基于故障樹的機車PLC控制系統可靠性分析

摘 要：隨著時代和科技的發展，機車運行等級在不斷的提高，傳統的控制系統已經無法滿足對機車控制的需要，在控制過程中的故障率很高。針對這一問題，一種全新的控制系統出現，就是PLC控制系統，PLC控制系統能夠有效彌補繼電器控制系統高故障率的缺陷，可靠性更高。文章將在故障樹的基礎上對PLC控制系統的可靠性進行分析，希望對今后的相關研究以及實踐提供有益的幫助。

關鍵詞：故障樹；機車；PLC控制系統；可靠性

前言

為了保障機車的良好運行，要對機車控制系統進行不斷的更新和改進，機車通常都采用繼電器控制系統完成對機車的控制，但是繼電器系統的故障多發，對機車的安全運行產生了很大影響。在此基礎上PLC控制系統產生，并在實際工作中得到了廣泛的應用，性能與繼電器控制系統相比具有明顯的優勢。文章將利用故障樹對PLC控制系統的可靠性進行簡要的分析。

1 PLC控制系統

機車控制系統通常分為兩種，一種是繼電器控制系統，一種是PLC控制系統。繼電器控制系統是比較傳統的機車控制系統，這個系統中運用大量的繼電器，線路連接上十分復雜，系統中的聯鎖具有很多個可接觸的點，受到干擾的機率增多。繼電器控制系統的影響因素也較多，常見的是粉塵污染對其造成的影響，使得系統的觸點不能正常的運行，特別容易發生系統故障，影響了機車的正常運行。PLC控制系統也叫可編程邏輯控制器系統，可以對開關量處理方面進行有效的控制，研制出PLC控制系統之后，傳統的繼電器系統被其取代，在機車控制方面發揮了重要的作用[1]。

2 故障樹以及故障樹的建立

故障樹分析通過故障樹的建立，將系統不希望發生的故障作為具體分析的目標，從源頭開始追溯故障發生的所有可能原因，分層進行分析，并將系統中可能造成故障的影響因素之間的關系進行理順，通過計算得出不同組合對故障發生的影響概率。故障樹分析可以在故障發生原因的眾多組合之中找到系統之中的薄弱環節，采取積極有效的措施對其薄弱環節進行加固，從而提高系統的可靠性。

故障樹的建立是故障樹分析之中的一個關鍵環節，必須充分考慮到各種因素對故障的影響，建立全面系統的故障樹，才能對PLC控制系統的可靠性進行準確的分析。故障樹的建立范圍要通過對整個系統的全面分析，了解系統各部分的性能之后，才能逐層建立全面、完整的故障樹[2]。在機車中應用PLC控制系統取代原來的繼電器控制系統，對系統的可靠性還不是很了解，可以通過故障樹分析的方法對PLC控制系統的可靠性進行研究。

在分析PLC控制系統的可靠性時，首先要建立一個故障樹，故障樹的頂事件設定為由于PLC控制系統故障而造成的機車無法正常運行，在這個故障樹之中，對于不是由于PLC控制系統故障而引起的機車無法正常運行的情況不進行考慮。PLC控制系統的故障通常都是由于不同模塊的故障所引起的，總體來講PLC控制系統的故障原因可以從兩個方面來分析，一個是軟件方面的原因，一個是硬件方面的原因。軟件方面的原因與諸多主觀因素有關，比如編程者的經驗以及對系統的理解等，在定量分析上存在很大的困難，所以在對機車PLC控制系統的可靠性進行分析時，暫時只考慮硬件因素。

假設用來進行PLC控制系統可靠性分析的機車是用來對重載列車進行牽引使用的，在牽引過程中需要相同的兩輛機車首尾進行相連。整個機車的控制系統主要由高壓電路控制的子系統、電控制動控制的子系統、牽引電機的子系統等組成。在這兩節機車進行牽引的過程中，只需要保持一節機車的高壓電路控制子系統進行正常的工作，牽引電機只要能夠保持三組在同時正常的工作，列車的運行就可以維持正常[3]。當這兩節牽引機車中的任何一節出現故障時，整個列車的正常運行都將無法得到保障，而PLC控制系統是采用模塊的結構，任何一個模塊的故障都將影響機車子系統的工作情況。根據對機車PLC控制系統中的故障情況進行分析，可以建立一個故障樹對其可靠性進行分析。

