设备控制系统故障分析.课件

1、7.1 可靠性的基本概念7.2 机械设备控制系统的故障类型7.3 机械设备控制系统的故障诊断技术7.4 机械设备控制系统的干扰抑制与处理 作业第1页，共39页。7.1.1 可靠性的概念 1966年美国的MILSTD-721B又较正规地给出了传统或经典的可靠性定义：“产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力”。7.1 可靠性的基本概念 第2页，共39页。包含因素：对象使用条件规定时间规定功能第3页，共39页。7.1.2 可靠性的基本术语1.可靠度（Reliability）: 可靠度是指元件、设备、系统等在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。2.维修度（Maintainab

2、ility）: 维修度是指对可维修的元件、设备或系统在发生故障或失效后在规定的条件下和规定的时间内完成修复的概率。3.有效度（Availability）: 有效度又称可利用度（可利用率），是指可维修的元件、设备或系统在规定的条件下使用时，在某时刻具有或保持其功能的概率。第4页，共39页。4.浴盆曲线（Bath-Tub Curve） 浴盆曲线实质上是一条瞬时失效率变化曲线，瞬时失效率是工作到时刻尚未失效的概率，常记作(t)。浴盆曲线第5页，共39页。7.1.3 可靠性指标 失效函数可靠度函数1.失效函数和可靠度函数第6页，共39页。不可修复产品失效前平均时间MTTF（Mean Time To F

3、ailure）2. 失效率（Failure Rate） 3.寿命（Life）第7页，共39页。可修复产品平均无故障工作时间或平均故障间隔MTBF（Mean Time Between Failure）。 第8页，共39页。7.1.4 可靠性预测元件的可靠性预测试验统计法：通过模拟实验，确定元件在任何规定的使用时间内的可靠性。经验法：查可靠性手册或根据类似元件的使用经验，积累的可靠性数据,考虑在新产品设计中的专用条件，估计出元件的可靠性水平。第9页，共39页。系统的可靠性预测 系统的可靠性取决于元件的可靠度和元件组合方式两个因素，最基本的组合方式为串联和并联模型，更复杂的系统模型可以从这两种基本模

4、型引伸出来。 第10页，共39页。7.1.5 可靠性指标的分配（1）等同分配法：是按照各组成单元可靠性相等的原则分配。（3）按重要性分配法：考虑各组成单元的重要程度、复杂程度及工作时间等差别的分配方法。（2）按比例分配法：其分配原则是按照各组成单元的预计失效率的比例进行分配。（4）最优化分配方法：根据系统中起主导作用的特性参数的优化目标和各种限制性约束条件选取最优化分配方案。第11页，共39页。7.1.6 冗余设计（1）在满足产品性能要求的前提下，尽可能简化产品结构，次要部件和不必要的复杂结构只会增加产品发生故障的概率。 （2）提高产品各部件的可靠性 （3）在可靠性低的部件上采用并联储备 （4

5、）采用冷储备，即在部件出现故障时，由备用部件自动转入工作 （5）修理维护，即各换或修理故障部件，与冷储备不同之处在于不是自动转入工作 第12页，共39页。7.2 机械设备控制系统的故障类型 7.2.1 硬件逻辑系统的故障类型（2）桥接故障：印制电路板上两相邻线间的穿通或短路，即形成所谓桥接故障。（1）固定故障：集成电路芯片的输入或输出端，或者电路板上某一连线的逻辑值固定不变的故障称为固定故障。1.永久性故障第13页，共39页。2.间发性故障 间发性故障是指由于计时的偏差、外部电气噪声及工作边界值变小等原因所造成的，在偶尔发生故障后再运行时又很少重复出现的故障。由于它的随机性、偶发性，分析和诊断

6、都比较困难，因此又称为软故障 第14页，共39页。 边缘性故障，是指由于元件长年老化使边界值逐渐变化或缩小而引起的故障。 3.边缘性故障第15页，共39页。7.2.2 软件故障软件的失效率曲线 第16页，共39页。1.系统软件故障 对于机械设备控制系统的系统软件故障来说，其故障往往是由于设计错误引起的，即在软件设计阶段，由于对系统功能了解不多，设计目标构思考虑不全，从而在算法上、定义上或模块衔接上出现错误。2.应用软件故障 应用软件的故障，主要是指书写格式上、语法上或程序结构上的错误。这些错误的产生，一般是由于人为因素引起的，即在编写程序或输入过程中产生的人为错误，从而引起故障。 第17页，共

7、39页。7.2.3 干扰故障（2）外部干扰：外部干扰是由装置外部窜入到装置内的各种干扰。 （1）内部干扰：内部干扰是指控制系统或装置本身内部引起的各种干扰。 1.依据干扰的来源划分第18页，共39页。（2）供电干扰：控制器一般都配备有专用的直流稳压电源，即使如此，从交流供电阀传来的干扰信号仍然可能影响电源电压的稳定性，并可能经过整流电源串入控制器。 （1）静电干扰：静电干扰就是电场通过电容耦合的干扰。 1.依据干扰产生和传播的方式来划分（3）强电干扰：驱动电路中的强电元件如继电器、电磁铁和接触器等感性负载，在断电时会产生过电压和冲击电流。 第19页，共39页。（4）电磁辐射干扰：如果在控制系统

