工业容错技术引论

42002年1月机械设计与制造工程 第31卷第1期工业容错技术引论李.志,王勇(渝州大学科研处.庆40033)摘要:容错技术应用非常广泛,在相关理论的指导下,提出了工业客错技术的基本概念,论述了常见的系统故障、典型的工业容错设计方法和故障检测手段,讨论了工业容错技术的应用前景和发展方向。关键词:工业系统;容错设计;故障诊断中圈分类号:1IP302.8文献标识码:A文章编号: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容错的基本思想是由冯.诺伊曼在1962年提出的。容免永久性瞬间性和间歇性故障的能力,称为系统的容错能错技术能够自动适时地监测并诊断出系统的故障,然后采力。 当用概率来度量这一能力时就是系统的容错度。取相应的故障控制或处理方法,自动修复或在线修复故障。容错技术是可靠性理论的重要分支。系统的容错度与随着FMC.CIMC和FMS技术的迅猛发展,工业自动化、柔可靠度既有关联,又有区别。容错度与可靠度-样都是衡性化和集成化程度越来越高。为了有效地保证系统正常I量各种系统质量好坏的重要指标.是对系统进行可靠性设作.就必须提高系统的可靠性。工业容错设计是提高系统可计的重要依据。但是容错度不能代替可靠度。可靠度在不靠性的重要途径他贯穿于系统的设计、实验、生产和使用全同的规定条件下,有基本可靠度和任务可靠度之分:在一过程,他与系统整个寿命周期内的全部可韩性活动有关。定条件下,系统的容错度与任务可靠度存在-种函数关系。工业容错技术包括系统的容错设计和系统的故障诊断与检1工业容错技术基础测等内容,系统故障一般可以分为两大类:-类是先天的固有故障,如元器件生产过程中造成的故障和线路与程序在设计2系统的容错设计过程中产生的故障,这一-类故障需对其拆卸、更换或改正;当系统设计过程中规定了可籍性指标(如可靠度),并另一类故障是后天的永久性、瞬间性或间歇性故障,是由于按一定的方法把可靠性指标分配给组成系统的分系统、设系统在运行过程中产生的缺陷所导致的,造成这-类故障备和元器件后,就需要研究实现这个可靠性指标的可能性的原因很多.外部原因包括温度、湿度、振动、冲击、噪声停及方法。系统的容错设计就是对发生或可能发生故障的电等物理因素及操作人员过失等人为因素,内部原因包括系统及其组成单元进行分析,鉴别其故障模式、故障原因或系统的偶然性故障和长时间使用后性能老化，以及经过可故障机理,估计该故障模式对系统可能产生的影响,采取容靠性增长试验仍未能发现的软件和硬件缺陷等引起的故错方法保证可靠性指标分配。根据系统组成特点，系统故障。工业容错技术主要针对系统可能出现的永久性、解间障可分为机械系统故障、软件系统故障信息和控制系统故性和间歇性故障进行容错设计、故障检测与诊断以及故障障。决策。容错设计的主要方法是系统冗余,但不同的故障形式工业容错技术以控制论、模糊控制论、可靠性、概率论、必须采用不同的冗余方法。特别要指出,并不是所有的系系统论以及CIMS技术等理论为研兖基础;以自动化、柔性统故障都能用容错技术加以解决,这也正是容错技术不能化、集成化和信息化程度很高的大规模生产线加工中心为等同于可靠性理论的原因之一。下面分别就机械系统故研究对象;以设计制造和使用过程中经济损失最低为研究障、软件系统故障信息和控制系统故障的容错设计方法作目标。系统在规定的使用寿命中,能够检测、诊断决策及避2.1机槭系统容镨设计中国煤化工收稿日期:2001 -08 - 20作者简介:李志(1965 - ).男.四川南充人,渝州大学副教授.硕+MYHC N M H G$术、CADCAPP/CAM等c_ .综述 李志王勇工业容错技术引论构件在强度刚度和稳定性方面的故障是随机故障或障和信号干扰故障。