42002年1月機(jī)械設(shè)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(yīng)用非常廣泛,在相關(guān)理論的指導(dǎo)下,提出了工業(yè)客錯技術(shù)的基本概念,論述了常見的系統(tǒng)故障、典型的工業(yè)容錯設(shè)計方法和故障檢測手段,討論了工業(yè)容錯技術(shù)的應(yīng)用前景和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:工業(yè)系統(tǒng);容錯設(shè)計;故障診斷中圈分類號:1IP302.8文獻(xiàn)標(biāo)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,稱為系統(tǒng)的容錯能錯技術(shù)能夠自動適時地監(jiān)測并診斷出系統(tǒng)的故障,然后采力。 當(dāng)用概率來度量這一能力時就是系統(tǒng)的容錯度。取相應(yīng)的故障控制或處理方法,自動修復(fù)或在線修復(fù)故障。容錯技術(shù)是可靠性理論的重要分支。系統(tǒng)的容錯度與隨著FMC.CIMC和FMS技術(shù)的迅猛發(fā)展,工業(yè)自動化、柔可靠度既有關(guān)聯(lián),又有區(qū)別。容錯度與可靠度-樣都是衡性化和集成化程度越來越高。為了有效地保證系統(tǒng)正常I量各種系統(tǒng)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo).是對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)作.就必須提高系統(tǒng)的可靠性。工業(yè)容錯設(shè)計是提高系統(tǒng)可計的重要依據(jù)。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(tǒng)的設(shè)計、實驗、生產(chǎn)和使用全同的規(guī)定條件下,有基本可靠度和任務(wù)可靠度之分:在一過程,他與系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi)的全部可韓性活動有關(guān)。定條件下,系統(tǒng)的容錯度與任務(wù)可靠度存在-種函數(shù)關(guān)系。工業(yè)容錯技術(shù)包括系統(tǒng)的容錯設(shè)計和系統(tǒng)的故障診斷與檢1工業(yè)容錯技術(shù)基礎(chǔ)測等內(nèi)容,系統(tǒng)故障一般可以分為兩大類:-類是先天的固有故障,如元器件生產(chǎn)過程中造成的故障和線路與程序在設(shè)計2系統(tǒng)的容錯設(shè)計過程中產(chǎn)生的故障,這一-類故障需對其拆卸、更換或改正;當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計過程中規(guī)定了可籍性指標(biāo)(如可靠度),并另一類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(biāo)分配給組成系統(tǒng)的分系統(tǒng)、設(shè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的缺陷所導(dǎo)致的,造成這-類故障備和元器件后,就需要研究實現(xiàn)這個可靠性指標(biāo)的可能性的原因很多.外部原因包括溫度、濕度、振動、沖擊、噪聲停及方法。系統(tǒng)的容錯設(shè)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失等人為因素,內(nèi)部原因包括系統(tǒng)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(tǒng)的偶然性故障和長時間使用后性能老化，以及經(jīng)過可故障機(jī)理,估計該故障模式對系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響,采取容靠性增長試驗仍未能發(fā)現(xiàn)的軟件和硬件缺陷等引起的故錯方法保證可靠性指標(biāo)分配。根據(jù)系統(tǒng)組成特點，系統(tǒng)故障。工業(yè)容錯技術(shù)主要針對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的永久性、解間障可分為機(jī)械系統(tǒng)故障、軟件系統(tǒng)故障信息和控制系統(tǒng)故性和間歇性故障進(jìn)行容錯設(shè)計、故障檢測與診斷以及故障障。決策。