工業(yè)容錯技術(shù)引論

42002年1月機械設計與制造工程 第31卷第1期工業(yè)容錯技術(shù)引論李.志,王勇(渝州大學(xué)科研處.慶40033)摘要:容錯技術(shù)應用非常廣泛,在相關(guān)理論的指導下,提出了工業(yè)客錯技術(shù)的基本概念,論述了常見(jiàn)的系統故障、典型的工業(yè)容錯設計方法和故障檢測手段,討論了工業(yè)容錯技術(shù)的應用前景和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:工業(yè)系統;容錯設計;故障診斷中圈分類(lèi)號:1IP302.8文獻標識碼:A文章編號:1007 - 9483(2002)01 -0004 - 02An Introduction to Fault - tolerant Technology for IndustryLI Zhi, WANG Yong(Yuzhou University, Chongqing, 40033,China)Astract: The use of fault - toerant tchnology is exensive usually. With the belp of relevant theory, the peper sets up a basicideaof fault - tolerant technology for industry, discuses a common systen failures. It givs the detail about a typical designmethod of faul - tolerant and inspetion, shows the prospects of this technology.Key words: Industry System;Fault - tulcrant Desig;Fault Iiagnosis容錯的基本思想是由馮.諾伊曼在1962年提出的。容免永久性瞬間性和間歇性故障的能力,稱(chēng)為系統的容錯能錯技術(shù)能夠自動(dòng)適時(shí)地監測并診斷出系統的故障,然后采力。 當用概率來(lái)度量這一能力時(shí)就是系統的容錯度。取相應的故障控制或處理方法,自動(dòng)修復或在線(xiàn)修復故障。容錯技術(shù)是可靠性理論的重要分支。系統的容錯度與隨著(zhù)FMC.CIMC和FMS技術(shù)的迅猛發(fā)展,工業(yè)自動(dòng)化、柔可靠度既有關(guān)聯(lián),又有區別。容錯度與可靠度-樣都是衡性化和集成化程度越來(lái)越高。為了有效地保證系統正常I量各種系統質(zhì)量好壞的重要指標.是對系統進(jìn)行可靠性設作.就必須提高系統的可靠性。工業(yè)容錯設計是提高系統可計的重要依據。但是容錯度不能代替可靠度?？煽慷仍诓豢啃缘闹匾緩剿灤┯谙到y的設計、實(shí)驗、生產(chǎn)和使用全同的規定條件下,有基本可靠度和任務(wù)可靠度之分:在一過(guò)程,他與系統整個(gè)壽命周期內的全部可韓性活動(dòng)有關(guān)。定條件下,系統的容錯度與任務(wù)可靠度存在-種函數關(guān)系。工業(yè)容錯技術(shù)包括系統的容錯設計和系統的故障診斷與檢1工業(yè)容錯技術(shù)基礎測等內容,系統故障一般可以分為兩大類(lèi):-類(lèi)是先天的固有故障,如元器件生產(chǎn)過(guò)程中造成的故障和線(xiàn)路與程序在設計2系統的容錯設計過(guò)程中產(chǎn)生的故障,這一-類(lèi)故障需對其拆卸、更換或改正;當系統設計過(guò)程中規定了可籍性指標(如可靠度),并另一類(lèi)故障是后天的永久性、瞬間性或間歇性故障,是由于按一定的方法把可靠性指標分配給組成系統的分系統、設系統在運行過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷所導致的,造成這-類(lèi)故障備和元器件后,就需要研究實(shí)現這個(gè)可靠性指標的可能性的原因很多.