静态故障。一方面机械结构承受的载荷是服从某一分布的在工程实际中,几乎总是儿种故障模型同时出现,要区随机变量,另一方面构件的强度受加工制造等原因影响,也别开来是非常困难的。对此我们提出一种新的容错模型即是服从某一分布的随机变量,这就决定了结构的故障具有网络系统冗余模型,网络可以表达系统,特别是复杂系统随机性质。显然载荷和强度的波动将影响构件发生瞬间性各部分之间的逻辑关系和功能关系,所以网络系统冗余模故障的慨率。容错设计就是在已知载荷和强度这两个随机型能够很好地起到容 错的作用，其优点是既减少容错单元，变量的分布形式的条件下,合理选择强度的分布值,把瞬间提高可靠性,又降低了制造成本。通过联络矩阵法可以设性故障控制在系统可靠度允许的苑围内,这就是所谓的概计最佳网络 系统冗余模型。率设计方法"。当把载荷和强度用交变载荷和疲劳强度代对于一个系统,尽管把可靠性设计、元器件的严格筛选替概率设计时.就是疲劳设计方法。到工艺方案实施都考虑得很周巒,但事实说明.要确保-一个构件由于运动误差产生的故障是永久性故障或动态故系统完全不出故障,这是不可能的，也是不现实的。问题是障:机构的运动误差是指该机构的位移误差.速度误差和一旦发现故障,如何检测故障判断故障的原因并准确定位加速度误差。当机构的运动误差超过允许范围时,系统就故障点,这就需要故障诊断技术。无法及时、准确、协调地工作，甚至导致动作失效,这是一种永久性的故障。容错设计通过对传递函数的分析,确定机3系统的故障检测与诊断构中的关键零部件和关键配合,选择合理的设计精度,控制应用测试技术进行故障检测与诊断是容错技术的又. -制造误差,把运动误差控制在系统可靠度允许的范围内,这个主要内容,其目的在于当系统内发生故障时能自动发现是机构运动可靠性研究的内容(2。当考虑构件的磨损.腐故障,并确定出故障的部位和类型,同时自动采取保护措蚀等因素时,可采用耗损型故障模型分析法。施。故障检测与诊断的成功与否将直接影响系统的容错能2.2 计算机与软件系统容错设计力。对于软件系统容错设计,比较公认的方法有两个,即软目前故障检渊和诊断中常用的方法有如下几种:件冗余和时间冗余。目前国内外许多学者又提了几种软a.参数法["。根据现代控制论,用模糊控制论与数理件容错模型,例如:数据流分析模型和仿生免疫分析模统计理论相结合的方法进行故障检测。通过测试码和检验型+时。软件冗余对水久性瞬间性和间歇性故障都有很码确定偏差量,利用插补校验等方式实现系统容错控制。好的容错效果。目前有恢复块技术、N版本编程技术及Nb.表决法("]。利用以n(G)表决系统中单元数的差值版本自检编程技术等容错方法。但软件开发投人较大,月实现容错控制,他属于冗余的一种。根据单元之间的可靠还存在是否兼容的问题,所以目前只适用于可靠性要求极性关系和功能关系的不同,表决法又分为两种情况:(1)可高的目标域等极为复杂的领域,如航空航天、火控等高危性靠性关系表决法。对系统中可靠性要求极高的关键部件引计算机系统。人多重相同的单元，利用表决法检测并诊断系统故障,利用时间冗余包括指令重复和程序卷回等方法。由于时间冗余的部件实现容错的目的。(2)功能关系表决法:从系冗余的投入小，易于软件开发与维护.目前已得到较广泛的统单元之间的功能关系。上实现冗余(如网络冗余),利用系应用:但时间冗余的缺点是对永久性故障只有检错能力而统状态输出等变化来检测和诊断系统的故障.利用最少的无容错作用。冗余实现容错的目的。数据流分析是把时间冗余和恢复块技术结合起来的冗c.振动法。根据机械振动、电磁振荡、光波动的频率、余方法。软件的失效最根本是数据的畸变,最终的表现形磁场,通过波长变化仪检测和诊断故障并通过设定补偿值式也是数据的畸变,所以通过对数据的研究而实施软件容和校验值达到容错的目的。