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1、沈陽建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 馬斌,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣、干擾頻繁。環(huán)境的特殊性要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須具有極高的抗干擾能力和可靠性。 本章從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境出發(fā)，從干擾源、干擾路徑、干擾對(duì)象多個(gè)方面討論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)。,第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,本章介紹控制系統(tǒng)的可靠性，有以下內(nèi)容：,6.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性概述 6.2硬件抗干擾技術(shù) 6.3軟件可靠性技術(shù),第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,6.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性概述,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性是指：在規(guī)定條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)

2、定功能的能力。,它和技術(shù)性能指標(biāo)同是控制系統(tǒng)的兩個(gè)重要方面。,在具體設(shè)計(jì)工作中，人們往往只重視系統(tǒng)所具有的功能，而忽略了可靠性。,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)可靠性提出了很高的要求，系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，既有可能造成經(jīng)濟(jì)損失，還有可能造成安全事故。因此，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)必須考慮可靠性。,第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,6.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性概述,一、影響可靠性的因素,二、可靠性的基本概念,三、可靠性設(shè)計(jì)原則,6.1控制系統(tǒng)可靠性概述,一、影響可靠性的因素,1內(nèi)部因素 1）元器件本身的性能與可靠性 2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3）安裝與調(diào)試,2外部因素 1）外部電氣條件 2）外部空間條件 3）外部機(jī)械條件,6.1控制

3、系統(tǒng)可靠性概述,二、可靠性的基本概念,可靠性是個(gè)定性的概念，它有兩層含義： 一是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無故障運(yùn)行； 二是出現(xiàn)故障后，能夠快速維修。,t1 T1t2 T2 t3 T4 T tn t,其中：t1,t2,tn是正常工作時(shí)間，T1,T2,T是維護(hù)時(shí)間。 可靠性的主要衡量指標(biāo)如下：,6.1控制系統(tǒng)可靠性概述,二、可靠性的基本概念,6.1控制系統(tǒng)可靠性概述,二、可靠性的基本概念,6.1控制系統(tǒng)可靠性概述,二、可靠性的基本概念,(5)可靠度R： R=S/N 定義為在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的成功率。即：N個(gè)相同系統(tǒng)，在相同條件下工作，達(dá)到規(guī)定時(shí)間，有S個(gè)未發(fā)生故障時(shí)其可靠度。,6.1控制系

4、統(tǒng)可靠性概述,三、可靠性設(shè)計(jì)原則,()簡(jiǎn)化系統(tǒng)方案 只要能滿足系統(tǒng)的性能和功能指標(biāo)，就盡可能地簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。避免一個(gè)元件失效的最好辦法就是在系統(tǒng)中省去它。,()避免片面追求高性能指標(biāo)和過多的系統(tǒng)功能,()合理劃分軟硬件的功能 在CPU資源允許的前提下，盡量用軟件實(shí)現(xiàn)。,6.1控制系統(tǒng)可靠性概述,三、可靠性設(shè)計(jì)原則,()防熱設(shè)計(jì) 溫度的升高元器件性能將下降，防熱設(shè)計(jì)是影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定性及可靠性的重要因素之一，設(shè)計(jì)中通常作如下考慮： ）對(duì)功率器件使用散熱器。 ）合理安排元器件的布局，特別是功率發(fā)熱器件。 ）對(duì)大功率器件設(shè)置散熱風(fēng)扇。 ）選擇低功耗器件。,6.1控制系統(tǒng)可靠性概述,三、可靠性設(shè)計(jì)原則

5、,()電氣互連的可靠性設(shè)計(jì) 主要是元器件、功能模塊及總線之間的互連，也是系統(tǒng)故障發(fā)生率較高的地方。,()機(jī)械防震設(shè)計(jì) 震動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損害，重點(diǎn)是系統(tǒng)的固定。,()氣候環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì) 一般考慮溫度、濕度、氣壓、腐蝕性放射性氣體、雨、雪、鹽霧等。,第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),一、元器件級(jí)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù),二、部件及系統(tǒng)級(jí)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù),三、抗干擾技術(shù),1.CPU抗干擾技術(shù),.過程通道抗干擾技術(shù),.電源抗干擾技術(shù),第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),一、元器件級(jí)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù) （1）嚴(yán)格管理元器件的購置、儲(chǔ)運(yùn) （2）老化、篩選和測(cè)試 （3）

6、降額使用 （4）選用集成度高的元器件,需老化處理,第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),二、部件及系統(tǒng)級(jí)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù) （1）采用高質(zhì)量的主機(jī) （2）采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、積木化結(jié)構(gòu) （3）采用冗余技術(shù) （4）采用雙機(jī)系統(tǒng) （5）電磁兼容性設(shè)計(jì) （6）故障自動(dòng)檢測(cè)與診斷技術(shù) （7）其他措施,第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),采用冗余技術(shù)： 冗余有兩種方式：工作冗余和備用冗余。,常用的冗余系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)可分為：,并聯(lián)系統(tǒng),備用系統(tǒng),表決系統(tǒng),6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),三、抗干擾技術(shù),1.CPU抗干擾技術(shù),(1).自動(dòng)復(fù)位 常采用Watchdog(看門

