机械设备控制系统的故障诊断技术
第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统的故障诊 断技术 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章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 包含因素：包含因素： 对象对象 使用条件使用条件 规定时间规定时间 规定功能规定功能 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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（Maintainability）: 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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 7.1.3 可靠性指 标 u失效函数 u可靠度函数 1. 1.失效函数和可靠度函数 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 不可修复产品不可修复产品失效前平均时间失效前平均时间MTTFMTTF（Mean Time To FailureMean Time To Failure） 2. 2. 失效率失效率（Failure RateFailure Rate） 3. 3.寿命（寿命（LifeLife） 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 可修复产品可修复产品平均无故障工作时间或平均故障间隔平均无故障工作时间或平均故障间隔MTBFMTBF（Mean Mean Time Between FailureTime Between Failure）。）。 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 7.1.4 可靠性预 测 uu元件的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。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。平。 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 uu系统的可靠性预测系统的可靠性预测 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型引伸出来。 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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）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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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. 1.永久性故障永久性故障 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 2. 2.间发性故障间发性故障 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，分析和诊断都比较困 难，因此又称为软故障 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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. 3.边缘性故障边缘性故障 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 7.2.2 软件故障 软件的失效率曲线 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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. 1.依据干扰的来源划分依据干扰的来源划分 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 （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. 1.依据干扰产生和传播的方式来划分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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 （4）电磁辐射干扰：如果在控制系统附近存在磁场、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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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 品的可靠性。 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 7.3.2 机械设备控制系统的自诊 断 1.自诊断的主要功能 u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 u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 u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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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，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1章 绪论 第7章 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 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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 2.屏蔽干扰源 （1）光电隔 离 第1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 （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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统 的故障诊断技术 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1章 绪论 第7章 机械设备控制系统