8、附近存在磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源，就可能通过空间感应，直接干扰系统中的各设备和导线，使其中的电平发生变化，或产生脉冲干扰信号。 （5）漏电耦合干扰：这种干扰是由系统内部的器件、电路板或装置以外与之相连器件的绝缘电阻下降产生的漏电所引起的。 （6）接地干扰：接地干扰是由于接地不当形成地环路产生的。 第20页，共39页。类型特征硬件逻辑故障永久性故障表现为固定而不能恢复的特征，又称硬故障间发性故障带有一定随机性，可转化为硬故障边缘性故障元器件老化而使边界值发生变化，可逐步转化为永久性故障软件故障系统软件故障由设计原因引起，表现为故障的固有性应用软件故障主要由于认为输入错误而引起，带有一定

9、的偶然性和随机性干扰故障内部干扰由系统工艺、结构、线路设计、电源及地线处理不当或元器件性能变化引起、表现为很强的偶发性和随机性外部干扰往往随工作现场和工作环境饿日表现出不同的特征，有极强的偶发性和随机性 机械设备控制系统的常见故障类型与特征 第21页，共39页。7.3 机械设备控制系统的故障诊断技术 7.3.1 保证机械设备控制系统可靠性的方法1.提高产品的设计和制造质量（1）裕度法：对于关键性的产品，可以加大设计的安全系数，以保证一定的可靠性储备。 （2）自动控制法：在产品设计中，利用机电一体化技术的优势，使产品（或系统）具有自适应、自诊断、自调整，甚至自修复的功能，这样可以大大提高产品的可

10、靠性。第22页，共39页。2.冗余技术（1）工作冗余：又称工作储备或掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。（2）后备冗余：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。第23页，共39页。3.诊断技术 从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的失效（故障）类型和失效位置信息。它的任务有两个，一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态程度，查明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。第24页，共39页。7.3.2 机械设备控制系

11、统的自诊断1.自诊断的主要功能 加电时对主要部件作可靠性测试，以保证系统能进入正常的运行状态 若某一步骤发生检测错误，自诊断程序能根据错误的不同性质，分别采用两种不同的方法来处理对操作错误或软件程序错误，采取程序自动恢复技术或软件错误报警。 第25页，共39页。2.常用的自诊断技术 开机自诊断：开机自诊断指每次从通电开始至进入正常的运行准备状态为止，数控系统内部自诊断程序自动执行的诊断。 运行自诊断：运行自诊断是数控系统正常工作时，运行内部诊断程序，对系统本身、PLC、位置伺服单元以及与数控装置相连的其他外部装置进行自动检测、检查，并显示有关状态信息和故障信息。 脱机诊断：一些早期的数控系统，

12、当系统出现故障时，往往需要停机，使用随机的专用诊断纸带对系统进行脱机诊断。 第26页，共39页。7.4 机械设备控制系统的干扰抑制与处理 7.4.1现场干扰的抑制与隔离1.用电容或阻容环抑制干扰 第27页，共39页。2.屏蔽干扰源 （1）光电隔离第28页，共39页。（2）继电器隔离 继电器线圈和触点仅有机械上的联系而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接受信号，而利用其触点发送和传输信号。从而可实现强电和弱电的隔离。 第29页，共39页。7.4.2 提高系统抗干扰能力的方法 1从逻辑线路设计上提高机械设备控制系统的抗干扰能力 2硬件自检测设计3利用软件可靠性技术 第30页，共39页。7.4

13、.3 消除干扰的方法 1.正确的接地方式 （1）交流接地点与直流接地点分开（2）将逻辑地浮空并使机柜良好接地（3）其他接地方式的考虑第31页，共39页。2合理的电源方案 （1）配电方案中的抗干扰措施 第32页，共39页。（2）利用电源监视电路抗电源干扰 在系统设计时，应根据设计要求采取进一步的保护措施，电源监视电路的设计是抗电源干扰的一个有效的方法。 第33页，共39页。7.4.4 软件抗干扰技术 1实施软件抗干扰的必要条件 在干扰的作用下，微机硬件部分以及于其相联的各功能模块不会受到任何损毁，或易损坏的单元设置有监测状态可查询。系统的程序及固化常数不会因干扰的侵入而变化。RAM区中的重要数据在干扰侵入后可重新建立，并且系统重新运行时不会出现不允许的数据。第34页，共39页。2数据采集系统中的软件抗干扰 （1）数字滤波 算术平均值法 中值滤波法 比较取舍法 加权平均滤波法 一级递推数字滤波法 复合滤波法 第35页，共39页。（2）线形化处理 函数变换 多项式变换 第36页，共39页。3控制状态失灵的软件抗干扰 软件冗余 设置系统控制状态单元 建立自检程序 第37页，共39页。4程序