宋平凡,肖運勇
1 前言
故障樹是分析大型復(fù)雜控制系統(tǒng)的安全性與可靠性的最常用方法,它把系統(tǒng)不希望發(fā)生的事件(失效狀態(tài))作為故障樹的頂端事件,逐一找出導(dǎo)致這一不希望事件所有可能發(fā)生的直接因素和原因,故障樹對搜索控制系統(tǒng)的失效之源、分析故障產(chǎn)生的原因、評價系統(tǒng)故障概率具有重要的作用。
站場信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是復(fù)雜的控制系統(tǒng),目前,有多種主控結(jié)構(gòu),如三取二、主備二取二、雙機(jī)熱備等等,主控結(jié)構(gòu)確定之后,室內(nèi)、室外信號聯(lián)鎖系統(tǒng)就可以建立“系統(tǒng)失效”的故障樹模型,以便系統(tǒng)運行中快速、準(zhǔn)確地追查故障原因,迅速排除故障,確保系統(tǒng)全運行。
本文以國內(nèi)使用較普通的北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司研發(fā)的三取二(即2/3(G))信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為主控結(jié)構(gòu),評價其系統(tǒng)的可靠性指標(biāo),并且建立系統(tǒng)失效的故障樹分析模型。
2 三取二(2/3(G))表決系統(tǒng)的可靠性
2/3(G)表決系統(tǒng),即三套同時獨立運行的CPU控制系統(tǒng)中,有2個或2個以上CPU控制系統(tǒng)工作正常(運算數(shù)據(jù)結(jié)果一致)則確定系統(tǒng)工作正常(運算數(shù)據(jù)有效),否則,系統(tǒng)失效(數(shù)據(jù)無效)。把每一套CPU控制系統(tǒng)分別看成是一個獨立運行的元件ICU1、ICU2、 ICU3,2/3(G)表決系統(tǒng)可以用可靠性框表述為圖1。
從圖1可見,系統(tǒng)工作正常(T)至少ICU1與ICU2或ICU2與ICU3或ICU3與ICU1工作正常,即:
由于每套CPU控制系統(tǒng)的元件相同,制作工藝、參數(shù)也相同,故失效率λ也相同,所以表決系統(tǒng)的可靠性:
圖2 三取二信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障樹
3 三取二信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障樹
為簡化分析,把聯(lián)鎖系統(tǒng)中獨立工作的部件均視為一個元件,如信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、區(qū)段電路……,以系統(tǒng)失效為頂端事件,建立三取二信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)運行時故障樹模型,如圖2所示。
對每個基本元件還可以繼續(xù)分解,建立其故障樹模型,如調(diào)車信號機(jī)故障樹模型如圖3所示。
4 故障樹分析
表1 三取二信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障樹的最小割集(下行法)
(1) 定性分析
最小割集是導(dǎo)致故障樹頂端事件發(fā)生的充要條件,反之,查找到故障樹頂端事件發(fā)生的原因,必然包含最小割集,三取二信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障樹的最小割集(下行法)查找如表1所示。
最小割集為{X1}、{X5,X6 }、{X2}、{X3}、{X4}、{X7}、{X8}……{X18},當(dāng)最小割集中任一事件發(fā)生,必然導(dǎo)致系統(tǒng)失效,如事件{X1}發(fā)生(停電),系統(tǒng)失效;事件{X5,X6 }發(fā)生(二路電源均故障),系統(tǒng)失效;事件{X2}發(fā)生( ICU1,ICU2均故障),系統(tǒng)失效………
(2) 定量分析
系統(tǒng)失效事件的概率P{T},既當(dāng)一個最小割集事件出現(xiàn)時頂端事件出現(xiàn)的概率為:
P{T}= P{X1∪X2∪X3∪X4∪(X5∩X6)∪X7……∪X18}
用概率加法定理展開上式并代入統(tǒng)計數(shù)據(jù),可以計算出頂端事件發(fā)生的概率。
但是,工程上一般采用近似估算,取
P{T}sup=P{X1∪X2∪X3∪X4∪(X5∩X6)∪X7……∪X18}
=P(X1)+P(X2)+P(X3)+P(X4)+P(X5∩X6)+P(X7)+……+P(X18) (1)
系統(tǒng)運行時P(X1)發(fā)生的概率很小,P(X5∩X6)(二路電源同時發(fā)生故障)的概率也很小,對系統(tǒng)失效概率的計算忽略,而X2,X3,X4,是三取二表決系統(tǒng)中二個或二個以上ICUi,同時發(fā)生故障事件的概率,如圖4所示。
最小割集{ICU1,ICU2}、{ICU2,ICU3}、{ICU3,ICU1}
因為ICUi故障發(fā)生的獨立性,設(shè)其故障率為P
因為:P(X2)=P{ ICU1∩ICU2}=P(ICU1)P(ICU2)=P2
同理:P(X3)=P(X4)=P2
故:P(X2)+P(X3)+P(X4)=3P2 (2)
又因為ICM,OCM采用雙斷法,主備二路I/O、制作工藝、老化參數(shù)與ICUi相同,元件故障概率近似等于ICU1故障概率。
因為 P(X7)=P(X8)=P (3)
把(2)、(3)代入(1)得
(4)
由于制造工藝,室內(nèi)、室外設(shè)備運行環(huán)境的差異,運行中存在以下關(guān)系。
即系統(tǒng)失效的故障概率主要由室外設(shè)備故障概率的影響,把統(tǒng)計數(shù)據(jù)代入(4),可近似估算系統(tǒng)失效概率。
5 結(jié)論
三取二信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性特點:主控部分可靠性遠(yuǎn)大于室外設(shè)備可靠性,有可靠性冗余度的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運行的失效概率主要受繼電器電路、室外信號機(jī)、電動轉(zhuǎn)轍機(jī)、區(qū)段電路以及電纜回路的影響,因此,確保系統(tǒng)的正常運行,在于精心維護(hù)室外設(shè)備,提高室外設(shè)備的運行可靠性,降低故障率。