容錯設(shè)計的主要方法是系統(tǒng)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(tǒng)論以及CIMS技術(shù)等理論為研兗基礎(chǔ);以自動化、柔性統(tǒng)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(guī)模生產(chǎn)線加工中心為等同于可靠性理論的原因之一。下面分別就機(jī)械系統(tǒng)故研究對象;以設(shè)計制造和使用過程中經(jīng)濟(jì)損失最低為研究障、軟件系統(tǒng)故障信息和控制系統(tǒng)故障的容錯設(shè)計方法作目標(biāo)。系統(tǒng)在規(guī)定的使用壽命中,能夠檢測、診斷決策及避2.1機(jī)槭系統(tǒng)容鐠設(shè)計中國煤化工收稿日期:2001 -08 - 20作者簡介: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(gòu)件在強(qiáng)度剛度和穩(wěn)定性方面的故障是隨機(jī)故障或障和信號干擾故障。靜態(tài)故障。一方面機(jī)械結(jié)構(gòu)承受的載荷是服從某一分布的在工程實際中,幾乎總是兒種故障模型同時出現(xiàn),要區(qū)隨機(jī)變量,另一方面構(gòu)件的強(qiáng)度受加工制造等原因影響,也別開來是非常困難的。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(jī)變量,這就決定了結(jié)構(gòu)的故障具有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)冗余模型,網(wǎng)絡(luò)可以表達(dá)系統(tǒng),特別是復(fù)雜系統(tǒng)隨機(jī)性質(zhì)。顯然載荷和強(qiáng)度的波動將影響構(gòu)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(tǒng)冗余模故障的慨率。容錯設(shè)計就是在已知載荷和強(qiáng)度這兩個隨機(jī)型能夠很好地起到容 錯的作用，其優(yōu)點是既減少容錯單元，變量的分布形式的條件下,合理選擇強(qiáng)度的分布值,把瞬間提高可靠性,又降低了制造成本。通過聯(lián)絡(luò)矩陣法可以設(shè)性故障控制在系統(tǒng)可靠度允許的苑圍內(nèi),這就是所謂的概計最佳網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)冗余模型。率設(shè)計方法"。當(dāng)把載荷和強(qiáng)度用交變載荷和疲勞強(qiáng)度代對于一個系統(tǒng),盡管把可靠性設(shè)計、元器件的嚴(yán)格篩選替概率設(shè)計時.就是疲勞設(shè)計方法。到工藝方案實施都考慮得很周巒,但事實說明.要確保-一個構(gòu)件由于運(yùn)動誤差產(chǎn)生的故障是永久性故障或動態(tài)故系統(tǒng)完全不出故障,這是不可能的，也是不現(xiàn)實的。問題是障:機(jī)構(gòu)的運(yùn)動誤差是指該機(jī)構(gòu)的位移誤差.速度誤差和一旦發(fā)現(xiàn)故障,如何檢測故障判斷故障的原因并準(zhǔn)確定位加速度誤差。當(dāng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動誤差超過允許范圍時,系統(tǒng)就故障點,這就需要故障診斷技術(shù)。無法及時、準(zhǔn)確、協(xié)調(diào)地工作，甚至導(dǎo)致動作失效,這是一種永久性的故障。容錯設(shè)計通過對傳遞函數(shù)的分析,確定機(jī)3系統(tǒng)的故障檢測與診斷構(gòu)中的關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵配合,選擇合理的設(shè)計精度,控制應(yīng)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(yùn)動誤差控制在系統(tǒng)可靠度允許的范圍內(nèi),這個主要內(nèi)容,其目的在于當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障時能自動發(fā)現(xiàn)是機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性研究的內(nèi)容(2。當(dāng)考慮構(gòu)件的磨損.腐故障,并確定出故障的部位和類型,同時自動采取保護(hù)措蝕等因素時,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(tǒng)的容錯能2.2 計算機(jī)與軟件系統(tǒng)容錯設(shè)計力。