7、狗)來實(shí)現(xiàn)發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)復(fù)位的功能。,(2).掉電保護(hù) 當(dāng)電源電壓下降到一定值時(shí)，掉電保護(hù)電路向CPU申請(qǐng)中斷。,(3).睡眠抗干擾 通過執(zhí)行睡眠指令讓CPU進(jìn)入睡眠狀態(tài)。,(4).軟件陷阱 通過執(zhí)行睡眠指令讓CPU進(jìn)入睡眠狀態(tài)。,6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),三、抗干擾技術(shù),1.CPU抗干擾技術(shù),常采用Watchdog(看門狗)來實(shí)現(xiàn)發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)復(fù)位的功能。 MAX1232微處理器監(jiān)控電路給微處理器提供輔助功能以及電源供電監(jiān)控功能。MAX1232通過監(jiān)控 微處理器系統(tǒng)電源供電及監(jiān)控軟件的執(zhí)行，來增強(qiáng)電路的可靠性，它提供一個(gè)反彈的(無鎖的)手動(dòng)復(fù)位輸入。 另外常用的集成電路還有X5045、IM

8、P813等。,6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),三、抗干擾技術(shù),1.CPU抗干擾技術(shù),MAX1232內(nèi)部原理,MAX1232引腳,6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),三、抗干擾技術(shù),MAX1232的主要功能： (1)電源監(jiān)控：每當(dāng)Vcc低于所選擇的容限時(shí)(5%容限時(shí)的電壓典型時(shí)為4.62V，10%容限時(shí)的電壓典型時(shí)為4.37V)就輸出并保持復(fù)位信號(hào)。 (2)按鈕復(fù)位輸入： MAX1232的PBRST端靠手動(dòng)強(qiáng)制復(fù)位輸出，復(fù)位輸出保持至少250ms的寬度。 (3)監(jiān)控定時(shí)器(Watchdog)：微處理器必須在一定時(shí)間內(nèi)觸發(fā)ST端(其時(shí)間取決于TD)，以便來檢測(cè)正常的軟件執(zhí)行。如果沒被觸發(fā)，這時(shí)MAX1232的

9、復(fù)位輸出至少保持250ms的寬度。,6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),三、抗干擾技術(shù),監(jiān)控電路MAX1232的典型應(yīng)用,1.CPU抗干擾技術(shù),三、抗干擾技術(shù),.過程通道抗干擾技術(shù),內(nèi)部和外部干擾示意圖,三、抗干擾技術(shù),.過程通道抗干擾技術(shù),串模干擾與共模干擾波形,(a) 直流信號(hào),(b) 串模干擾,(c) 共模干擾,(d) 串模干擾與共模干擾共同作用, 裝置開口或隙縫處進(jìn)入的輻射干擾(輻射) 電網(wǎng)變化干擾(傳輸) 周圍環(huán)境用電干擾(輻射、 傳輸、 感應(yīng)) 傳輸線上的反射干擾(傳輸) 系統(tǒng)接地不妥引入的干擾(傳輸、 感應(yīng)) 外部線間串?dāng)_(傳輸、 感應(yīng)) 邏輯線路不妥造成的過渡干擾(傳輸) 線間串?dāng)_(感

10、應(yīng)、 傳輸) 電源干擾(傳輸) 10 強(qiáng)電器引入的接觸電弧和反電動(dòng)勢(shì)干擾(輻射、傳輸、感應(yīng)) 11 內(nèi)部接地不妥引入的干擾(傳輸) 12 漏磁感應(yīng)(感應(yīng)) 13 傳輸線反射干擾(傳輸) 14 漏電干擾(傳輸),三、抗干擾技術(shù),干擾來源,三、抗干擾技術(shù),.過程通道抗干擾技術(shù),A.串模干擾及其抑制方法,(1)串模干擾 所謂串模干擾是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲。也稱為常態(tài)干擾。,三、抗干擾技術(shù),2.過程通道抗干擾技術(shù),A.串模干擾及其抑制方法,（2）串模干擾的抑制方法 如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率高，則采用輸入低通濾波器來抑制高頻率串模干擾；,如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率低，則采用高通濾波器來

11、抑制低頻串模干擾；,如果串模干擾頻率落在被測(cè)信號(hào)頻譜的兩側(cè)，則應(yīng)用帶通濾波器。,三、抗干擾技術(shù),2.過程通道抗干擾技術(shù),A.串模干擾及其抑制方法,（2）串模干擾的抑制方法 一般情況下，串模干擾均比被測(cè)信號(hào)變化快，故常用二級(jí)阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。當(dāng)被測(cè)信號(hào)變化較快時(shí)，應(yīng)相應(yīng)改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以適當(dāng)減小時(shí)間常數(shù)。,三、抗干擾技術(shù),2.過程通道抗干擾技術(shù),A.串模干擾及其抑制方法,（2）串模干擾的抑制方法,當(dāng)尖峰型串模干擾成為主要干擾源時(shí)，用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以削弱串模干擾的影響。,對(duì)于串模干擾主要來自電磁感應(yīng)的情況下， 對(duì)被測(cè)信號(hào)應(yīng)盡可能早地進(jìn)行前置放大，從而達(dá)到提高回路中

