設(shè)備控制系統(tǒng)故障分析.課件

1、7.1 可靠性的基本概念7.2 機械設(shè)備控制系統(tǒng)的故障類型7.3 機械設(shè)備控制系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)7.4 機械設(shè)備控制系統(tǒng)的干擾抑制與處理 作業(yè)第1頁，共39頁。7.1.1 可靠性的概念 1966年美國的MILSTD-721B又較正規(guī)地給出了傳統(tǒng)或經(jīng)典的可靠性定義：“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”。7.1 可靠性的基本概念 第2頁，共39頁。包含因素：對象使用條件規(guī)定時間規(guī)定功能第3頁，共39頁。7.1.2 可靠性的基本術(shù)語1.可靠度（Reliability）: 可靠度是指元件、設(shè)備、系統(tǒng)等在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。2.維修度（Maintainab

2、ility）: 維修度是指對可維修的元件、設(shè)備或系統(tǒng)在發(fā)生故障或失效后在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成修復(fù)的概率。3.有效度（Availability）: 有效度又稱可利用度（可利用率），是指可維修的元件、設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下使用時，在某時刻具有或保持其功能的概率。第4頁，共39頁。4.浴盆曲線（Bath-Tub Curve） 浴盆曲線實質(zhì)上是一條瞬時失效率變化曲線，瞬時失效率是工作到時刻尚未失效的概率，常記作(t)。浴盆曲線第5頁，共39頁。7.1.3 可靠性指標 失效函數(shù)可靠度函數(shù)1.失效函數(shù)和可靠度函數(shù)第6頁，共39頁。不可修復(fù)產(chǎn)品失效前平均時間MTTF（Mean Time To F

3、ailure）2. 失效率（Failure Rate） 3.壽命（Life）第7頁，共39頁?？尚迯?fù)產(chǎn)品平均無故障工作時間或平均故障間隔MTBF（Mean Time Between Failure）。 第8頁，共39頁。7.1.4 可靠性預(yù)測元件的可靠性預(yù)測試驗統(tǒng)計法：通過模擬實驗，確定元件在任何規(guī)定的使用時間內(nèi)的可靠性。經(jīng)驗法：查可靠性手冊或根據(jù)類似元件的使用經(jīng)驗，積累的可靠性數(shù)據(jù),考慮在新產(chǎn)品設(shè)計中的專用條件，估計出元件的可靠性水平。第9頁，共39頁。系統(tǒng)的可靠性預(yù)測 系統(tǒng)的可靠性取決于元件的可靠度和元件組合方式兩個因素，最基本的組合方式為串聯(lián)和并聯(lián)模型，更復(fù)雜的系統(tǒng)模型可以從這兩種基本模

4、型引伸出來。 第10頁，共39頁。7.1.5 可靠性指標的分配（1）等同分配法：是按照各組成單元可靠性相等的原則分配。（3）按重要性分配法：考慮各組成單元的重要程度、復(fù)雜程度及工作時間等差別的分配方法。（2）按比例分配法：其分配原則是按照各組成單元的預(yù)計失效率的比例進行分配。（4）最優(yōu)化分配方法：根據(jù)系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的特性參數(shù)的優(yōu)化目標和各種限制性約束條件選取最優(yōu)化分配方案。第11頁，共39頁。7.1.6 冗余設(shè)計（1）在滿足產(chǎn)品性能要求的前提下，盡可能簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，次要部件和不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)只會增加產(chǎn)品發(fā)生故障的概率。 （2）提高產(chǎn)品各部件的可靠性 （3）在可靠性低的部件上采用并聯(lián)儲備 （4

5、）采用冷儲備，即在部件出現(xiàn)故障時，由備用部件自動轉(zhuǎn)入工作 （5）修理維護，即各換或修理故障部件，與冷儲備不同之處在于不是自動轉(zhuǎn)入工作 第12頁，共39頁。7.2 機械設(shè)備控制系統(tǒng)的故障類型 7.2.1 硬件邏輯系統(tǒng)的故障類型（2）橋接故障：印制電路板上兩相鄰線間的穿通或短路，即形成所謂橋接故障。（1）固定故障：集成電路芯片的輸入或輸出端，或者電路板上某一連線的邏輯值固定不變的故障稱為固定故障。1.永久性故障第13頁，共39頁。2.間發(fā)性故障 間發(fā)性故障是指由于計時的偏差、外部電氣噪聲及工作邊界值變小等原因所造成的，在偶爾發(fā)生故障后再運行時又很少重復(fù)出現(xiàn)的故障。由于它的隨機性、偶發(fā)性，分析和診斷

