故障树分析法在泵站机电设备故障诊断及预防中的应用

刘圣亚，孟 玮，程 旺

（江苏省太湖地区水利工程管理处，江苏 苏州 215128）

1993泵站机组是泵站的核心设备，随着科技的发展，越来越多的高新技术运用在泵站机组上，随之而来的是泵站设备组成、功能复杂程度的提高。当设备发生故障时，现场技术人员仍然是结合图纸和已有的经验进行判定，易造成分析不全面、排除故障耗时长。而故障树分析法在这一方面上能够发挥巨大优势，有效地判断机电设备的安全性与故障影响因素，从而为维修人员及时检修提供便利，并为管理人员制订计划提供支撑。

1 故障树分析法

1.1 故障树的基本特征

故障树分析法（Fault Tree Analysis,FTA）是安全系统和可靠度工程领域的重要分析方法之一。故障树分析法是结合诊断目标的结构和功能性而构建的故障分析模型，将故障现象作为顶事件，将直接或间接导致顶事件发生的因素作为中间事件，将最基本的故障原因作为底事件，通过“与”“或”等逻辑门将顶事件、中间事件和底事件连接起来，形成一个树状图，得到一个定性的因果模型。故障树建立以后，从顶事件出发，由上而下分析，最终可以迅速定位出对应的底事件，即故障原因[1]。

故障树分析法的特征有如下三点：（1）明确展现各个事件之间的因果关系，针对导致故障现象形成的各种诱因和逻辑关系进行简单且直观的判别，从而帮助技术人员准确快速地找出故障源。（2）利用定性分析能够明确系统故障情况，故障树分析法可以准确找到系统中可能存在故障隐患的点位，通过有关措施来分析各种事件可能带来的故障严重程度，进而为故障的预防和解决提供了条件。（3）故障树分析法不仅可以准确迅速地定位故障，还可以借助相关技术定量分析出事故发生的概率，通过故障发生概率的判断与运算，能够给予系统最佳的安全控制目标，从而实现内部指标的量化。

1.2 故障树的构建过程

在故障树建立前，制定者需要搜集被研究系统的技术资料，对该系统的结构、原理进行全面而又透彻的研究。主要有以下两个方面：一方面，选择好顶事件。将最不希望出现的故障类型作为顶事件，通常顶事件会对系统的稳定运作带来严重影响，同时还会导致各种安全事故，属于重大影响事件。不过顶事件也要有较为具体的定义，同时还需要具备可分解性。不希望发生的故障类型可能不止一种，因此一个系统可以构建多个故障树，同时顶事件也可以是多个事件。另一方面，需要明确故障树的构建步骤，在确定了一个顶事件之后，就可以将其当作项，由上至下分析导致顶事件发生的中间事件和底事件。第一级的中事件可以利用一些符号和顶事件及二级中事件进行连接，符号可以表明两个事件之间的固有联系或诱导因素，之后仍然以从上至下的顺序流程来逐层向下分析与设计，直到明确导致系统故障问题的所有诱因。一个简单的故障树如图1所示。

图1 故障树原理示意图

从图3中可以看出，故障1或故障2可以导致顶事件的发生，元件1或元件2发生故障会引发故障1，元件3和元件4同时发生故障，才会引发故障2。

具体操作步骤如下：第一步，技术人员应该对设备系统的组成、功能、原理进行全方位的了解。第二步，合理设定顶事件，通常将待诊断的故障作为顶事件，顶事件的定义要明确。第三步，从顶事件开始向下逐层展开，找出故障产生的原因，将各个事件通过逻辑关系连接起来，建立故障树。第四步，故障的搜查和确定，结合已建的故障树来搜查各种故障因素和故障表现，通常利用逻辑推理诊断法来实现故障搜查[2]。第五步，根据遇到的故障和设想的故障不断完善故障树。

2 故障树分析法在常熟水利枢纽泵站机组进水闸门故障诊断中的应用

2.1 常熟水利枢纽泵站机组进水闸门启闭机控制原理

常熟水利枢纽泵站有9台立式轴流泵，流道为“X”形，长江侧和内河侧皆设置了2扇闸门，1扇进水闸门和1扇出水闸门，通过控制两侧的进出水闸门来切换“灌溉”和“排涝”的状态，进出水闸门机电设备一旦出现故障，就会导致进出水闸门不能动作，使对应的机组无法运行，因此在故障发生后，需要迅速找出故障并及时对其进行检修。进水闸门启闭机控制原理图如图2所示。在图2中，FU为熔断器，KA和SQA为中间继电器，KM为交流接触器，KH为热继电器，SB为现场动作按钮，1K、2K是上位机的动作按钮，QF是低压断路器，K是选择工况的转换开关，XXWD、XXWJ、SXWD、SXWJ分别是闸门行程开关的电子下限位、机械下限位、电子上限位、机械上限位。在控制回路当中，当元器件都处于正常状态时，通过现场或者上位机的动作按钮来给出一个触发信号，对应的交流接触器线圈得电，主触点由断开变为闭合，主回路导通，辅助触点由断开变为闭合形成自保持，电机启动开始给进水闸门提供动力。

图2 常熟水利枢纽泵站机组长江侧进水闸门启闭机控制原理图

2.2 进水闸门故障树的建立

先确定故障树的顶事件为“进水门无法动作”，按照进水门控制原理图及现场实际检修经验，第一层中间事件可以分为“电器故障”和“机械故障”，进水闸门故障树如图3所示。图3中最下面一层的事件就是底事件，在发现进水闸门无法动作后，可以按上述故障树一层一层地向下分析，快速定位底事件并及时进行检修。

图3 进水闸门故障树

3 机电设备故障的诊断与预防

3.1 结合自动化监控系统进行诊断

自动化监控系统已经普遍应用于泵站中，一般情况下，当自动化监控系统监测到的设备数据不在正常范围之内，就说明该设备很可能发生了故障，技术人员就要根据预先设计的流程进行故障诊断。诊断故障时，可以将故障树中的顶事件、中间事件、底事件与现场的异常情况对应起来，结合故障树各个事件之间的逻辑关系，对不同时段、类型的异常数据进行分析对比，从而迅速诊断出故障的位置。应尽可能地将故障树中的底事件输入监控系统数据库中，以便获得更多的故障检测信息，从而提高检修效率[3]。

3.2 设备故障的预防

可以通过对已有的故障进行分析，举一反三，触类旁通，设想出其他可能导致该结果的底事件，也可以借助专家的经验，不断完善泵站各个系统设备的故障树。随着电器元件和机械部件投入使用的年限增加，发生故障的概率也会增加。如果某些元器件投入使用的时间已经很久，但是仍然没有达到更换的期限，这些元器件对应的底事件发生的概率也会增加，从而导致顶事件发生的可能性增大。可以运用大数据技术得出底事件在不同时间段发生的概率，从而对各个故障树的顶事件发生的概率进行预估，这样管理人员在制订维修保养计划时可以有所侧重，尽可能降低顶事件发生的可能，做到防患于未然，为泵站机电设备的安全稳定运行增添一份保障。

4 结束语

故障的诊断和预防对于泵站设备的安全运行具有重要意义，在设备故障诊断时利用故障树分析法能够提高故障检测与诊断的效率。对系统可能出现的各种故障进行归纳整理，不断地完善故障树，并结合故障树制订相应的维修养护计划，可以较好地预防故障的发生，提高泵站设备的安全性和可靠性。