FTA在工业气体探测报警系统中的应用

史东东　于莲芝

摘 要：工业气体探测报警系统在运行过程中，常有各种故障发生，使系统安全性和可靠性降低。为减少系统故障率，采用故障树分析法（FTA），建立以工业气体探测报警系统失效为顶上事件的故障树，运用算术逻辑关系求出故障树的最小割集，通过定性分析和定量分析排列出底事件对顶上事件影响程度顺序，给出预防和维护措施，以提高工业气体探测报警系统可靠性。

关键词：FTA；最小割集；定性分析；定量分析；底事件重要度

DOIDOI：10.11907/rjdk.162024

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2016）011015103

0 引言

在电力、电子、仪器仪表、石油化工以及航天航空等领域，如何消除隐患、控制系统安全性和可靠性备受关注[1]。为保证系统安全运行，就要找出导致控制系统发生故障的全部因素，然后逐步分析，得出结论，消除隐患，才可进行有效预防以减少事故发生[2]。

制药厂生产车间使用工业气体探测报警器监测可燃气体和有毒气体浓度是否在规定的安全范围之内，如果超出范围，主控室报警控制器便会报警[34]。若控制系统失灵就会带来严重后果，对工人生命造成重大危害，对企业财产造成重大损失。本文通过故障树分析法对控制系统以往发生的故障进行分析，以工业气体探测报警系统为建模对象，总结出有效的预防方法，以提高可燃气体检测报警器的可靠性[5]。

1 FTA

1.1 FTA简介

故障树分析法（FTA）是一种自顶向下识别系统故障的方法，由贝尔实验室的H A Watson于1961年提出，作为研究控制系统发生某一故障时建立的一种倒立树状逻辑因果关系图。通过使用算术逻辑推理，对控制系统出现故障的各种因素层层分析，找出最小割集，确定控制系统发生故障的各种因素组合方式以及发生概率，计算出控制系统发生此故障的概率，提供预防方式，以提高控制系统的可靠性[67]。

1.2 FTA特点

与其它模型相比，故障树模型能更好地分析和预防控制系统故障，其有两种分析方法：①定性分析：找出顶事件所有可能发生的故障模式，求出故障所有的最小割集（MCS）：②定量分析：由控制系统各部分失效的概率求出系统失效概率，求出事件的结构重要度、概率重要度和关键重要度，最终根据所求底事件重要度大小排序，给出最佳故障诊断和维修顺序。

1.3 故障树图符号

故障树中使用的每一种符号都有特殊含义，见图1。①矩形符号表示事件或最终故障即顶上事件；②或门符号表示有两种及以上事件中任何一种事件发生都有效；③与门符号表示两种及以上事件共同发生时才有效；④圆形符号表示基本故障也就是在故障树图中的底层事件。

1.4 故障树分析法建模步骤

步骤如下：①熟悉所分析的控制系统，详细了解控制系统各部分参数；②对控制系统出现过的各种故障进行调查并统计分析；③确定故障树模型的最上层事件也就是顶上事件；④调查与顶上事件所有相关的原因事件；⑤通过软件绘制事故树图形；⑥通过对事故树的定性分析，找出一切可能引起顶上事件发生的基本事件组合，求出最小割集。通过最小割集的定性比较对故障树底层事件进行重要度排序；⑦通过对事故树的定量分析，运用基本事件发生概率求出顶上事件发生的概率以及底事件重要度，判别底事件对顶上事件的影响程度并进行排序；⑧由定性和定量分析结果，制定有效的预防措施以及改进措施。

2 工业气体探测报警系统

工业气体探测报警系统由气体报警控制器和气体探测器以及通信部分组成。气体报警控制器放置于值班室，主要对各监测点进行控制。可燃气体及有毒气体探测器安装于气体易泄漏地点。气体探测器的核心部件为内置气体传感器，可有效检测出可燃气体以及有毒气体浓度，可将检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到报警控制器。可燃气体和有毒气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过气体报警控制器设置的报警点时，气体报警控制器发出报警信号，并启动电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患，气体探测器和气体报警控制器之间的通信采用抗扰能力强的RS485 [8]。

