孫 敏，侯為萍

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176）

基于故障樹的全自動濕法清洗設(shè)備故障診斷

孫 敏，侯為萍

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176）

針對全自動濕法清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能特點，使用故障樹方法建立本系統(tǒng)故障樹模型，對本系統(tǒng)故障進行定性分析。得到的各個故障頂事件的最小割集構(gòu)成了系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)庫，通過使用數(shù)據(jù)庫管理軟件Microsoft Access處理編輯數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，利用Microsoft Visual C++6.0編寫查詢診斷軟件，實現(xiàn)了對自動濕法清洗設(shè)備故障快速查詢診斷，以及對故障處理方法的快速查詢。

故障樹；全自動濕法清洗；故障診斷

近年來隨著半導(dǎo)體行業(yè)快速的發(fā)展，國內(nèi)濕法清洗設(shè)備的全自動化已經(jīng)逐漸成熟完善。高生產(chǎn)效率的要求，使得全自動清洗設(shè)備在故障診斷與處理方面也需要及時與準確。傳統(tǒng)的故障后維修已經(jīng)發(fā)展到在線診斷、事先預(yù)報和自我修復(fù)方式。使用故障分析可以在設(shè)計最初的時候就避免頻繁故障率的發(fā)生，并且就設(shè)計出針對各種故障做出的修復(fù)方法。

全自動濕法清洗設(shè)備通過觸摸屏或者按鈕進行工藝需求的輸入，然后通過PLC或者工控機進行指令處理、邏輯運算并且發(fā)出指令，通過控制氣動或者電動執(zhí)行元件來達到最初要求的實現(xiàn)，比如自動傳輸系統(tǒng)傳輸物料的順序，以及濕法清洗的時間溫度等，再由各類傳感器將當前狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)，不需要人工參與的就由控制系統(tǒng)自動控制完成，如果人為需要進行參與也可進行控制。全自動濕法清洗設(shè)備開放程度高，客戶可操作的自由度大，增加了設(shè)備的復(fù)雜程度，導(dǎo)致單一原因能夠引發(fā)多重故障的復(fù)雜狀態(tài)，也給故障診斷增加了大量的冗余和復(fù)雜的工作。人為分析故障原因，基本使用排除法以及經(jīng)驗方法，導(dǎo)致故障診斷時間長，嚴重影響生產(chǎn)效率，導(dǎo)致生產(chǎn)瓶頸。

1 故障樹分析和專家系統(tǒng)

故障樹分析（Fault Tree Analysis，簡稱 FTA）方法，利用故障樹將系統(tǒng)故障原因自頂向下逐級進行分析，估計頂事件的發(fā)生概率和底事件重要度，是系統(tǒng)設(shè)計時可靠性分析的有效辦法，以及故障檢測與診斷常用的一種分析方法。這種方法通過把系統(tǒng)可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的事故（即頂事件）作為分析起點，將導(dǎo)致事故的原因事件按因果關(guān)系逐層列出，用樹形圖表示出來，構(gòu)成一種邏輯模型。找出事件發(fā)生的各種可能途徑及發(fā)生概率，找出避免事故發(fā)生的各種方案并優(yōu)選出最佳安全對策。故障樹分析方法因果關(guān)系清晰、形象。對導(dǎo)致事故的各種原因及邏輯關(guān)系能做出全面、簡潔和形象的描述，快速推斷故障原因所在，從而使有關(guān)人員了解和掌握安全控制的要點和措施，即定性分析。

1.1 故障樹分析步驟

為了將故障樹技術(shù)作為一個系統(tǒng)分析方法有效地應(yīng)用，其分析的一般步驟為：

（1）定義分析的范圍。首先要確定需要分析解決問題的系統(tǒng)范圍，包含了哪些內(nèi)容，哪些內(nèi)容不用涉及；

（2）熟悉掌握系統(tǒng)的設(shè)計、功能及運行，包括設(shè)計資料、使用維護資料以及用戶信息等；

（3）選擇和定義頂事件。頂事件是系統(tǒng)最不希望發(fā)生的事件，或是制定進行邏輯分析的故障事件；

（4）分析頂事件。尋找引起頂事件發(fā)生的直接的必要和充分原因；

（5）建立故障樹；

（6）對故障樹進行定性分析。首先簡化故障樹，然后再求出最小割集；

（7）對故障樹進行定量分析。首先求頂事件的發(fā)生概率，再進行重要度分析；

（8）確定設(shè)計上的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)前面做出的定性和定量分析，找到設(shè)計上的問題所在；

