《计算机控制技术》PPT课件.ppt

沈阳建筑大学信息与控制工程学院马斌 计算机控制技术 第六章计算机控制系统的可靠性 计算机控制系统中应用于工业现场时 工业现场的环境恶劣 干扰频繁 环境的特殊性要求计算机控制系统必须具有极高的抗干扰能力和可靠性 本章从计算机控制系统的运行环境出发 从干扰源 干扰路径 干扰对象多个方面讨论计算机控制系统的可靠性技术 第六章计算机控制系统的可靠性 本章介绍控制系统的可靠性 有以下内容 6 1计算机控制系统的可靠性概述 6 2硬件抗干扰技术 6 3软件可靠性技术 第六章计算机控制系统的可靠性 6 1计算机控制系统的可靠性概述 计算机控制系统可靠性是指 在规定条件下 在规定的时间内完成规定功能的能力 它和技术性能指标同是控制系统的两个重要方面 在具体设计工作中 人们往往只重视系统所具有的功能 而忽略了可靠性 计算机控制系统对可靠性提出了很高的要求 系统一旦发生故障 既有可能造成经济损失 还有可能造成安全事故 因此 设计控制系统时必须考虑可靠性 第六章计算机控制系统的可靠性 6 1计算机控制系统的可靠性概述 一 影响可靠性的因素 二 可靠性的基本概念 三 可靠性设计原则 6 1控制系统可靠性概述 一 影响可靠性的因素 1 内部因素1 元器件本身的性能与可靠性2 系统结构设计3 安装与调试 2 外部因素1 外部电气条件2 外部空间条件3 外部机械条件 6 1控制系统可靠性概述 二 可靠性的基本概念 可靠性是个定性的概念 它有两层含义 一是在规定的时间内无故障运行 二是出现故障后 能够快速维修 t1T1t2T2t3T4T tnt 其中 t1 t2 tn是正常工作时间 T1 T2 T 是维护时间 可靠性的主要衡量指标如下 6 1控制系统可靠性概述 二 可靠性的基本概念 6 1控制系统可靠性概述 二 可靠性的基本概念 6 1控制系统可靠性概述 二 可靠性的基本概念 5 可靠度R R S N定义为在规定时间内 规定条件下完成规定功能的成功率 即 N个相同系统 在相同条件下工作 达到规定时间 有S个未发生故障时其可靠度 6 1控制系统可靠性概述 三 可靠性设计原则 简化系统方案只要能满足系统的性能和功能指标 就尽可能地简化系统结构 避免一个元件失效的最好办法就是在系统中省去它 避免片面追求高性能指标和过多的系统功能 合理划分软硬件的功能在CPU资源允许的前提下 尽量用软件实现 6 1控制系统可靠性概述 三 可靠性设计原则 防热设计温度的升高元器件性能将下降 防热设计是影响系统工作稳定性及可靠性的重要因素之一 设计中通常作如下考虑 对功率器件使用散热器 合理安排元器件的布局 特别是功率发热器件 对大功率器件设置散热风扇 选择低功耗器件 6 1控制系统可靠性概述 三 可靠性设计原则 电气互连的可靠性设计主要是元器件 功能模块及总线之间的互连 也是系统故障发生率较高的地方 机械防震设计震动会对系统造成损害 重点是系统的固定 气候环境防护设计一般考虑温度 湿度 气压 腐蚀性放射性气体 雨 雪 盐雾等 第六章计算机控制系统的可靠性 6 2硬件系统的可靠性技术 一 元器件级的可靠性设计技术 二 部件及系统级的可靠性设计技术 三 抗干扰技术 1 CPU抗干扰技术 过程通道抗干扰技术 电源抗干扰技术 第六章计算机控制系统的可靠性 6 2硬件系统的可靠性技术 一 元器件级的可靠性设计技术 1 严格管理元器件的购置 储运 2 老化 筛选和测试 3 降额使用 4 选用集成度高的元器件 需老化处理 第六章计算机控制系统的可靠性 6 2硬件系统的可靠性技术 二 部件及系统级的可靠性设计技术 1 采用高质量的主机 2 采用模块化 标准化 积木化结构 3 采用冗余技术 4 采用双机系统 5 电磁兼容性设计 6 故障自动检测与诊断技术 7 其他措施 第六章计算机控制系统的可靠性 6 2硬件系统的可靠性技术 采用冗余技术 冗余有两种方式 工作冗余和备用冗余 常用的冗余系统按结构可分为 并联系统 备用系统 表决系统 6 2硬件系统的可靠性技术 三 抗干扰技术 1 CPU抗干扰技术 1 自动复位常采用Watchdog 看门狗 来实现发生故障时自动复位的功能 2 掉电保护当电源电压下降到一定值时 掉电保护电路向CPU申请中断 3 睡眠抗干扰通过执行睡眠指令让CPU进入睡眠状态 4 软件陷阱通过执行睡眠指令让CPU进入睡眠状态 6 2硬件系统的可靠性技术 三 抗干扰技术 1 CPU抗干扰技术 常采用Watchdog 看门狗 来实现发生故障时自动复位的功能 MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能 MAX1232通过监控微处理器系统电源供电及监控软件的执行 来增强电路的可靠性 它提供一个反弹的 无锁的 手动复位输入 另外常用的集成电路还有X5045 IMP813等 6 2硬件系统的可靠性技术 三 抗干扰技术 1 CPU抗干扰技术 MAX1232内部原理 MAX1232引脚 6 2硬件系统的可靠性技术 三 抗干扰技术 MAX1232的主要功能 1 电源监控 每当Vcc低于所选择的容限时 5 容限时的电压典型时为4 62V 10 容限时的电压典型时为4 37V 就输出并保持复位信号 2 按钮复位输入 MAX1232的PBRST端靠手动强制复位输出 复位输出保持至少250ms的宽度 3 监控定时器 Watchdog 微处理器必须在一定时间内触发ST端 其时间取决于TD 以便来检测正常的软件执行 如果没被触发 这时MAX1232的复位输出至少保持250ms的宽度 6 2硬件系统的可靠性技术 三 抗干扰技术 监控电路MAX1232的典型应用 1 CPU抗干扰技术 三 抗干扰技术 过程通道抗干扰技术 内部和外部干扰示意图 三 抗干扰技术 过程通道抗干扰技术 串模干扰与共模干扰波形 a 直流信号 b 串模干扰 c 共模干扰 d 串模干扰与共模干扰共同作用 装置开口或隙缝处进入的辐射干扰 辐射 电网变化干扰 传输 