第10章控制系統(tǒng)的可靠性

10.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性概述10.2硬件可靠性技術(shù)

10.3軟件可靠性技術(shù)第10章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性10.1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)的可靠性是指在規(guī)定條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，它和技術(shù)性能同是控制系統(tǒng)的兩個(gè)重要方面。設(shè)系統(tǒng)投入運(yùn)行后，如下圖所示：圖中：t1、t2……tn為系統(tǒng)正常工作時(shí)間

Tl、T2……Tk為維護(hù)時(shí)間一、可靠性的基本概念主要衡量指標(biāo)：1.故障率λ（失效率）即單位工作時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)2．維護(hù)率μ單位維護(hù)時(shí)間內(nèi)修復(fù)的次數(shù)3．平均故障間隔時(shí)間MTBF(MeanTimeBetweenFailure)表示系統(tǒng)發(fā)生多次故障的情況下，平均連續(xù)工作時(shí)間。4．平均修復(fù)時(shí)間MTTR(MeanTimeToRepair)

表示系統(tǒng)進(jìn)行多次維護(hù)后的平均維護(hù)所用時(shí)間，該值越小表示越容易修復(fù)。5.可靠度

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，是個(gè)統(tǒng)計(jì)量。設(shè)有N個(gè)相同的控制系統(tǒng)，在同樣的條件下開始工作，到達(dá)規(guī)定的時(shí)間后，有S個(gè)未發(fā)生故障，則可靠度記為R：6．可利用率（有效度）

把MTBF與MTTR綜合起來得到一個(gè)指標(biāo)可利用率A(Availability,ratio)，它們的關(guān)系如下所示：二、可靠性設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)的失效率是其所有組成元件失效率的總和，避免一個(gè)元件失效的最好辦法是在系統(tǒng)中省去這個(gè)元件。所以只要能滿足系統(tǒng)的性能和功能指標(biāo)，就應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1．簡(jiǎn)化方案2．避免片面追求高性能指標(biāo)和過多的功能

過高的性能指標(biāo)和過多的功能勢(shì)必導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜化，從而使用更多的元器件，直接降低了系統(tǒng)的可靠性。

3．合理劃分軟硬件功能

能夠方便地用軟件完成的功能盡量不要使用硬件，當(dāng)然要考慮到CPU時(shí)間資源的允許。4．防熱設(shè)計(jì)

統(tǒng)計(jì)得知，半導(dǎo)體器件的結(jié)溫每升高10℃，它的失效率會(huì)提高一倍。另外隨著溫度的升高，電路的絕緣電阻相應(yīng)下降，大氣中的腐蝕性氣體腐蝕金屬的速度也會(huì)加快。所以防熱設(shè)計(jì)是影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定性及可靠性的主要因素之一。

5．電氣互連的可靠性設(shè)計(jì)

指元器件的引腳焊點(diǎn)、模塊間的接插件、總線插件等，它是電子電路中故障率較高的部分，需要高度重視。合理地設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊、采用先進(jìn)可靠的連接技術(shù)和選用質(zhì)量可靠的連接器件是電氣互連可靠性設(shè)計(jì)的要求。

6．機(jī)械防震設(shè)計(jì)

震動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的元器件及整機(jī)結(jié)構(gòu)造成機(jī)械性損壞，因此必需有機(jī)械防震設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是系統(tǒng)接插件和質(zhì)量較大的器件的固定。

7.氣候環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)

要考慮溫度、濕度、氣壓、腐蝕性氣體、沙塵和輻射等環(huán)境因素的影響。返回本章首頁(yè)一、篩選元件二、冗余技術(shù)三、抗擾技術(shù)10.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù)

元件的故障規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律表明，元件的失效曲線是一個(gè)“浴盆曲線”一、篩選元件（1）初始失效期故障隨時(shí)間增加而減少，原因是元器件的質(zhì)量先天缺陷，及時(shí)更換不好的元器件，可排除早期故障。（2）偶然失效期這個(gè)時(shí)期故障率較低，而且與時(shí)間無(wú)關(guān)。（3）損耗失效期故障明顯增加，原因是元器件的老化和磨損。2.正確使用元件

（1）元器件的老化從電子產(chǎn)品失效率曲線可知，元器件穩(wěn)定運(yùn)行是在偶然失效期，所以要對(duì)元器件進(jìn)行老化，提前通過初始失效期，例如對(duì)74系列芯片，以8h為周期在0-70℃之間循環(huán)工作三到十天進(jìn)行篩選，元器件基本上可進(jìn)入偶然失效期。（2）留有裕量電子元器件都有額定工作參數(shù)和極限工作參數(shù)，包括電氣條件、機(jī)械條件、環(huán)境條件等，選用時(shí)應(yīng)在額定值以下留有一定的裕量。