對于軟件系統(tǒng)容錯設(shè)計,比較公認(rèn)的方法有兩個,即軟目前故障檢淵和診斷中常用的方法有如下幾種:件冗余和時間冗余。目前國內(nèi)外許多學(xué)者又提了幾種軟a.參數(shù)法["。根據(jù)現(xiàn)代控制論,用模糊控制論與數(shù)理件容錯模型,例如:數(shù)據(jù)流分析模型和仿生免疫分析模統(tǒng)計理論相結(jié)合的方法進(jìn)行故障檢測。通過測試碼和檢驗型+時。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(bǔ)校驗等方式實現(xiàn)系統(tǒng)容錯控制。好的容錯效果。目前有恢復(fù)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(tǒng)中單元數(shù)的差值版本自檢編程技術(shù)等容錯方法。但軟件開發(fā)投人較大,月實現(xiàn)容錯控制,他屬于冗余的一種。根據(jù)單元之間的可靠還存在是否兼容的問題,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(biāo)域等極為復(fù)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(tǒng)中可靠性要求極高的關(guān)鍵部件引計算機(jī)系統(tǒng)。人多重相同的單元，利用表決法檢測并診斷系統(tǒng)故障,利用時間冗余包括指令重復(fù)和程序卷回等方法。由于時間冗余的部件實現(xiàn)容錯的目的。(2)功能關(guān)系表決法:從系冗余的投入小，易于軟件開發(fā)與維護(hù).目前已得到較廣泛的統(tǒng)單元之間的功能關(guān)系。上實現(xiàn)冗余(如網(wǎng)絡(luò)冗余),利用系應(yīng)用:但時間冗余的缺點是對永久性故障只有檢錯能力而統(tǒng)狀態(tài)輸出等變化來檢測和診斷系統(tǒng)的故障.利用最少的無容錯作用。冗余實現(xiàn)容錯的目的。數(shù)據(jù)流分析是把時間冗余和恢復(fù)塊技術(shù)結(jié)合起來的冗c.振動法。根據(jù)機(jī)械振動、電磁振蕩、光波動的頻率、余方法。軟件的失效最根本是數(shù)據(jù)的畸變,最終的表現(xiàn)形磁場,通過波長變化儀檢測和診斷故障并通過設(shè)定補(bǔ)償值式也是數(shù)據(jù)的畸變,所以通過對數(shù)據(jù)的研究而實施軟件容和校驗值達(dá)到容錯的目的。錯是-一個重要途徑。仿生免疫分析模型是基于人的免疫系d.智能化的專家系統(tǒng)。近10年來,在信息論、控制論統(tǒng)的四點基本特征提出來的。這-思路將對我們今后的容和系統(tǒng)論等理論的指 導(dǎo)下,人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)不斷錯技術(shù)的發(fā)展有重要的指導(dǎo)作用。得以發(fā)展和逐步完善,面向大型綜合自動化制造系統(tǒng)的專2.3信息和控制 系統(tǒng)容錯設(shè)計家系統(tǒng)故障診斷技術(shù)杞經(jīng)發(fā)展起來。其基本思想是將機(jī)、控制系統(tǒng)以控制器為核心.通過傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)將電氣、液各方面的故障知識統(tǒng)- 建立一個知識庫,并利用受控系統(tǒng)和控制器連接在一起。目前采用的容錯方法有在線檢測到的各種信息,邇過分析、綜合、推理,準(zhǔn)確定位故Watchdog 技術(shù)、雙機(jī)冗余系統(tǒng)設(shè)計、降額使用和自診斷自障點并提出合理的排除故障方法。專家系統(tǒng)還具備某種自修復(fù)程序設(shè)計等。學(xué)習(xí)的能力,不斷修改、完善知識庫?？梢灶A(yù)計,在不遠(yuǎn)的Watchdog俗稱“看門狗”,他實質(zhì)上是一個監(jiān)控定時將來,故障診斷人工智能專家系統(tǒng)將會獲得很大發(fā)展,并進(jìn)器+-6。當(dāng)某一進(jìn)程因程序“跑飛”而超過其Watchdog定人商品化實用階段。時值時.定時器自動迫使主機(jī)進(jìn)行指令重復(fù)或程序卷回,從中國煤化工而達(dá)到容錯的目的。雙機(jī)冗余系統(tǒng)是提高計算機(jī)可嶄性的4結(jié)束21IIYHCNMHG.高柔性的集成重要方法。