外部原因包括溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、噪聲停及方法。系統的容錯設計就是對發(fā)生或可能發(fā)生故障的電等物理因素及操作人員過(guò)失等人為因素,內部原因包括系統及其組成單元進(jìn)行分析,鑒別其故障模式、故障原因或系統的偶然性故障和長(cháng)時(shí)間使用后性能老化，以及經(jīng)過(guò)可故障機理,估計該故障模式對系統可能產(chǎn)生的影響,采取容靠性增長(cháng)試驗仍未能發(fā)現的軟件和硬件缺陷等引起的故錯方法保證可靠性指標分配。根據系統組成特點(diǎn)，系統故障。工業(yè)容錯技術(shù)主要針對系統可能出現的永久性、解間障可分為機械系統故障、軟件系統故障信息和控制系統故性和間歇性故障進(jìn)行容錯設計、故障檢測與診斷以及故障障。決策。容錯設計的主要方法是系統冗余,但不同的故障形式工業(yè)容錯技術(shù)以控制論、模糊控制論、可靠性、概率論、必須采用不同的冗余方法。特別要指出,并不是所有的系系統論以及CIMS技術(shù)等理論為研兗基礎;以自動(dòng)化、柔性統故障都能用容錯技術(shù)加以解決,這也正是容錯技術(shù)不能化、集成化和信息化程度很高的大規模生產(chǎn)線(xiàn)加工中心為等同于可靠性理論的原因之一。下面分別就機械系統故研究對象;以設計制造和使用過(guò)程中經(jīng)濟損失最低為研究障、軟件系統故障信息和控制系統故障的容錯設計方法作目標。系統在規定的使用壽命中,能夠檢測、診斷決策及避2.1機槭系統容鐠設計中國煤化工收稿日期:2001 -08 - 20作者簡(jiǎn)介:李志(1965 - ).男.四川南充人,渝州大學(xué)副教授.碩+MYHC N M H G$術(shù)、CADCAPP/CAM等c_ .綜述 李志王勇工業(yè)容錯技術(shù)引論構件在強度剛度和穩定性方面的故障是隨機故障或障和信號干擾故障。靜態(tài)故障。一方面機械結構承受的載荷是服從某一分布的在工程實(shí)際中,幾乎總是兒種故障模型同時(shí)出現,要區隨機變量,另一方面構件的強度受加工制造等原因影響,也別開(kāi)來(lái)是非常困難的。對此我們提出一種新的容錯模型即是服從某一分布的隨機變量,這就決定了結構的故障具有網(wǎng)絡(luò )系統冗余模型,網(wǎng)絡(luò )可以表達系統,特別是復雜系統隨機性質(zhì)。顯然載荷和強度的波動(dòng)將影響構件發(fā)生瞬間性各部分之間的邏輯關(guān)系和功能關(guān)系,所以網(wǎng)絡(luò )系統冗余模故障的慨率。容錯設計就是在已知載荷和強度這兩個(gè)隨機型能夠很好地起到容 錯的作用，其優(yōu)點(diǎn)是既減少容錯單元，變量的分布形式的條件下,合理選擇強度的分布值,把瞬間提高可靠性,又降低了制造成本。通過(guò)聯(lián)絡(luò )矩陣法可以設性故障控制在系統可靠度允許的苑圍內,這就是所謂的概計最佳網(wǎng)絡(luò ) 系統冗余模型。率設計方法"。當把載荷和強度用交變載荷和疲勞強度代對于一個(gè)系統,盡管把可靠性設計、元器件的嚴格篩選替概率設計時(shí).就是疲勞設計方法。到工藝方案實(shí)施都考慮得很周巒,但事實(shí)說(shuō)明.要確保-一個(gè)構件由于運動(dòng)誤差產(chǎn)生的故障是永久性故障或動(dòng)態(tài)故系統完全不出故障,這是不可能的，也是不現實(shí)的。問(wèn)題是障:機構的運動(dòng)誤差是指該機構的位移誤差.速度誤差和一旦發(fā)現故障,如何檢測故障判斷故障的原因并準確定位加速度誤差。當機構的運動(dòng)誤差超過(guò)允許范圍時(shí),系統就故障點(diǎn),這就需要故障診斷技術(shù)。無(wú)法及時(shí)、準確、協(xié)調地工作，甚至導致動(dòng)作失效,這是一種永久性的故障。