常用的冗余系統(tǒng)．按其結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)系統(tǒng)、備用系統(tǒng)和表決系統(tǒng)三種。1．并聯(lián)系統(tǒng)

對(duì)于有N個(gè)并聯(lián)裝置組成系統(tǒng)來說，只有當(dāng)N個(gè)裝置全部失效時(shí)，系統(tǒng)才不能工作。二、冗余技術(shù)S1，S2，…，SN為工作單元

D1，D2……，DN為每個(gè)單元上的失效檢測(cè)器

K為轉(zhuǎn)換器。在備用系統(tǒng)中，僅有一個(gè)單元在工作，其余各單元處于準(zhǔn)備狀態(tài)。一旦工作單元出現(xiàn)故障，失效檢測(cè)器發(fā)出信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換器K投入一個(gè)備用單元，整個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。2．備用系統(tǒng)3．表決系統(tǒng)S1，S2，…，SN為工作單元

M為表決器每個(gè)單元的信息輸入表決器中，與其余信號(hào)相比較，只有當(dāng)有效的單元數(shù)超過失效的單元數(shù)時(shí)，才能判斷為輸入正確。1.CPU抗擾技術(shù)

(1)自動(dòng)復(fù)位

(2)掉電保護(hù)

(3)睡眠抗擾

(4)軟件陷阱2.過程通道抗擾技術(shù)

(1)串模干擾及其抑制方法

(2)共模干擾及其抑制方法3.電源抗擾技術(shù)4.接地技術(shù)三、抗擾技術(shù)3.電源抗擾技術(shù)

(1)交流穩(wěn)壓電源裝置

(2)不間斷供電電源

(3)浪涌電壓吸收器

(4)交流電源濾波

(5)電源變壓器屏蔽

(6)整流后的干擾抑制(1)交流穩(wěn)壓電源裝置

供電電源不直接接入控制系統(tǒng)，而在它們之間加入一臺(tái)交流穩(wěn)壓電源裝置，該裝置有自動(dòng)調(diào)整穩(wěn)定交流供電電壓的作用，使控制系統(tǒng)供電電壓的波動(dòng)減小到最低限度。

(2)不間斷供電電源

為了滿足電網(wǎng)暫時(shí)停電時(shí)控制系統(tǒng)仍能運(yùn)行的要求，可用“不間斷供電電源”UPS(Un—interruptedPowerSystem)的裝置來代替上面的交流穩(wěn)壓電源來供電。

壓敏電阻具有穩(wěn)壓管似的非線性特性。在無(wú)過電壓時(shí)，只有微安級(jí)的漏電流；有過電壓時(shí)，以急劇增長(zhǎng)的放電流形式吸收過電壓，響應(yīng)速度為納秒級(jí)。過電壓后又能恢復(fù)到微安級(jí)的漏電流，從而具有很好的抑制過電壓的性能。(3)用壓敏電阻器吸收電網(wǎng)過電壓經(jīng)計(jì)算得：(4)交流電源濾波

對(duì)付電網(wǎng)中的尖峰脈沖干擾，最有效的措施是進(jìn)行低通濾波，尖峰脈沖可用一個(gè)近似的三角波f(t)來代表。其中A為干擾波形的最大值，τ為干擾的作用時(shí)間，對(duì)f(t)進(jìn)行付氏變換：上述三角波可展開成頻率從0~∞的連續(xù)頻譜最大的諧波集中在區(qū)間。

如果設(shè)計(jì)一種濾波器，將其帶寬度設(shè)置在此區(qū)域，則絕大多數(shù)的諧波分量可以濾掉。

圖示是一個(gè)性能優(yōu)良的電源濾波器，壓敏電阻R用于抑制浪涌電壓，L1、L2用于濾除串模干擾，由于L3、L4繞在同一個(gè)磁環(huán)上，且具有相同的匝數(shù)和線徑，同名端如圖所示，所以電源線往返電流產(chǎn)生的磁通互相抵消，故L3、L4對(duì)串模干擾無(wú)電感作用，用于濾除共模干擾，C2用于濾除串模干擾，C3、C4用于濾除共模干擾。(5)電源變壓器屏蔽

一般變壓器的繞組之間存在著干擾信號(hào)的電容性耦合，隔離變壓器能有效地抑制這種耦合，隔離變壓器變比為1:1。

整流后利用電解電容C2和高頻電容C1濾波，然后加到三端穩(wěn)壓器的輸入端，三端穩(wěn)壓器的輸出端通過C3來抑制負(fù)載端的瞬態(tài)干擾。(6)整流后的干擾抑制

交流電引進(jìn)的高頻干擾頻帶很寬，僅在交流側(cè)采取抗擾措施難以保證干擾不進(jìn)入系統(tǒng)，因此有必要在直流側(cè)采取抗擾措施。10.3軟件可靠性技術(shù)

一、軟件的失效率

二、軟件工程開發(fā)方法

三、故障自診斷技術(shù)