12、的信號(hào)噪聲比的目的； 或者盡可能早地完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換或采取隔離和屏蔽等措施。,三、抗干擾技術(shù),2.過程通道抗干擾技術(shù),A.串模干擾及其抑制方法,（2）串模干擾的抑制方法,從選擇邏輯器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。,采用雙絞線作信號(hào)引線的目的是減少電磁感應(yīng)，并且使各個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電勢(shì)互相呈反向抵消。選用帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號(hào)線，且有良好接地，并對(duì)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行電磁屏蔽。,三、抗干擾技術(shù),2.過程通道抗干擾技術(shù),B.共模干擾及其抑制方法,(1)共模干擾 所謂共模干擾是指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)輸入端上公有的干擾電壓。共模干擾也稱為共態(tài)干擾。 被測(cè)信號(hào)Us的參考接地點(diǎn)和計(jì)算機(jī)輸入信號(hào)的參考

13、接地點(diǎn)之間往往存在著一定的電位差Ucm。,三、抗干擾技術(shù),2.過程通道抗干擾技術(shù),單端對(duì)地輸入和雙端不對(duì)地輸入,對(duì)于存在共模干擾的場(chǎng)合，不能采用單端，對(duì)地輸入方式，因?yàn)榇藭r(shí)的共模干擾電壓將全部成為串模干擾電壓，如左圖所示。所以必須采用雙端輸入不對(duì)地方式，如右圖所示。,2.過程通道抗干擾技術(shù),B.共模干擾及其抑制方法,變壓器隔離 利用變壓器把模擬信號(hào)電路與數(shù)字信號(hào)電路隔離開來，也就是把模擬地與數(shù)字地?cái)嚅_，以使共模干擾電壓cm不成回路，從而抑制了共模干擾。另外，隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源，切斷兩部分的地線聯(lián)系。,2.過程通道抗干擾技術(shù),B.共模干擾及其抑制方法,光電隔離 光電耦合器

14、是由發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一個(gè)管殼內(nèi)組成的，發(fā)光二極管兩端為信號(hào)輸入端，光敏三極管的集電極和發(fā)射極分別作為光電耦合器的輸出端，它們之間的信號(hào)是靠發(fā)光二極管在信號(hào)電壓的控制下發(fā)光，傳給光敏三極管來完成的。,2.過程通道抗干擾技術(shù),B.共模干擾及其抑制方法,浮地屏蔽 采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾，如圖所示。這是利用屏蔽方法使輸入信號(hào)的“模擬地”浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。,2.過程通道抗干擾技術(shù),B.共模干擾及其抑制方法,采用儀表放大器提高共模抑制比 儀表放大器具有共模抑制能力強(qiáng)、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號(hào)的器件。 儀表放大器將

15、兩個(gè)信號(hào)的差值放大。抑制共模分量是使用儀表放大器的唯一原因 。 AD620（低功耗，低成本，集成儀表放大器），還有AD623等等.,三、抗干擾技術(shù),.電源抗干擾技術(shù),計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中有70以上的干擾是通過電源耦合進(jìn)來的。采用的抗干擾技術(shù)措施有：,(1)用壓敏電阻吸收電網(wǎng)過電壓,壓敏電阻具有穩(wěn)壓管的特性，沒過壓時(shí)只有微安級(jí)漏電流，過電壓時(shí)以急劇增長的放電流形式吸收過電壓。 并聯(lián)使用，靠近被保護(hù)端。,三、抗干擾技術(shù),.電源抗干擾技術(shù),(2)交流電源濾波,尖峰脈沖干擾波形,非周期性 三角波頻譜,電源濾波器,RV用于抑制浪涌電壓，L1,L2濾除串模干擾，L3,L4用于濾除共模干擾。,三、抗干擾技術(shù),.電源抗干擾技術(shù),(3)采用低通濾波器,采用低通濾波器抑制電網(wǎng)侵入的外部高頻干擾是常用的一種方案。低通濾波器可讓50HZ的工頻幾乎無衰減地通過，而濾去高于50Hz的高次諧波。,三、抗干擾技術(shù),.電源抗干擾技術(shù),(4)采用隔離變壓器,變壓器的一次側(cè)按三角形接法聯(lián)結(jié)。二次側(cè)按星型接法聯(lián)結(jié)。有利于抑制工頻3次以上諧波對(duì)控制系統(tǒng)的干擾。,三、抗干擾技術(shù),.電源抗干擾技術(shù),(5)采用能抑制交流電源干擾的 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源,抑制交流電源線上引入的高頻干擾,抑制進(jìn)入交流電源線上的瞬時(shí)干擾,原、副邊之間加有靜電屏蔽層,作業(yè),P135頁 7-1，7-2，7-5,