（9）提出解決方案。對于可改變的薄弱環(huán)節(jié)可進行修改，對于無法改進的問題可提出降低故障率的解決方法。

1.2 故障樹的最小割集

故障樹定性分析的主要任務(wù)是求出故障樹的全部最小割集，進行定性重要度分析，設(shè)故障樹有 n 個底事件 x1，x2，…xn，C={xi1，xi2，…xim，}為其中一些底事件的一組集合，當集合中的全部基本事件都已發(fā)生，或稱集合C發(fā)生時，頂事件必定發(fā)生，則集合C是故障樹的一個割集，假設(shè)C是一個故障樹的割集，若集合C中任意去掉一個基本事件后，余下的集合不再是故障樹的割集時，則稱集合C是一個最小割集，最小割集是中間事件發(fā)生的最小組合，如果這個組合的中間事件失效，將導(dǎo)致頂事件發(fā)生，求出最小割集后按器容量（割集階數(shù)）排成一定順序，可定性地反映出故障因素以及中間事件的失效重要度。

1.3 串聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在可靠性模型中，當系統(tǒng)任何一個零部件的失效將導(dǎo)致系統(tǒng)失效時，這些構(gòu)件是一個串聯(lián)結(jié)構(gòu)。而在相應(yīng)的故障樹模型中，這些門或事件將全部輸入一個或門。

由n個獨立框圖構(gòu)成的系統(tǒng)，其頂事件的可靠性值為：

此串聯(lián)系統(tǒng)中，每一個單獨事件必須發(fā)生，整個系統(tǒng)才能正常運行。用故障率F（t）進行描述（是可靠性的概率補充），F(xiàn)（t）=1-R（t），由n個獨立輸入門或者事件構(gòu)成的或門，其不希望出現(xiàn)事件發(fā)生的概率為：

冗余故障原因可能負載共享的模式，當一個故障原因發(fā)生時，未發(fā)生的上一層故障原因的發(fā)生率可能會增加，這種概率的變化將破壞采用簡單與或門的獨立性的要求。當系統(tǒng)處于一種條件冗余，即可靠度相等的n個部件中，有k個工作時，系統(tǒng)就能正常工作，其可靠性數(shù)學(xué)表達為：

故障率為：

2 全自動濕法清洗設(shè)備系統(tǒng)

全自動濕法清洗設(shè)備是主系統(tǒng)，它由子系統(tǒng)組成，這些子系統(tǒng)包括自動傳輸系統(tǒng)、加熱制冷系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液體輸送系統(tǒng)、抖動攪拌系統(tǒng)、超聲系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、監(jiān)視控制系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)會互相關(guān)聯(lián)，互相影響，造成了故障分析時的復(fù)雜和繁瑣。全自動濕法清洗系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 全自動濕法清洗設(shè)備各系統(tǒng)關(guān)系圖

2.1 自動傳輸系統(tǒng)

全自動濕法清洗設(shè)備只需要在上料臺將物料成批放置好后，所有過程都會自動完成，最后只需要在下料臺將清洗處理好的物料取下。其中的物料傳輸過程都是通過機械手來自動完成。自動傳輸系統(tǒng)包括上下料臺氣動或者電機帶動傳輸臺，以及機械手臂X和Y的運動控制系統(tǒng)，還有完成夾取物料工作的機械手抓。所以自動傳輸系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)是有重疊的兩個系統(tǒng)。

2.2 氣動系統(tǒng)

全自動濕法清洗設(shè)備中的氣動系統(tǒng)屬于基礎(chǔ)動力系統(tǒng)，他包括了動力傳輸系統(tǒng)中一些直線行程氣缸，安全防護系統(tǒng)中槽蓋的旋轉(zhuǎn)氣缸或者直線行程氣缸，電氣箱和超聲電源里保護吹掃的氮氣，旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)吹掃的氮氣，液體控制系統(tǒng)中液位傳感器中使用的氮氣以及氣動泵和閥的動力。所以氣動系統(tǒng)和自動傳輸系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、液體控制系統(tǒng)以及超聲系統(tǒng)都有重疊的內(nèi)容。