周围环境用电干扰 辐射 传输 感应 传输线上的反射干扰 传输 系统接地不妥引入的干扰 传输 感应 外部线间串扰 传输 感应 逻辑线路不妥造成的过渡干扰 传输 线间串扰 感应 传输 电源干扰 传输 10强电器引入的接触电弧和反电动势干扰 辐射 传输 感应 11内部接地不妥引入的干扰 传输 12漏磁感应 感应 13传输线反射干扰 传输 14漏电干扰 传输 三 抗干扰技术 干扰来源 三 抗干扰技术 过程通道抗干扰技术 A 串模干扰及其抑制方法 1 串模干扰所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声 也称为常态干扰 三 抗干扰技术 2 过程通道抗干扰技术 A 串模干扰及其抑制方法 2 串模干扰的抑制方法 如果串模干扰频率比被测信号频率高 则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰 如果串模干扰频率比被测信号频率低 则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰 如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧 则应用带通滤波器 三 抗干扰技术 2 过程通道抗干扰技术 A 串模干扰及其抑制方法 2 串模干扰的抑制方法一般情况下 串模干扰均比被测信号变化快 故常用二级阻容低通滤波网络作为模 数转换器的输入滤波器 当被测信号变化较快时 应相应改变网络参数 以适当减小时间常数 三 抗干扰技术 2 过程通道抗干扰技术 A 串模干扰及其抑制方法 2 串模干扰的抑制方法 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时 用双积分式A D转换器可以削弱串模干扰的影响 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下 对被测信号应尽可能早地进行前置放大 从而达到提高回路中的信号噪声比的目的 或者尽可能早地完成模 数转换或采取隔离和屏蔽等措施 三 抗干扰技术 2 过程通道抗干扰技术 A 串模干扰及其抑制方法 2 串模干扰的抑制方法 从选择逻辑器件入手 利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰 采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应 并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消 选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线 且有良好接地 并对测量仪表进行电磁屏蔽 三 抗干扰技术 2 过程通道抗干扰技术 B 共模干扰及其抑制方法 1 共模干扰所谓共模干扰是指模 数转换器两个输入端上公有的干扰电压 共模干扰也称为共态干扰 被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm 三 抗干扰技术 2 过程通道抗干扰技术 单端对地输入和双端不对地输入 对于存在共模干扰的场合 不能采用单端 对地输入方式 因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压 如左图所示 所以必须采用双端输入不对地方式 如右图所示 2 过程通道抗干扰技术 B 共模干扰及其抑制方法 变压器隔离利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来 也就是把模拟地与数字地断开 以使共模干扰电压 cm不成回路 从而抑制了共模干扰 另外 隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源 切断两部分的地线联系 2 过程通道抗干扰技术 B 共模干扰及其抑制方法 光电隔离 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的 发光二极管两端为信号输入端 光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端 它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光 传给光敏三极管来完成的 2 过程通道抗干扰技术 B 共模干扰及其抑制方法 浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰 如图所示 这是利用屏蔽方法使输入信号的 模拟地 浮空 从而达到抑制共模干扰的目的 2 过程通道抗干扰技术 B 共模干扰及其抑制方法 采用仪表放大器提高共模抑制比 仪表放大器具有共模抑制能力强 输入阻抗高 漂移低 增益可调等优点 是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件 仪表放大器将两个信号的差值放大 抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因 AD620 低功耗 低成本 集成仪表放大器 还有AD623等等 三 抗干扰技术 电源抗干扰技术 计算机控制系统中有70 以上的干扰是通过电源耦合进来的 采用的抗干扰技术措施有 1 用压敏电阻吸收电网过电压 压敏电阻具有稳压管的特性 没过压时只有微安级漏电流 过电压时以急剧增长的放电流形式吸收过电压 并联使用 靠近被保护端 三 抗干扰技术 电源抗干扰技术 2 交流电源滤波 尖峰脉冲干扰波形 非周期性三角波频谱 电源滤波器 RV用于抑制浪涌电压 L1 L2滤除串模干扰 L3 L4用于滤除共模干扰 三 抗干扰技术 电源抗干扰技术 3 采用低通滤波器 采用低通滤波器抑制电网侵入的外部高