3 FTA应用

通过对工业探测报警系统发生的相关事故记录以及故障总结，确定控制系统报警失效为顶上事件。造成顶上事件发生的原因主要是气体报警控制器、气体探测器以及通信部分中的某一部分或者全部发生故障。上述3种原因作为中间事件，依次对造成中间事件的原因进行排列，组成基本事件，包括设备采集故障、电源故障、数据转换故障等，建立故障树图，见图2。

3.1 故障树定性分析

故障树定性分析主要是找出一切可能引起顶上事件的基本事件，这些基本事件的集合定义为割集。在割集集合中，任何一个可能引起顶上事件必然发生的基本事件称为最小割集。最小割集中只要有一个不发生，则顶上事件就不会发生。

通过定性分析结果可知，在工业气体探测报警系统所出现的所有故障中，数据采集设备出现故障导致整个系统的安全性和可靠性很低。当现场的可燃气体和有毒气体浓度超标时，传感器不能采集数据，不能通过通信设备传送到主控室的气体报警控制器中，控制器不报警，工作人员误以为现场气体浓度在正常范围内。其次是数据转换故障：当采集到的数据不能转换成数字信号或电流电压信号时，控制系统也会失效。通信失效会使控制系统的安全性和可靠性降低。气体探测器和气体报警器供电电源出现故障会导致控制系统失效，若工作人员发现不及时则可能发生重大事故；气体报警控制器芯片内存因长期记录数据而造成存储空间不足，会使控制系统维持在一个正常或报警状态，造成工作人员误解；只有长期在极端恶劣的天气状况下，温度设备才会出现一些小故障，但温度也是必不可少的底事件[9]。

3.2 故障树定量分析

定量分析主要是通过底事件发生概率来计算顶上事件发生概率，通过重要度计算判别底事件对顶上事件的影响程度进行排序。

由于气体探测报警系统的安全性和可靠性程度比较高，各部分元件的失效概率远远小于0.1，因此可认为两个以及两个以上故障不会同时发生，相互之间为互斥事件。假设任意一个底事件Xi发生的概率为0.001，顶上事件的概率为Pr（T），则 ：

3.3 底事件重要度计算

重要度是指系统中各个部件发生故障时对系统发生概率的贡献程度，重要度分为概率重要度和结构重要度。

（1）概率重要度指底事件发生的概率引起顶上事件发生概率的变化程度。顶上概率为Pr（T），故障树有n个底事件，每个底事件发生的概率为Fi，i=1，2，……，n。则第i个底事件概率重要度定义为FiPr（T）。

工业气体探测报警系统出现故障的14个底事件发生概率以及顶上事件发生概率得到的底事件概率重要度数据见表1。

4 结语

通过对工业气体探测报警系统顶上事件建立事故树进行定性分析和定量分析，为提高系统可靠性，对气体探测器中的数据采集设备和气体报警控制器中的数据转换接口进行经常性测试，以此确定是否正常工作[10]。对气体探测器和气体报警控制器之间的通信部分进行周期性检测，确保不受外界环境影响。整个系统供电设置两个备用供电系统，防备系统断电影响设备运行。为确保设备不受外界温度影响，可在设备放置地点安装空调来调节温度。

参考文献：

[1] 丁辉，靳江红，汪彤.控制系统的功能安全评估[M].北京：化学工业出版社，2016.

[2] 胡昌华，许化龙.控制系统故障诊断与容错控制的分析和设计[M].北京：国防工业出版社，2000.

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

[4] 李岳峰.功能安全国家标准研究[D].杭州：浙江大学，2007.

[5] 周宁，马建伟，胡博，等.基于故障树分析的电力变压器可靠性跟踪方法[J].应用研究，2012（19）：2526.

[6] 朱继洲.故障树原理和应用[M].西安：西安交通大学出版社，1989.

[7] 刘东，张红林，王波，等.动态故障树分析法[M].北京：国防工业出版社，2013.

[8] 海涛.传感器与检测技术[M].重庆：重庆大学出版社，2016.

[9] 史艺.通信仪器仪表理论与实践[M].武汉：武汉大学出版社，2012.

[10] 邱勇进.常用电子仪器仪表的使用与速修技巧[M].北京：机械工业出版社，2012.

（责任编辑：杜能钢）