2.3 液體控制系統(tǒng)

全自動濕法清洗設(shè)備中參與工藝處理的是液體，所以液體控制系統(tǒng)是設(shè)備中的重要系統(tǒng)。液體控制系統(tǒng)包括了化學(xué)液供液、排放、槽體、循環(huán)過濾等。槽體會根據(jù)化學(xué)液種類的不同采用不同的材質(zhì)，需要一些功能，比如說藥液循環(huán)過濾或者超聲波清洗，或者鼓吹氮氣，都需要不同的槽體形狀設(shè)計。液體控制系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)以及超聲系統(tǒng)都有重疊。

2.4 旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)

系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)一般在下料臺前的一個槽位，是在下料步驟之前將清洗的物料通過旋轉(zhuǎn)甩干以及吹熱氮氣進行干燥。旋轉(zhuǎn)甩干通過電機系統(tǒng)完成，吹出熱氮氣是通過加熱管在線加熱流動的氮氣。所以旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)以及加熱冷卻系統(tǒng)都有重疊。

2.5 加熱冷卻系統(tǒng)

槽體內(nèi)的藥液或者氣體進行加熱的方法有加熱膜、投入式加熱器、水浴加熱以及在線加熱幾種方法。有些化學(xué)反應(yīng)是放熱的，則需要通過冷卻的辦法來控制溫度。排放的液體如果超過管道承受溫度，也需要先進行冷卻再進行排放。超聲震板可能會產(chǎn)生不需要的熱量，同樣也需要冷卻來控制液體溫度。加熱或者冷卻系統(tǒng)都需要溫度傳感器以及溫度控制器來進行溫度閉環(huán)控制。加熱冷卻系統(tǒng)和超聲系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液體控制系統(tǒng)都有重疊。

2.6 安全防護系統(tǒng)和監(jiān)視控制系統(tǒng)

安全防護系統(tǒng)貫穿整個全自動濕法清洗系統(tǒng)。使用和生產(chǎn)都必須在安全的前提下進行。每一個系統(tǒng)在能正常使用同時都應(yīng)該將安全因素考慮進去，所以安全故障是各個系統(tǒng)的第一位故障。安全防護系統(tǒng)包括基本的滅火系統(tǒng)、排風系統(tǒng)以及防泄漏系統(tǒng)，還包括各個系統(tǒng)中安全為前提的運行保護，比如加熱的溫度保護開關(guān)、液位傳感器、機械手臂的防撞開關(guān)、超聲電源的吹氮氣保護以及在線加熱或者循環(huán)過濾系統(tǒng)中的流量傳感器等。

各個系統(tǒng)的控制及狀態(tài)的反饋都通過監(jiān)視控制系統(tǒng)來完成，監(jiān)視控制系統(tǒng)包括觸摸顯示屏、按鈕、警報器、燈塔以及手操器等。各個系統(tǒng)預(yù)期達到的目的以及現(xiàn)在的狀態(tài)都通過監(jiān)視控制系統(tǒng)來控制和監(jiān)視。

所以安全防護系統(tǒng)包含了所有以上的功能系統(tǒng)，并且被監(jiān)視控制系統(tǒng)包含在內(nèi)。

3 全自動濕法清洗系統(tǒng)故障樹的建立和分析

3.1 全自動濕法清洗系統(tǒng)故障樹的建立

在整個全自動濕法清洗系統(tǒng)運行的過程中最不希望發(fā)生的故障是自動運行故障，即自動運行中斷或者停止不能進行。所以自動運行故障作為故障樹的頂事件建立故障樹。各個系統(tǒng)故障都會引起自動運行中斷，所以各個系統(tǒng)的故障成為或的關(guān)系的中間事件。如圖2，建立了兩層故障因素的故障樹，主故障樹分析了由子系統(tǒng)里的直接故障引起的頂事件，這些故障因素稱為中間事件。這里面的故障因素都是中間事件，因為系統(tǒng)相對龐大一些，可以再給每一個中間事件建立故障樹。這樣的樹稱為子樹。

