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微型计算机控制技术微型计算机控制技术1010第第10章章 计算机控制系统的可靠性保证计算机控制系统的可靠性保证 本章主要讨论微型计算机控制系统的可靠性问题，介绍有关可靠性的一些基本概念，重点介绍提高系统硬件、软件可靠性和抗干扰的常用措施。10.1 控制系统可靠性的基本概念控制系统可靠性的基本概念 下面先考虑两个单元并联的情况，设其 分别为 和 ,则并联系统的可靠度为系统的MTBF为若 则上式简化为同样可以得出3个单元并联时的MTBF为当 时有10.1 控制系统可靠性的基本概念控制系统可靠性的基本概念10.1.3 10.1.3 系统故障的来源系统故障的来源1内部因素 产生故障的原因来自计算机控制系统本身。2环境因素另外，运行操作人员的误操作，也可能造成系统故障。系统的工作环境,10.1.4 10.1.4 提高系统可靠性的途径提高系统可靠性的途径提高计算机控制系统的可靠性，主要有以下几条途径：1改进元、部件的可靠性2降低使用应力水准3简化系统结构4采用冗余设计5提高维护技术 提高系统的可靠性主要从以下三个方面入手：第一，提高元器件的可靠性，这是根本措施；第二，进行系统的高可靠性设计，这是提高系统可靠性的有效途径；第三，采用完善的维护措施，这是延长使用寿命的最后办法。10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施10.2.1 10.2.1 正确选用元器件正确选用元器件4元件的降级使用10.2.2 10.2.2 冗余设计冗余设计1元件的老化应注意以下问题：2元件的选用3元件的电气性能(1)电阻(2)电容器(3)集成电路 构成计算机控制系统的硬件包括各种部件，从计算机主机到各种外围设备、接口电路、各种执行机构，除了集成电路外，还包括各种接插件，印刷线路板、导线、焊点等。因此，提高硬件的可靠性要从多方面入手。冗余设计是提高系统可靠性的一种有效措施。硬件冗余分为：元器件级、部件级、分系统级、系统级等。在系统中各个备份的元器件或分系统的故障若相互影响，则称为相依故障；若各个备份的元器件或分系统故障彼此独立，互不影响则称为独立故障。针对独立故障和相依故障，冗余设计可分别采用热备份和冷备份二种形式。10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施(一)热备份热备份系统又有如下一些形式：1并联备份系统若每个备份的可靠度为，则整个并联备份系统的可靠度为10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施2并串联备份系统系统的可靠度10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施3串一并联备份系统系统的可靠度为若可靠度为指数规律，则上式变为10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施(二)冷备份冷备份系统的工作特点是在所有备份的元部件或分系统中，只有一个在工作，其余均处于待命的状态。冷备份系统的主要优点是隔离了各个分系统之间相依故障的相互影响，这等效于把每个分系统中的相依故障转换为独立故障，从而有效地提高了相依故障备份冗余系统的可靠性。另外，由于每个备用的分系统都处于待命状态，所以能够降低设备的耗损，进一步提高系统的可靠性。10.3 提高软件可靠性的措施提高软件可靠性的措施10.3.1 10.3.1 软件故障的特点软件故障的特点 由于软件在运行时不存在老化问题，所以其失效率曲线不像浴盆曲线那样有耗损失效期。因此，要保证软件具有高可靠性，主要是设法保证软件在投入现场使用前，已进入成熟阶段。10.3.2 10.3.2 软件可靠性模型软件可靠性模型 一种常用的模型是基于故障率的软件可靠性模型，称为穆莎(MUSA)模型。这种模型的简化形式为t为程序执行时间,为开始测试程序时固有的错误数；为开始测试时的平均无故障时间；c为比例因子（工作时间与测试时间之比）；n为错误数。10.3 提高软件可靠性的措施提高软件可靠性的措施常用的规则(一)分析掌握软件设计要求。(二)选择合适的程序设计语言及其开发软件。(三)采用正确的编程方法。