度闭环控制。加热冷却系统和超声系统、旋转干燥系统、气动系统、液体控制系统都有重叠。

2.6 安全防护系统和监视控制系统

安全防护系统贯穿整个全自动湿法清洗系统。使用和生产都必须在安全的前提下进行。每一个系统在能正常使用同时都应该将安全因素考虑进去，所以安全故障是各个系统的第一位故障。安全防护系统包括基本的灭火系统、排风系统以及防泄漏系统，还包括各个系统中安全为前提的运行保护，比如加热的温度保护开关、液位传感器、机械手臂的防撞开关、超声电源的吹氮气保护以及在线加热或者循环过滤系统中的流量传感器等。

各个系统的控制及状态的反馈都通过监视控制系统来完成，监视控制系统包括触摸显示屏、按钮、警报器、灯塔以及手操器等。各个系统预期达到的目的以及现在的状态都通过监视控制系统来控制和监视。

所以安全防护系统包含了所有以上的功能系统，并且被监视控制系统包含在内。

3 全自动湿法清洗系统故障树的建立和分析

3.1 全自动湿法清洗系统故障树的建立

在整个全自动湿法清洗系统运行的过程中最不希望发生的故障是自动运行故障，即自动运行中断或者停止不能进行。所以自动运行故障作为故障树的顶事件建立故障树。各个系统故障都会引起自动运行中断，所以各个系统的故障成为或的关系的中间事件。如图2，建立了两层故障因素的故障树，主故障树分析了由子系统里的直接故障引起的顶事件，这些故障因素称为中间事件。这里面的故障因素都是中间事件，因为系统相对庞大一些，可以再给每一个中间事件建立故障树。这样的树称为子树。

图2所示为以自动运行为故障顶事件的两层故障树，其中第一层中间事件是各个系统引起的故障，第二层中间事件是各个系统中次级故障事件。每个次级事件还有具体的子故障树来表示，在这里以吹热氮气故障的A子树作为分析例子，如图3所示。

3.2 全自动湿法清洗系统故障树的定性分析

以上面所述为例，氮气加热不能开启作为顶事件的故障子树，对其做定性分析，得出此故障树的最小割集。在这个故障树中，事件关系都是或的关系。给故障树取得代码，进行逻辑运算。如图4所示得到顶事件以及中间事件的最小割集，为数据库做准备。其中1代表是，0代表否。

图2 自动运行故障树两层中间事件

图3 吹热氮气故障子树

图4 氮气加热不能开启故障树代码

4 全自动湿法洗系统故障查询诊断系统

建立本故障查询诊断系统是在windows系统上利用功能强大的Microsoft Visual C++6.0，操作关系数据库管理软件Microsoft Access构建起来的。在Visual C++6.0中利用ADO（ActiveX Data Object）的数据库访问功能和SQL语言的查询功能对数据库进行操作。

4.1 故障信息数据库的建立与维护

整个系统的各个故障作为顶事件会得到如表1的逻辑表，将子逻辑表保存到数据库中，对应的是数据库表中的一条记录，而整个故障树推理流程图对应的是数据库中的一张表。图5就是加热冷却系统故障表格中的一部分。数据库可以通过数据库软件编辑输入，也可以通过查询诊断系统中高权限用户反馈修正与完善。

4.2 查询诊断系统的软件实现

本系统在Microsoft Visual C++6.0中利用ADO组件对数据库进行访问，ADO是Microsoft公司推出的面向对象的数据库访问引擎。诊断软件可以通过界面输入全自动清洗系统的故障现象，其中可以是多种现象组合。输入信息被转变为系统可识别代码，进入案例专家库搜寻与之匹配案例，如果能够找到匹配案例，那么直接在用户端输出故障诊断信息以及解决办法。如果出现与库里案例不匹配的情况，将搜索信息返回搜索情况最相近的案例，比如三种现象中只有两种或者一种匹配。高权限用户也可增加故障现象，编辑修正故障现象的原因与解决办法。最终诊断软件部分界面，如图6所示。

表1 故障树各个事件的割集逻辑

图5 数据库中加热冷却系统故障部分表格

图6 全自动湿法系统故障查询诊断软件界面

5 结论

本文通过分析全自动湿法清洗设备的特点，建立了基于故障树的分析模型，定性分析后求得各个故障作为故障树的最小割集，得到整个系统的故障数据库，使用数据库管理软件Microsoft Access处理编辑数据库数据，利用Microsoft Visual C++6.0 中 ADO（ActiveX Data Object）的数据库访问功能和SQL语言的查询功能对数据库进行操作。得到的故障诊断的系统软件实现了对自动湿法清洗设备故障快速查询诊断，以及对故障处理方法的快速查询。

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Fault Diagnosis of Full-Auto Wet Washing Equipment Based on the Fault Tree

SUN Min，HOU Weiping
（The 45th Research Institute of CETC，Beijing 101601，China）

Abstract:In this article fault tree model is set up direct to the structure and function of the Full-auto wet washing equipment system,then the qualitative analysis is down towards the system faults.The minimum cut sets of the each fault tree top events make up the system fault databank,and then those date are dealt and compiled through using the databank manage soft Microsoft Access.At last the inquiry and diagnosis soft is written buy the Microsoft Visual C++6.0.the full-auto wet washing equipment fault inquiry and diagnosis is achieved,it can consummate and improve the faults data.

Keywords:Fault tree；Full-auto wet washing；Fault diagnosis

TN305

A

1004-4507（2014）07-0022-06

2014-05-16

孙敏（1981-），女，工程师，硕士研究生，毕业于电子科技大学机械电子专业，现从事半导体湿法清洗设备的研制。