容錯設計通過(guò)對傳遞函數的分析,確定機3系統的故障檢測與診斷構中的關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵配合,選擇合理的設計精度,控制應用測試技術(shù)進(jìn)行故障檢測與診斷是容錯技術(shù)的又. -制造誤差,把運動(dòng)誤差控制在系統可靠度允許的范圍內,這個(gè)主要內容,其目的在于當系統內發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)發(fā)現是機構運動(dòng)可靠性研究的內容(2。當考慮構件的磨損.腐故障,并確定出故障的部位和類(lèi)型,同時(shí)自動(dòng)采取保護措蝕等因素時(shí),可采用耗損型故障模型分析法。施。故障檢測與診斷的成功與否將直接影響系統的容錯能2.2 計算機與軟件系統容錯設計力。對于軟件系統容錯設計,比較公認的方法有兩個(gè),即軟目前故障檢淵和診斷中常用的方法有如下幾種:件冗余和時(shí)間冗余。目前國內外許多學(xué)者又提了幾種軟a.參數法["。根據現代控制論,用模糊控制論與數理件容錯模型,例如:數據流分析模型和仿生免疫分析模統計理論相結合的方法進(jìn)行故障檢測。通過(guò)測試碼和檢驗型+時(shí)。軟件冗余對水久性瞬間性和間歇性故障都有很碼確定偏差量,利用插補校驗等方式實(shí)現系統容錯控制。好的容錯效果。目前有恢復塊技術(shù)、N版本編程技術(shù)及Nb.表決法("]。利用以n(G)表決系統中單元數的差值版本自檢編程技術(shù)等容錯方法。但軟件開(kāi)發(fā)投人較大,月實(shí)現容錯控制,他屬于冗余的一種。根據單元之間的可靠還存在是否兼容的問(wèn)題,所以目前只適用于可靠性要求極性關(guān)系和功能關(guān)系的不同,表決法又分為兩種情況:(1)可高的目標域等極為復雜的領(lǐng)域,如航空航天、火控等高危性靠性關(guān)系表決法。對系統中可靠性要求極高的關(guān)鍵部件引計算機系統。人多重相同的單元，利用表決法檢測并診斷系統故障,利用時(shí)間冗余包括指令重復和程序卷回等方法。由于時(shí)間冗余的部件實(shí)現容錯的目的。(2)功能關(guān)系表決法:從系冗余的投入小，易于軟件開(kāi)發(fā)與維護.目前已得到較廣泛的統單元之間的功能關(guān)系。上實(shí)現冗余(如網(wǎng)絡(luò )冗余),利用系應用:但時(shí)間冗余的缺點(diǎn)是對永久性故障只有檢錯能力而統狀態(tài)輸出等變化來(lái)檢測和診斷系統的故障.利用最少的無(wú)容錯作用。冗余實(shí)現容錯的目的。數據流分析是把時(shí)間冗余和恢復塊技術(shù)結合起來(lái)的冗c.振動(dòng)法。根據機械振動(dòng)、電磁振蕩、光波動(dòng)的頻率、余方法。軟件的失效最根本是數據的畸變,最終的表現形磁場(chǎng),通過(guò)波長(cháng)變化儀檢測和診斷故障并通過(guò)設定補償值式也是數據的畸變,所以通過(guò)對數據的研究而實(shí)施軟件容和校驗值達到容錯的目的。錯是-一個(gè)重要途徑。仿生免疫分析模型是基于人的免疫系d.智能化的專(zhuān)家系統。近10年來(lái),在信息論、控制論統的四點(diǎn)基本特征提出來(lái)的。這-思路將對我們今后的容和系統論等理論的指 導下,人工智能技術(shù)和專(zhuān)家系統不斷錯技術(shù)的發(fā)展有重要的指導作用。得以發(fā)展和逐步完善,面向大型綜合自動(dòng)化制造系統的專(zhuān)2.3信息和控制 系統容錯設計家系統故障診斷技術(shù)杞經(jīng)發(fā)展起來(lái)。其基本思想是將機、控制系統以控制器為核心.通過(guò)傳感器和執行機構將電氣、液各方面的故障知識統- 建立一個(gè)知識庫,并利用受控系統和控制器連接在一起。目前采用的容錯方法有在線(xiàn)檢測到的各種信息,邇過(guò)分析、綜合、推理,準確定位故Watchdog 技術(shù)、雙機冗余系統設計、降額使用和自診斷自障點(diǎn)并提出合理的排除故障方法。專(zhuān)家系統還具備某種自修復程序設計等。學(xué)習的能力,不斷修改、完善知識庫?？