正确的编程方法可概括成如下几点：1)控制系统软件应严格采用模块化结构，模块间接口定义要清晰明确，模块划分简洁合理。2)程序设计人员应具有细致、严谨的工作作风，细心地编写程序。任何一种软件产品的开发设计都需使用各种工具软件，在选用时应慎重，尽量使用经过多次运用，证明效果良好的工具软件。10.3.3 提高软件可靠性的措施提高软件可靠性的措施10.3 提高软件可靠性的措施提高软件可靠性的措施3)程序应有详尽的注释，以保证良好的可读性，易于分析和修改。4)对程序的调试情况应有完整的记录，以便从中发现潜在的问题。5)程序应具有良好的抗干扰能力，保证外界侵入的非法信息不会干抚系统的正常运行。(四)仔细检查，测试，试运行(五)正确选用软件的存储介质程序编好后，要对所编程序进行查错，测试和校验检查。在工业现场，环境恶劣，干扰严重，为防止干扰破坏控制系统的软件，应将程序代码固化在只读存储器(ROM)之中，重要数据放在非易失性RAM之中。10.4 电磁干扰的屏蔽与滤除电磁干扰的屏蔽与滤除10.4.1 10.4.1 干扰源及其和电路间的耦合干扰源及其和电路间的耦合常见的一些干扰源：1)工业电器设备产生的电火花。2)各种半导体变流电路。3)大功率电力负荷在电流发生变化时，引起的周围磁场的变化。除了上述这些来自系统外界的干扰源外，在系统内部还会出现其他一些干扰，常见的有：1)电源自身产生的干扰。2)电路之间通过分布电容的耦合产生的干扰。3)设备的机械振动产生的干扰。10.4 电磁干扰的屏蔽与滤除电磁干扰的屏蔽与滤除4)不同金属接触或联结，因热电效应产生的电压干扰。5)接头间接触不良，由于电解作用产生的化学性质电压干扰。6)电阻器的热噪声。下面是常见的几种耦合形式：(1)阻容耦合(2)磁耦合（3）静电耦合10.4.2 10.4.2 系统抗电磁干扰的措施系统抗电磁干扰的措施(一)电源电路的抗干扰措施在计算机控制系统中通常采用的供电电路如图10.4 电磁干扰的屏蔽与滤除电磁干扰的屏蔽与滤除1)采用交流稳压器；2)采用电源滤波器；3)电源变压器一次侧、二次侧间应采用静电屏蔽措施；4)采用高性能的稳压电源。10.4 电磁干扰的屏蔽与滤除电磁干扰的屏蔽与滤除 5)在计算机控制系统中，向继电器、信号指示灯等执行元件供电的变压器应与向计算机等供电的变压器分开。6)供电系统的配线应采取如下一些防干扰措施：电源部分应尽可能安放在距电源引进口很近的地方。从电源引进口，经过开关器件和低通滤波器，直到电源的配线尽量选用粗导线。电源后面的一段布线，均应采用扭绞线，扭绞的螺距要小，如果导线较粗，无法扭绞时，应把布线距离缩到最短程度。交流线(指低通滤波器到稳压电源装置的连线)、直流稳压电源线、逻辑信号线和模拟信号线、继电器等感性负载的驱动线、非稳压的直流线均应分开布线。10.4 电磁干扰的屏蔽与滤除电磁干扰的屏蔽与滤除(二)良好的接地措施1放大器与信号源的接地2电路及电路板的接地3系统的接地(三)信号线的屏蔽其作用原理为：1对静态耦合的屏蔽 外部干扰通过静电或电容耦合的情况。如图10.4 电磁干扰的屏蔽与滤除电磁干扰的屏蔽与滤除2对磁耦合的屏蔽磁耦合是一种电磁特性，这种耦合在两根或多根导线中存在。如图10.4 电磁干扰的屏蔽与滤除电磁干扰的屏蔽与滤除(四)印刷电路板的抗干扰措施有四种不同的屏蔽方法，可供选用：(1)有屏蔽层的导线(2)金属导线管(3)设备屏蔽(4)部件屏蔽下面是几个需注意的问题：1引线阻抗2地线设计3滤波4抑制引线间的相互干扰10.5 控制系统的故障诊断控制系统的故障诊断(1)故障建模(2)故障检测(3)故障分离(4)故障评定(5)故障补偿10.5.1 10.5.1 故障诊断方法简介故障诊断方法简介故障诊断研究的内容包括如下五个方面目前主要的方法有如下几种。1冗余方法2参数估计方法3状态估计方法4基于专家系统的故障诊断10.5.2 计算机控制系统在线故障检测方法计算机控制系统在线故障检测方法10.5 控制系统的故障诊断控制系统的故障诊断1程序监视器 程序监视器又名看门狗(watch Dog)，它的作用是监视程序的执行，当暂时故障或干扰使程序的执行脱离了程序区，监视器可立即发现并做出处理。程序监视器如图所示：10.5 控制系统的故障诊断控制系统的故障诊断2奇偶校验 在设计计算机控制系统的内存时，为了能够在线检测内存读写过程中的故障，可以在每个字节的数据上加上奇偶校验位。如图：3DA、AD转换器故障检测