6、都比較困難，因此又稱為軟故障 第14頁，共39頁。 邊緣性故障，是指由于元件長年老化使邊界值逐漸變化或縮小而引起的故障。 3.邊緣性故障第15頁，共39頁。7.2.2 軟件故障軟件的失效率曲線 第16頁，共39頁。1.系統(tǒng)軟件故障 對于機械設(shè)備控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件故障來說，其故障往往是由于設(shè)計錯誤引起的，即在軟件設(shè)計階段，由于對系統(tǒng)功能了解不多，設(shè)計目標構(gòu)思考慮不全，從而在算法上、定義上或模塊銜接上出現(xiàn)錯誤。2.應(yīng)用軟件故障 應(yīng)用軟件的故障，主要是指書寫格式上、語法上或程序結(jié)構(gòu)上的錯誤。這些錯誤的產(chǎn)生，一般是由于人為因素引起的，即在編寫程序或輸入過程中產(chǎn)生的人為錯誤，從而引起故障。 第17頁，共

7、39頁。7.2.3 干擾故障（2）外部干擾：外部干擾是由裝置外部竄入到裝置內(nèi)的各種干擾。 （1）內(nèi)部干擾：內(nèi)部干擾是指控制系統(tǒng)或裝置本身內(nèi)部引起的各種干擾。 1.依據(jù)干擾的來源劃分第18頁，共39頁。（2）供電干擾：控制器一般都配備有專用的直流穩(wěn)壓電源，即使如此，從交流供電閥傳來的干擾信號仍然可能影響電源電壓的穩(wěn)定性，并可能經(jīng)過整流電源串入控制器。 （1）靜電干擾：靜電干擾就是電場通過電容耦合的干擾。 1.依據(jù)干擾產(chǎn)生和傳播的方式來劃分（3）強電干擾：驅(qū)動電路中的強電元件如繼電器、電磁鐵和接觸器等感性負載，在斷電時會產(chǎn)生過電壓和沖擊電流。 第19頁，共39頁。（4）電磁輻射干擾：如果在控制系統(tǒng)

8、附近存在磁場、電磁場、靜電場或電磁波輻射源，就可能通過空間感應(yīng)，直接干擾系統(tǒng)中的各設(shè)備和導(dǎo)線，使其中的電平發(fā)生變化，或產(chǎn)生脈沖干擾信號。 （5）漏電耦合干擾：這種干擾是由系統(tǒng)內(nèi)部的器件、電路板或裝置以外與之相連器件的絕緣電阻下降產(chǎn)生的漏電所引起的。 （6）接地干擾：接地干擾是由于接地不當形成地環(huán)路產(chǎn)生的。 第20頁，共39頁。類型特征硬件邏輯故障永久性故障表現(xiàn)為固定而不能恢復(fù)的特征，又稱硬故障間發(fā)性故障帶有一定隨機性，可轉(zhuǎn)化為硬故障邊緣性故障元器件老化而使邊界值發(fā)生變化，可逐步轉(zhuǎn)化為永久性故障軟件故障系統(tǒng)軟件故障由設(shè)計原因引起，表現(xiàn)為故障的固有性應(yīng)用軟件故障主要由于認為輸入錯誤而引起，帶有一定

9、的偶然性和隨機性干擾故障內(nèi)部干擾由系統(tǒng)工藝、結(jié)構(gòu)、線路設(shè)計、電源及地線處理不當或元器件性能變化引起、表現(xiàn)為很強的偶發(fā)性和隨機性外部干擾往往隨工作現(xiàn)場和工作環(huán)境餓日表現(xiàn)出不同的特征，有極強的偶發(fā)性和隨機性 機械設(shè)備控制系統(tǒng)的常見故障類型與特征 第21頁，共39頁。7.3 機械設(shè)備控制系統(tǒng)的故障診斷技術(shù) 7.3.1 保證機械設(shè)備控制系統(tǒng)可靠性的方法1.提高產(chǎn)品的設(shè)計和制造質(zhì)量（1）裕度法：對于關(guān)鍵性的產(chǎn)品，可以加大設(shè)計的安全系數(shù)，以保證一定的可靠性儲備。 （2）自動控制法：在產(chǎn)品設(shè)計中，利用機電一體化技術(shù)的優(yōu)勢，使產(chǎn)品（或系統(tǒng)）具有自適應(yīng)、自診斷、自調(diào)整，甚至自修復(fù)的功能，這樣可以大大提高產(chǎn)品的可