3 PLC控制系統的可靠性分析

根據故障分析建立的故障樹，可以對機車PLC控制系統的可靠性進行相應的分析，分析過程十分復雜，需要對可靠性分別進行定性分析和定量的分析，通過綜合分析的結果可以得出機車PLC控制系統的可靠性。

3.1 故障樹的定性分析

利用故障樹對機車PLC控制系統的可靠性進行定性分析時，要考慮故障樹的割集和路集。所謂割集就是當故障樹中的一些底事件同時發生，會引起頂事件的發生時，這些同時發生的底事件就是故障樹的割集，割集中的底事件被去掉一個時，就稱這個集合為最小割集。每個故障樹都具有若干個最小割集，最小割集是PLC控制系統的故障模式的全部表現形式，也就是這個系統的故障圖譜[4]。定性分析可以通過相應的計算得出故障樹中最小割集的個數，找出系統之中的薄弱環節，在對PLC控制系統可靠性進行設計時，對其進行更新和改進。故障樹的路集是在故障樹中的幾個底事件同時不發生時，頂事件也一定不會發生，這幾個底事件的集合就是路集，最小路集也是在路集之中去掉一個底事件得來的。故障樹的路集可以通過求故障樹的對偶數來得到，所謂對偶數也就是故障樹的成功數。

3.2 故障樹的定量分析

對機車PLC控制系統的可靠性進行定量分析，可以通過計算的方式將PLC控制系統的失效率得出，也能夠清楚的知道PLC控制系統中的子系統在整個系統之中的重要度，即子系統對系統正常運行的影響程度。定量分析首先要對故障樹之中的頂事件的概率進行計算，頂事件的計算方法十分靈活，可以采取多種計算方式，比如可以采取上行法來計算，也可以通過故障樹的最小割集來計算。

PLC控制系統的子系統的重要度也可以通過定量分析的計算得出，牽引機車使用的兩個高壓電路控制子系統的重要度公式可以表示為：

其他子系統的重要度也可以通過公式表示出來，通過計算得出相應部分的重要程度，在對PLC控制系統的可靠性進行設計時，可以找到相應的工作重點，將系統的性能進行不斷的提升[5]。控制系統中不同的模塊采用的都是電子產品，系統中的分立器件也同樣為電子產品，這些電子產品在出廠之前就已經經過了質量檢驗，如果在使用過程中發生問題則認為是偶然的失效。PLC控制系統中的各個模塊之間相對獨立，一個模塊發生故障時不會對其他模塊造成影響，各個模塊的失效率相加會得到子系統的失效率。

4 結束語

PLC控制系統在各個領域都進行了廣泛的應用，對運動控制等方面產生了十分重要的促進作用。文章是在故障樹的基礎上對機車PLC控制系統的可靠性進行了分析，探討了故障樹的構建方法以及可靠性分析的具體途徑。通過故障樹對機車PLC控制系統的可靠性進行分析，可以得知系統中子系統的重要性以及其中的薄弱環節，有利于對機車PLC控制系統進行相應的改進。

參考文獻

[1]陸長捷，潘泉.基于故障樹模型的某制導系統可靠性分析[J].彈箭與制導學報，2007（3）：65-67.

[2]張森.基于故障樹的地鐵綜合監控系統可靠性分析方法研究與軟件研制[D].西南交通大學，2007.

[3]李艷琴.基于故障樹的汽車檢測系統可靠性分析[D].吉林大學，2008.

[4]王超.電力系統可靠性評估中的幾個重要問題研究[D].浙江大學，2007.

[5]王萍，楊保年.基于故障樹的地鐵車輛客室自動門系統可靠性分析[J].南京工業職業技術學院學報，2013（2）：47-49.