错是-一个重要途径。仿生免疫分析模型是基于人的免疫系d.智能化的专家系统。近10年来,在信息论、控制论统的四点基本特征提出来的。这-思路将对我们今后的容和系统论等理论的指 导下,人工智能技术和专家系统不断错技术的发展有重要的指导作用。得以发展和逐步完善,面向大型综合自动化制造系统的专2.3信息和控制 系统容错设计家系统故障诊断技术杞经发展起来。其基本思想是将机、控制系统以控制器为核心.通过传感器和执行机构将电气、液各方面的故障知识统- 建立一个知识库,并利用受控系统和控制器连接在一起。目前采用的容错方法有在线检测到的各种信息,邇过分析、综合、推理,准确定位故Watchdog 技术、双机冗余系统设计、降额使用和自诊断自障点并提出合理的排除故障方法。专家系统还具备某种自修复程序设计等。学习的能力,不断修改、完善知识库。可以预计,在不远的Watchdog俗称“看门狗”,他实质上是一个监控定时将来,故障诊断人工智能专家系统将会获得很大发展,并进器+-6。当某一进程因程序“跑飞”而超过其Watchdog定人商品化实用阶段。时值时.定时器自动迫使主机进行指令重复或程序卷回,从中国煤化工而达到容错的目的。双机冗余系统是提高计算机可崭性的4结束21IIYHCNMHG.高柔性的集成重要方法。在集散控制系统中,由于计算机程序运行的独立性,控制计算机无法热切换,因此必须提高计算机的可靠化的加工系统，是计算机网络控制的加工白动线、他包括对性:降额使用仍然是一.种冗余，可以有效地臧少边缘性故(下转第8页]82002年1月机械设计与制造工程 第31卷第1期长逐步对工件的数字模型进行修改,直至NC程序结束,得精确可靠的手段是用有限心方法进行分析.但是以月前的到虚拟加工生成的零件。一个步长的虚拟切削过程如图4技术和条件,有限元计算的速度难以达到在虛拟加工过程所示,所涉及的处理包括:根据当前的NC指令和当前的刀中进行实时力学分析的要求,不可能在每一个步长 上都进位得出下一步的刀位,并结合刀具的几何信息生成刀具扫行一次有限元分析。为了克服这-难点,在系统中利用常掠体;然后再用该刀具归掠体与当前的工件实体模型进行规的金属切削学的方法,初步获得零件在加工过程中受力布尔运算,得到切削量;在考虑当前工件的几何信息、工件较大、材料较易变形的区段和部位.再采用有限元模型进行材料信息以及工件装夹引起的几何约束信息等诸条件后.精确分析。通过切削量进行力学计算得到切削力和工件的变形(2);将工件的变形情况反馈回布尔运算.在布尔运算中考虑到本5 结束语次切削引起的工件变形和本次切削完工件回弹的影响后，虚拟加I技术作为对加丁过程进行深入研究的一项新得到的运算结果将作为进行下一步运算的工件实体模型。兴技术,有着重要的实际意义和研究价值:现给出了-个通过对切削力和工件的上刀位信鼻[虚拟加工平台的体系结构及其功能配置,并阐述了该平台变形的计算,使系统能够找当前刀位信已生成刀月的几何建模、虚拟环境建模、加工过程仿真.数据处理等主到对加工质量影响最大的加具几何信息扫掠体I件变形要模块的设计;分析了系统中涉及的儿项关键技术.即几何工因素.发现可能存在的因当前工件操体。F一步工程模型的转换与实时动态的力学分析.提出了系统中实现这为切削力过大或结构设计不布尔运算些关键技术的可行方案,为虚拟加工平台的开发和应用打当而起工件塑性水久变彤工作材料信息1下了基础。的加工点。上件装夹信息端上切制力过程仿真模块中包含了工作几何信息计算参考文献:用形处理模块,在虚拟加工[1]姜晓峰. 数控加工仿真关键技术研究]D]南京:南京航空航围4虚拟切削运行时同步进行切削过程图一个步长的处理过程天大学,199.形显示和过程参数的显示。