梢灶A計,在不遠的Watchdog俗稱(chēng)“看門(mén)狗”,他實(shí)質(zhì)上是一個(gè)監控定時(shí)將來(lái),故障診斷人工智能專(zhuān)家系統將會(huì )獲得很大發(fā)展,并進(jìn)器+-6。當某一進(jìn)程因程序“跑飛”而超過(guò)其Watchdog定人商品化實(shí)用階段。時(shí)值時(shí).定時(shí)器自動(dòng)迫使主機進(jìn)行指令重復或程序卷回,從中國煤化工而達到容錯的目的。雙機冗余系統是提高計算機可嶄性的4結束21IIYHCNMHG.高柔性的集成重要方法。在集散控制系統中,由于計算機程序運行的獨立性,控制計算機無(wú)法熱切換,因此必須提高計算機的可靠化的加工系統，是計算機網(wǎng)絡(luò )控制的加工白動(dòng)線(xiàn)、他包括對性:降額使用仍然是一.種冗余，可以有效地臧少邊緣性故(下轉第8頁(yè)]82002年1月機械設計與制造工程 第31卷第1期長(cháng)逐步對工件的數字模型進(jìn)行修改,直至NC程序結束,得精確可靠的手段是用有限心方法進(jìn)行分析.但是以月前的到虛擬加工生成的零件。一個(gè)步長(cháng)的虛擬切削過(guò)程如圖4技術(shù)和條件,有限元計算的速度難以達到在虛擬加工過(guò)程所示,所涉及的處理包括:根據當前的NC指令和當前的刀中進(jìn)行實(shí)時(shí)力學(xué)分析的要求,不可能在每一個(gè)步長(cháng) 上都進(jìn)位得出下一步的刀位,并結合刀具的幾何信息生成刀具掃行一次有限元分析。為了克服這-難點(diǎn),在系統中利用常掠體;然后再用該刀具歸掠體與當前的工件實(shí)體模型進(jìn)行規的金屬切削學(xué)的方法,初步獲得零件在加工過(guò)程中受力布爾運算,得到切削量;在考慮當前工件的幾何信息、工件較大、材料較易變形的區段和部位.再采用有限元模型進(jìn)行材料信息以及工件裝夾引起的幾何約束信息等諸條件后.精確分析。通過(guò)切削量進(jìn)行力學(xué)計算得到切削力和工件的變形(2);將工件的變形情況反饋回布爾運算.在布爾運算中考慮到本5 結束語(yǔ)次切削引起的工件變形和本次切削完工件回彈的影響后，虛擬加I技術(shù)作為對加丁過(guò)程進(jìn)行深入研究的一項新得到的運算結果將作為進(jìn)行下一步運算的工件實(shí)體模型。興技術(shù),有著(zhù)重要的實(shí)際意義和研究?jì)r(jià)值:現給出了-個(gè)通過(guò)對切削力和工件的上刀位信鼻[虛擬加工平臺的體系結構及其功能配置,并闡述了該平臺變形的計算,使系統能夠找當前刀位信已生成刀月的幾何建模、虛擬環(huán)境建模、加工過(guò)程仿真.數據處理等主到對加工質(zhì)量影響最大的加具幾何信息掃掠體I件變形要模塊的設計;分析了系統中涉及的兒項關(guān)鍵技術(shù).即幾何工因素.發(fā)現可能存在的因當前工件操體。F一步工程模型的轉換與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的力學(xué)分析.提出了系統中實(shí)現這為切削力過(guò)大或結構設計不布爾運算些關(guān)鍵技術(shù)的可行方案,為虛擬加工平臺的開(kāi)發(fā)和應用打當而起工件塑性水久變彤工作材料信息1下了基礎。的加工點(diǎn)。上件裝夾信息端上切制力過(guò)程仿真模塊中包含了工作幾何信息計算參考文獻:用形處理模塊,在虛擬加工[1]姜曉峰. 數控加工仿真關(guān)鍵技術(shù)研究]D]南京:南京航空航圍4虛擬切削運行時(shí)同步進(jìn)行切削過(guò)程圖一個(gè)步長(cháng)的處理過(guò)程天大學(xué),199.形顯示和過(guò)程參數的顯示。2] Somith S, Tlusy J.An overiew of modeling and smulation of the3.4數據處理模塊milling pocess[J] .Jourmal of Engneering for Indusry. 1991(113):169- 175.