圖2所示為以自動運行為故障頂事件的兩層故障樹，其中第一層中間事件是各個系統(tǒng)引起的故障，第二層中間事件是各個系統(tǒng)中次級故障事件。每個次級事件還有具體的子故障樹來表示，在這里以吹熱氮氣故障的A子樹作為分析例子，如圖3所示。

3.2 全自動濕法清洗系統(tǒng)故障樹的定性分析

以上面所述為例，氮氣加熱不能開啟作為頂事件的故障子樹，對其做定性分析，得出此故障樹的最小割集。在這個故障樹中，事件關(guān)系都是或的關(guān)系。給故障樹取得代碼，進行邏輯運算。如圖4所示得到頂事件以及中間事件的最小割集，為數(shù)據(jù)庫做準備。其中1代表是，0代表否。

圖2 自動運行故障樹兩層中間事件

圖3 吹熱氮氣故障子樹

圖4 氮氣加熱不能開啟故障樹代碼

4 全自動濕法洗系統(tǒng)故障查詢診斷系統(tǒng)

建立本故障查詢診斷系統(tǒng)是在windows系統(tǒng)上利用功能強大的Microsoft Visual C++6.0，操作關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理軟件Microsoft Access構(gòu)建起來的。在Visual C++6.0中利用ADO（ActiveX Data Object）的數(shù)據(jù)庫訪問功能和SQL語言的查詢功能對數(shù)據(jù)庫進行操作。

4.1 故障信息數(shù)據(jù)庫的建立與維護

整個系統(tǒng)的各個故障作為頂事件會得到如表1的邏輯表，將子邏輯表保存到數(shù)據(jù)庫中，對應(yīng)的是數(shù)據(jù)庫表中的一條記錄，而整個故障樹推理流程圖對應(yīng)的是數(shù)據(jù)庫中的一張表。圖5就是加熱冷卻系統(tǒng)故障表格中的一部分。數(shù)據(jù)庫可以通過數(shù)據(jù)庫軟件編輯輸入，也可以通過查詢診斷系統(tǒng)中高權(quán)限用戶反饋修正與完善。

4.2 查詢診斷系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)在Microsoft Visual C++6.0中利用ADO組件對數(shù)據(jù)庫進行訪問，ADO是Microsoft公司推出的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫訪問引擎。診斷軟件可以通過界面輸入全自動清洗系統(tǒng)的故障現(xiàn)象，其中可以是多種現(xiàn)象組合。輸入信息被轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)可識別代碼，進入案例專家?guī)焖褜づc之匹配案例，如果能夠找到匹配案例，那么直接在用戶端輸出故障診斷信息以及解決辦法。如果出現(xiàn)與庫里案例不匹配的情況，將搜索信息返回搜索情況最相近的案例，比如三種現(xiàn)象中只有兩種或者一種匹配。高權(quán)限用戶也可增加故障現(xiàn)象，編輯修正故障現(xiàn)象的原因與解決辦法。最終診斷軟件部分界面，如圖6所示。

表1 故障樹各個事件的割集邏輯

圖5 數(shù)據(jù)庫中加熱冷卻系統(tǒng)故障部分表格

圖6 全自動濕法系統(tǒng)故障查詢診斷軟件界面

5 結(jié)論

本文通過分析全自動濕法清洗設(shè)備的特點，建立了基于故障樹的分析模型，定性分析后求得各個故障作為故障樹的最小割集，得到整個系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)庫，使用數(shù)據(jù)庫管理軟件Microsoft Access處理編輯數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，利用Microsoft Visual C++6.0 中 ADO（ActiveX Data Object）的數(shù)據(jù)庫訪問功能和SQL語言的查詢功能對數(shù)據(jù)庫進行操作。得到的故障診斷的系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了對自動濕法清洗設(shè)備故障快速查詢診斷，以及對故障處理方法的快速查詢。

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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

孫敏（1981-），女，工程師，碩士研究生，畢業(yè)于電子科技大學(xué)機械電子專業(yè)，現(xiàn)從事半導(dǎo)體濕法清洗設(shè)備的研制。