2] Somith S, Tlusy J.An overiew of modeling and smulation of the3.4数据处理模块milling pocess[J] .Jourmal of Engneering for Indusry. 1991(113):169- 175.虚拟加工结束后,在数据处理模块中对该虚拟加I过[3] Takata S. Tsai M D.A cuting sinulation systen for machinahil.程生成的零件与设计零件进行比较分析,给出用户需要的ity evaluation using a workpice Mode![J; . Annalk of CIRP.最终数据,并且将虚拟加工过程中的一些动态数据进行统199,38(1):417- 420. .计汇[总,生成变化曲线。数据分析结果以图形形式在界面.4] Wang W P. Solid modeling for opizing mcal remxval of thrcet显示或以误差文件形式输出。- dimensionel NC end mlng[J].Joumal of Manufeceuring Sys-tems, 188.7(1); S7 - 654几项关技术.4.1 几何模型的操作和转换(上接第5页)信息流、物料流加工过程的自动化和各种零在虚拟加工运行的过程中,要涉及大量的几何运算,其部件加工的自动转换。 系统可靠性理论及工业容错技术是中包括工件几何实体与刀具扫掠体之间布尔运算和系统内保证加工系统正常运行、实现给定功能的一个重要理论基实体的物性计算等等。虚拟加工运行过程中的布尔运算不础和技术条件。 “产品的可靠性是设计出来的生产出来仅计算量大,要求算法有极高的速度，而且由于工件形状的的,管理出来的”. 而没有容错技术的不断发展，可靠性理论复杂性和加I中刀位的不确定性以及可能出现的工件变形就失去 了应用的基础。因此对工业谷错技术的理论探讨和等原因.还要求算法有很高的稳定性。应用研究,具有现实意义和历史意义。CAD软件设计的几何模型中包含有实体精确完整的几何信息,可以用作系统中被加工零件、刀具和毛坯的几何参考文献:描述,但是并不适合于高速稳定的布尔运算。通常的方法[I] 陆廷孝 .可靠性设计与分析[M].北京:国防I业出版社，是对工件采用其他的模型来表示，以简化布尔运算,比如离1995.散化为z- bffler模型3.4等。所以系统也将把外部CAD[2: 李志，机构运动可靠性引论J小榆州大学学报(自然科学版197<2):22 .. 25.软件设计的几何模型转换为系统内部的几何模型,该模型[3]姚~ 平.可靠性及余度技术[M].北京:航空工业出版社.1991.要适合于虞报加工必须满足以下3点:(1)能够进行快速稳[4] Algirda s, Avi Zleni S. Toward sysematc desgn sf faulr--定的布尔运算;(2)能提供布尔运算结果的几何信息,即得Tolerant systems[J]. IEEE Computcr, 1997(2):11- 13.到相应的刀具切人深度、刀刃上瞬时未变形切屑厚度等将5] Fla Viu,Cni Stian. Understanding ftult- Todern disnoburel被用作物性计算的几何数据;(3)要能在虚拟加工结束后给sustems[ IL.Communications of Acr. 1991(1):14- 17.出虚拟加工结果完整的几何信息,以对各个尺寸的加工精中国煤化工J;1EEE Tras Reia度进行分析。4.2 实时动态的力学分析CHCNMH G:.武议:华中理工在虚拟加工过程中进行切削力与綬力变形的计算比较大学出版社，1990.