虛擬加工結束后,在數據處理模塊中對該虛擬加I過(guò)[3] Takata S. Tsai M D.A cuting sinulation systen for machinahil.程生成的零件與設計零件進(jìn)行比較分析,給出用戶(hù)需要的ity evaluation using a workpice Mode![J; . Annalk of CIRP.最終數據,并且將虛擬加工過(guò)程中的一些動(dòng)態(tài)數據進(jìn)行統199,38(1):417- 420. .計匯[總,生成變化曲線(xiàn)。數據分析結果以圖形形式在界面.4] Wang W P. Solid modeling for opizing mcal remxval of thrcet顯示或以誤差文件形式輸出。- dimensionel NC end mlng[J].Joumal of Manufeceuring Sys-tems, 188.7(1); S7 - 654幾項關(guān)技術(shù).4.1 幾何模型的操作和轉換(上接第5頁(yè))信息流、物料流加工過(guò)程的自動(dòng)化和各種零在虛擬加工運行的過(guò)程中,要涉及大量的幾何運算,其部件加工的自動(dòng)轉換。 系統可靠性理論及工業(yè)容錯技術(shù)是中包括工件幾何實(shí)體與刀具掃掠體之間布爾運算和系統內保證加工系統正常運行、實(shí)現給定功能的一個(gè)重要理論基實(shí)體的物性計算等等。虛擬加工運行過(guò)程中的布爾運算不礎和技術(shù)條件。 “產(chǎn)品的可靠性是設計出來(lái)的生產(chǎn)出來(lái)僅計算量大,要求算法有極高的速度，而且由于工件形狀的的,管理出來(lái)的”. 而沒(méi)有容錯技術(shù)的不斷發(fā)展，可靠性理論復雜性和加I中刀位的不確定性以及可能出現的工件變形就失去 了應用的基礎。因此對工業(yè)谷錯技術(shù)的理論探討和等原因.還要求算法有很高的穩定性。應用研究,具有現實(shí)意義和歷史意義。CAD軟件設計的幾何模型中包含有實(shí)體精確完整的幾何信息,可以用作系統中被加工零件、刀具和毛坯的幾何參考文獻:描述,但是并不適合于高速穩定的布爾運算。通常的方法[I] 陸廷孝 .可靠性設計與分析[M].北京:國防I業(yè)出版社，是對工件采用其他的模型來(lái)表示，以簡(jiǎn)化布爾運算,比如離1995.散化為z- bffler模型3.4等。所以系統也將把外部CAD[2: 李志，機構運動(dòng)可靠性引論J小榆州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版197<2):22 .. 25.軟件設計的幾何模型轉換為系統內部的幾何模型,該模型[3]姚~ 平.可靠性及余度技術(shù)[M].北京:航空工業(yè)出版社.1991.要適合于虞報加工必須滿(mǎn)足以下3點(diǎn):(1)能夠進(jìn)行快速穩[4] Algirda s, Avi Zleni S. Toward sysematc desgn sf faulr--定的布爾運算;(2)能提供布爾運算結果的幾何信息,即得Tolerant systems[J]. IEEE Computcr, 1997(2):11- 13.到相應的刀具切人深度、刀刃上瞬時(shí)未變形切屑厚度等將5] Fla Viu,Cni Stian. Understanding ftult- Todern disnoburel被用作物性計算的幾何數據;(3)要能在虛擬加工結束后給sustems[ IL.Communications of Acr. 1991(1):14- 17.出虛擬加工結果完整的幾何信息,以對各個(gè)尺寸的加工精中國煤化工J;1EEE Tras Reia度進(jìn)行分析。4.2 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的力學(xué)分析CHCNMH G:.武議:華中理工在虛擬加工過(guò)程中進(jìn)行切削力與綬力變形的計算比較大學(xué)出版社，1990.