10、靠性。第22頁，共39頁。2.冗余技術(shù)（1）工作冗余：又稱工作儲備或掩蔽儲備，是一種兩個或兩個以上單元并行工作的并聯(lián)模型。（2）后備冗余：又稱非工作儲備或待機儲備。平時只需一個單元工作，另一個單元是冗余的，用于待機備用。第23頁，共39頁。3.診斷技術(shù) 從本質(zhì)上來看，診斷技術(shù)是一種檢測技術(shù)，用來取得有關(guān)產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效（故障）類型和失效位置信息。它的任務(wù)有兩個，一是出現(xiàn)故障時，迅速確定故障的種類和位置，以便及時修復(fù)；二是在故障尚未發(fā)生時，確定產(chǎn)品中有關(guān)元器件距離極限狀態(tài)程度，查明產(chǎn)品工作能力下降的原因，以便采取維護措施或進行自動調(diào)整，防止發(fā)生故障。第24頁，共39頁。7.3.2 機械設(shè)備控制系

11、統(tǒng)的自診斷1.自診斷的主要功能 加電時對主要部件作可靠性測試，以保證系統(tǒng)能進入正常的運行狀態(tài) 若某一步驟發(fā)生檢測錯誤，自診斷程序能根據(jù)錯誤的不同性質(zhì)，分別采用兩種不同的方法來處理對操作錯誤或軟件程序錯誤，采取程序自動恢復(fù)技術(shù)或軟件錯誤報警。 第25頁，共39頁。2.常用的自診斷技術(shù) 開機自診斷：開機自診斷指每次從通電開始至進入正常的運行準備狀態(tài)為止，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部自診斷程序自動執(zhí)行的診斷。 運行自診斷：運行自診斷是數(shù)控系統(tǒng)正常工作時，運行內(nèi)部診斷程序，對系統(tǒng)本身、PLC、位置伺服單元以及與數(shù)控裝置相連的其他外部裝置進行自動檢測、檢查，并顯示有關(guān)狀態(tài)信息和故障信息。 脫機診斷：一些早期的數(shù)控系統(tǒng)，

12、當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，往往需要停機，使用隨機的專用診斷紙帶對系統(tǒng)進行脫機診斷。 第26頁，共39頁。7.4 機械設(shè)備控制系統(tǒng)的干擾抑制與處理 7.4.1現(xiàn)場干擾的抑制與隔離1.用電容或阻容環(huán)抑制干擾 第27頁，共39頁。2.屏蔽干擾源 （1）光電隔離第28頁，共39頁。（2）繼電器隔離 繼電器線圈和觸點僅有機械上的聯(lián)系而沒有直接的電的聯(lián)系，因此可利用繼電器線圈接受信號，而利用其觸點發(fā)送和傳輸信號。從而可實現(xiàn)強電和弱電的隔離。 第29頁，共39頁。7.4.2 提高系統(tǒng)抗干擾能力的方法 1從邏輯線路設(shè)計上提高機械設(shè)備控制系統(tǒng)的抗干擾能力 2硬件自檢測設(shè)計3利用軟件可靠性技術(shù) 第30頁，共39頁。7.4

13、.3 消除干擾的方法 1.正確的接地方式 （1）交流接地點與直流接地點分開（2）將邏輯地浮空并使機柜良好接地（3）其他接地方式的考慮第31頁，共39頁。2合理的電源方案 （1）配電方案中的抗干擾措施 第32頁，共39頁。（2）利用電源監(jiān)視電路抗電源干擾 在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求采取進一步的保護措施，電源監(jiān)視電路的設(shè)計是抗電源干擾的一個有效的方法。 第33頁，共39頁。7.4.4 軟件抗干擾技術(shù) 1實施軟件抗干擾的必要條件 在干擾的作用下，微機硬件部分以及于其相聯(lián)的各功能模塊不會受到任何損毀，或易損壞的單元設(shè)置有監(jiān)測狀態(tài)可查詢。系統(tǒng)的程序及固化常數(shù)不會因干擾的侵入而變化。RAM區(qū)中的重要數(shù)據(jù)在干擾侵入后可重新建立，并且系統(tǒng)重新運行時不會出現(xiàn)不允許的數(shù)據(jù)。第34頁，共39頁。2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的軟件抗干擾 （1）數(shù)字濾波 算術(shù)平均值法 中值濾波法 比較取舍法 加權(quán)平均濾波法 一級遞推數(shù)字濾波法 復(fù)合濾波法 第35頁，共39頁。（2）線形化處理 函數(shù)變換 多項式變換 第36頁，共39頁。3控制狀態(tài)失靈的軟件抗干擾 軟件冗余 設(shè)置系統(tǒng)控制狀態(tài)單元 建立自檢程序 第37頁，共39頁。4程序