一、軟件的失效率

失效率曲線可分為兩個(gè)部分，第一部分類似于浴盆曲線的早期失效期，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，故障原因是軟件設(shè)計(jì)中殘留的邏輯錯(cuò)誤，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，這些錯(cuò)誤被逐漸發(fā)現(xiàn)和糾正，于是進(jìn)入了曲線的第二部分，即成熟階段，由于軟件不存在老化問題，所以此階段的失效率接近為0，為了保證軟件的可靠性，應(yīng)在軟件投入現(xiàn)場(chǎng)使用之前，已進(jìn)入成熟階段。二、軟件工程開發(fā)方法

像搞機(jī)械工程、土木工程一樣，將一套科學(xué)的工程方法應(yīng)用到軟件開發(fā)中來。軟件工程的實(shí)踐表明，要提高軟件的可靠性，必須在軟件設(shè)計(jì)的全部階段(即問題定義、需求分析、總體設(shè)計(jì)、編碼、軟件測(cè)試和維護(hù)等階段)采取一系列規(guī)范化的方法來減少錯(cuò)誤，提高軟件的可維護(hù)性。

三、故障自診斷技術(shù)故障自診斷技術(shù)是用軟件的辦法迅速準(zhǔn)確確定系統(tǒng)內(nèi)部是否發(fā)生故障，以及故障發(fā)生的部位，指導(dǎo)運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、及時(shí)維修。故障診斷的常用方法有（見下頁(yè)）

1.檢查CPU的運(yùn)算功能在特定的存儲(chǔ)區(qū)儲(chǔ)存一組確定的數(shù)據(jù)，其中一個(gè)數(shù)據(jù)是其余數(shù)據(jù)經(jīng)過作某些運(yùn)算的結(jié)果。在診斷時(shí)，把參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)按預(yù)定的運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果與原來存儲(chǔ)結(jié)果進(jìn)行比較，如有差錯(cuò)就輸出報(bào)警信號(hào)。

2.RAM的檢查自診斷程序定時(shí)向RAM中各區(qū)域分別寫入一個(gè)隨機(jī)數(shù)，然后又讀出來與原寫入數(shù)據(jù)比較，檢查它們是否仍然一致，將該數(shù)求反再進(jìn)行一次存、取、比較的檢查，若有錯(cuò)誤就輸出報(bào)警信號(hào)。3.輸入／輸出通道的檢查設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，留一對(duì)輸入—輸出通道做檢查通道用，并將輸出通道的輸出端與輸入通道的輸入端連接起來。診斷時(shí)，計(jì)算機(jī)向檢查通道的輸出通道輸出一個(gè)隨機(jī)數(shù)，再?gòu)妮斎胪ǖ雷x取回來，然后對(duì)輸出輸入數(shù)作比較，正常情況下對(duì)于數(shù)字量通道，這兩個(gè)數(shù)應(yīng)完全一致。對(duì)于模擬量通道，兩數(shù)的誤差應(yīng)在精度允許的范圍內(nèi)，否則就輸出通道錯(cuò)的報(bào)警信號(hào)。4.控制軟件及寄存器檢查編制寄存器檢查程序，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)部應(yīng)用程序逐條指令和逐個(gè)寄存器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，立即停機(jī)并顯示故障點(diǎn)。

5.監(jiān)視定時(shí)器檢查對(duì)集散控制系統(tǒng)，給每個(gè)直接控制器設(shè)置一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器，正常工作時(shí)，由它定時(shí)向上位機(jī)發(fā)出一個(gè)脈沖，當(dāng)某直接控制器的CPU出現(xiàn)故障或斷電，便會(huì)停止發(fā)出定時(shí)脈沖，上位機(jī)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。6.數(shù)據(jù)的有效性檢查由于輸入通道采集的數(shù)據(jù)，運(yùn)算結(jié)果的數(shù)據(jù)，總是在一個(gè)有限的范圍以內(nèi)，通過檢查這些數(shù)據(jù)是否超限，便可判斷相關(guān)部分的硬件是否出現(xiàn)故障。

7.設(shè)定軟件模塊出入口標(biāo)志當(dāng)程序執(zhí)行某一模塊時(shí)，便在某存儲(chǔ)單元存入該模塊的標(biāo)志，該模塊執(zhí)行完畢，通過讀取該模塊的出口標(biāo)志并與原存入的入口標(biāo)志比較，若不相符，說明程序執(zhí)行過程由于某些故障引起了出錯(cuò)。8.程序存儲(chǔ)區(qū)的寫保護(hù)程序的存儲(chǔ)區(qū)在正常情況下是只允許讀不允許寫的，如果發(fā)生向這部分存儲(chǔ)單元寫入的操作，就說明出現(xiàn)不正常的運(yùn)行狀態(tài)，所以在編制用戶程序時(shí)，