《計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制技術(shù),第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)。,,第六章 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,6.1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)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(biāo)同是控制系統(tǒng)的兩個重要方面。,在具體設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)損失，還有可能造成安全事故。因此，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時必須考慮可靠性。,,第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性,6.1計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì) 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(jī)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(yùn)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(hù)時間。 可靠性的主要衡量指標(biāo)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(dá)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(jì)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(biāo)，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(biāo)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(shí)現(xiàn)。,,6.1控制系統(tǒng)可靠性概述,三、可靠性設(shè)計(jì)原則,()防熱設(shè)計(jì) 溫度的升高元器件性能將下降，防熱設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)原則,()電氣互連的可靠性設(shè)計(jì) 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(jī)械防震設(shè)計(jì) 震動會對系統(tǒng)造成損害，重點(diǎn)是系統(tǒng)的固定。,()氣候環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì) 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(jì)算機(jī)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(jì)技術(shù),二、部件及系統(tǒng)級的可靠性設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)技術(shù) （1）嚴(yán)格管理元

6、器件的購置、儲運(yùn) （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(jì)算機(jī)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(jì)技術(shù) （1）采用高質(zhì)量的主機(jī) （2）采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、積木化結(jié)構(gòu) （3）采用冗余技術(shù) （4）采用雙機(jī)系統(tǒng) （5）電磁兼容性設(shè)計(jì) （6）故障自動檢測與診斷技術(shù) （7）其他措施,,第六章 計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)發(fā)生故障時自動復(fù)位的功能。,(2).掉電保護(hù) 當(dāng)電源電壓下降到一定值時，掉電保護(hù)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(jìn)入睡眠狀態(tài)。,(4).軟件陷阱 通過執(zhí)行睡眠指令讓CPU進(jìn)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行前置放大，從而達(dá)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(jìn)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(diǎn)和計(jì)算機(jī)輸入信號的參考接地點(diǎn)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?yàn)榇藭r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?cái)嚅_，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(dú)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(dá)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(qiáng)、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中有70以上的干擾是通過電源耦合進(jìn)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(hù)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源,,抑制交流電源線上引入的高頻干擾,抑制進(jìn)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,