《計算機控制技術(shù)》PPT課件.ppt

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1、沈陽建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 馬斌,,計算機控制技術(shù),第六章 計算機控制系統(tǒng)的可靠性,計算機控制系統(tǒng)中應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場時，工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境惡劣、干擾頻繁。環(huán)境的特殊性要求計算機控制系統(tǒng)必須具有極高的抗干擾能力和可靠性。 本章從計算機控制系統(tǒng)的運行環(huán)境出發(fā)，從干擾源、干擾路徑、干擾對象多個方面討論計算機控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)。,,第六章 計算機控制系統(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計算機控制系統(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 計算機控制系統(tǒng)的可靠性,6.1計算機控制系統(tǒng)的可靠性概述,計算機控制系統(tǒng)可靠性是指：在規(guī)定條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)

2、完成規(guī)定功能的能力。,它和技術(shù)性能指標同是控制系統(tǒng)的兩個重要方面。,在具體設(shè)計工作中，人們往往只重視系統(tǒng)所具有的功能，而忽略了可靠性。,計算機控制系統(tǒng)對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)濟損失，還有可能造成安全事故。因此，設(shè)計控制系統(tǒng)時必須考慮可靠性。,,第六章 計算機控制系統(tǒng)的可靠性,6.1計算機控制系統(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 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

3、機械條件,,6.1控制系統(tǒng)可靠性概述,二、可靠性的基本概念,可靠性是個定性的概念，它有兩層含義： 一是在規(guī)定的時間內(nèi)無故障運行； 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是正常工作時間，T1,T2,,T是維護時間。 可靠性的主要衡量指標如下：,,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)定時間內(nèi)、規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的成功率。即：N個相同系統(tǒng)，在相同條件下工作，達到規(guī)定時間，有S個

4、未發(fā)生故障時其可靠度。,,6.1控制系統(tǒng)可靠性概述,三、可靠性設(shè)計原則,()簡化系統(tǒng)方案 只要能滿足系統(tǒng)的性能和功能指標，就盡可能地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。避免一個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，盡量用軟件實現(xiàn)。,,6.1控制系統(tǒng)可靠性概述,三、可靠性設(shè)計原則,()防熱設(shè)計 溫度的升高元器件性能將下降，防熱設(shè)計是影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定性及可靠性的重要因素之一，設(shè)計中通常作如下考慮： ）對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。 ）對大功率器件設(shè)置散熱風(fēng)扇。 ）選擇低功耗器件。,,6

5、.1控制系統(tǒng)可靠性概述,三、可靠性設(shè)計原則,()電氣互連的可靠性設(shè)計 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。,()機械防震設(shè)計 震動會對系統(tǒng)造成損害，重點是系統(tǒng)的固定。,()氣候環(huán)境防護設(shè)計 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 計算機控制系統(tǒng)的可靠性,6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),一、元器件級的可靠性設(shè)計技術(shù),二、部件及系統(tǒng)級的可靠性設(shè)計技術(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 計算機控制系統(tǒng)的可靠性,6.2硬件系統(tǒng)的可靠性技術(shù),一、元器件級的可靠性設(shè)計技術(shù) （1）嚴格管理元

6、器件的購置、儲運 （2）老化、篩選和測試 （3）降額使用 （4）選用集成度高的元器件,需老化處理,,第六章 計算機控制系統(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)級的可靠性設(shè)計技術(shù) （1）采用高質(zhì)量的主機 （2）采用模塊化、標準化、積木化結(jié)構(gòu) （3）采用冗余技術(shù) （4）采用雙機系統(tǒng) （5）電磁兼容性設(shè)計 （6）故障自動檢測與診斷技術(shù) （7）其他措施,,第六章 計算機控制系統(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

7、術(shù),1.CPU抗干擾技術(shù),(1).自動復(fù)位 常采用Watchdog(看門狗)來實現(xiàn)發(fā)生故障時自動復(fù)位的功能。,(2).掉電保護 當(dāng)電源電壓下降到一定值時，掉電保護電路向CPU申請中斷。,(3).睡眠抗干擾 通過執(zhí)行睡眠指令讓CPU進入睡眠狀態(tài)。,(4).軟件陷阱 通過執(zhí)行睡眠指令讓CPU進入睡眠狀態(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)來實現(xiàn)發(fā)生故障時自動復(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，來增強電路的可靠性，它提供

8、一個反彈的(無鎖的)手動復(fù)位輸入。 另外常用的集成電路還有X5045、IMP813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(5%容限時的電壓典型時為4.62V，10%容限時的電壓典型時為4.37V)就輸出并保持復(fù)位信號。 (2)按鈕復(fù)位輸入： MAX1232的PBRST端靠手動強制復(fù)位輸出，復(fù)位輸出保持至少250ms的寬度。 (3)監(jiān)控定時器(Watchdog)：微處理器必須在一定時間內(nèi)觸發(fā)ST端(其

9、時間取決于TD)，以便來檢測正常的軟件執(zhí)行。如果沒被觸發(fā)，這時MAX1232的復(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,(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、

10、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)_(感應(yīng)、 傳輸) 電源干擾(傳輸) 10 強電器引入的接觸電弧和反電動勢干擾(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信號上的干擾噪聲。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信號頻率高，則

11、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信號頻率低，則采用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；,如果串模干擾頻率落在被測信號頻譜的兩側(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，串模干擾均比被測信號變化快，故常用二級阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。當(dāng)被測信號變化較快時，應(yīng)相應(yīng)改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以適當(dāng)減小時間常數(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，用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以削弱串模干擾的影響

12、。,對于串模干擾主要來自電磁感應(yīng)的情況下， 對被測信號應(yīng)盡可能早地進行前置放大，從而達到提高回路中的信號噪聲比的目的； 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。,采用雙絞線作信號引線的目的是減少電磁感應(yīng)，并且使各個小環(huán)路的感應(yīng)電勢互相呈反向抵消。選用帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號線，且有良好接地，并對測量儀表進行電磁屏蔽。,,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)

13、換器兩個輸入端上公有的干擾電壓。共模干擾也稱為共態(tài)干擾。 被測信號Us的參考接地點和計算機輸入信號的參考接地點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),單端對地輸入和雙端不對地輸入,對于存在共模干擾的場合，不能采用單端，對地輸入方式，因為此時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電路與數(shù)字信號電路隔離開來，也就是把模擬地與數(shù)字地斷開，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

14、組互相獨立的電源，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 光電耦合器是由發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一個管殼內(nèi)組成的，發(fā)光二極管兩端為信號輸入端，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，它們之間的信號是靠發(fā)光二極管在信號電壓的控制下發(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的“模擬地”浮空，從而達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

15、表放大器具有共模抑制能力強、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等優(yōu)點，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號的器件。 儀表放大器將兩個信號的差值放大。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),計算機控制系統(tǒng)中有70以上的干擾是通過電源耦合進來的。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，沒過壓時只有微安級漏電流，過電壓時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

16、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 計算機系統(tǒng)電源,,抑制交流電源線上引入的高頻干擾,抑制進入交流電源線上的瞬時干擾,原、副邊之間加有靜電屏蔽層,,作業(yè),P135頁 7-1，7-2，7-5,