在集散控制系統(tǒng)中,由于計算機(jī)程序運(yùn)行的獨立性,控制計算機(jī)無法熱切換,因此必須提高計算機(jī)的可靠化的加工系統(tǒng)，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的加工白動線、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(zhuǎn)第8頁]82002年1月機(jī)械設(shè)計與制造工程 第31卷第1期長逐步對工件的數(shù)字模型進(jìn)行修改,直至NC程序結(jié)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。一個步長的虛擬切削過程如圖4技術(shù)和條件,有限元計算的速度難以達(dá)到在虛擬加工過程所示,所涉及的處理包括:根據(jù)當(dāng)前的NC指令和當(dāng)前的刀中進(jìn)行實時力學(xué)分析的要求,不可能在每一個步長 上都進(jìn)位得出下一步的刀位,并結(jié)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,在系統(tǒng)中利用常掠體;然后再用該刀具歸掠體與當(dāng)前的工件實體模型進(jìn)行規(guī)的金屬切削學(xué)的方法,初步獲得零件在加工過程中受力布爾運(yùn)算,得到切削量;在考慮當(dāng)前工件的幾何信息、工件較大、材料較易變形的區(qū)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(yùn)算.在布爾運(yùn)算中考慮到本5 結(jié)束語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)作為對加丁過程進(jìn)行深入研究的一項新得到的運(yùn)算結(jié)果將作為進(jìn)行下一步運(yùn)算的工件實體模型。興技術(shù),有著重要的實際意義和研究價值:現(xiàn)給出了-個通過對切削力和工件的上刀位信鼻[虛擬加工平臺的體系結(jié)構(gòu)及其功能配置,并闡述了該平臺變形的計算,使系統(tǒng)能夠找當(dāng)前刀位信已生成刀月的幾何建模、虛擬環(huán)境建模、加工過程仿真.數(shù)據(jù)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(shè)計;分析了系統(tǒng)中涉及的兒項關(guān)鍵技術(shù).即幾何工因素.發(fā)現(xiàn)可能存在的因當(dāng)前工件操體。F一步工程模型的轉(zhuǎn)換與實時動態(tài)的力學(xué)分析.提出了系統(tǒng)中實現(xiàn)這為切削力過大或結(jié)構(gòu)設(shè)計不布爾運(yùn)算些關(guān)鍵技術(shù)的可行方案,為虛擬加工平臺的開發(fā)和應(yīng)用打當(dāng)而起工件塑性水久變彤工作材料信息1下了基礎(chǔ)。的加工點。上件裝夾信息端上切制力過程仿真模塊中包含了工作幾何信息計算參考文獻(xiàn):用形處理模塊,在虛擬加工[1]姜曉峰. 數(shù)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(yùn)行時同步進(jìn)行切削過程圖一個步長的處理過程天大學(xué),199.形顯示和過程參數(shù)的顯示。2] Somith S, Tlusy J.An overiew of modeling and smulation of the3.4數(shù)據(jù)處理模塊milling pocess[J] .Jourmal of Engneering for Indusry. 1991(113):169- 175.虛擬加工結(jié)束后,在數(shù)據(jù)處理模塊中對該虛擬加I過[3] Takata S. Tsai M D.A cuting sinulation systen for machinahil.程生成的零件與設(shè)計零件進(jìn)行比較分析,給出用戶需要的ity evaluation using a workpice Mode![J; . Annalk of CIRP.最終數(shù)據(jù),并且將虛擬加工過程中的一些動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)199,38(1):417- 420. .計匯[總,生成變化曲線。數(shù)據(jù)分析結(jié)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(zhuǎn)換(上接第5頁)信息流、物料流加工過程的自動化和各種零在虛擬加工運(yùn)行的過程中,要涉及大量的幾何運(yùn)算,其部件加工的自動轉(zhuǎn)換。 系統(tǒng)可靠性理論及工業(yè)容錯技術(shù)是中包括工件幾何實體與刀具掃掠體之間布爾運(yùn)算和系統(tǒng)內(nèi)保證加工系統(tǒng)正常運(yùn)行、實現(xiàn)給定功能的一個重要理論基實體的物性計算等等。虛擬加工運(yùn)行過程中的布爾運(yùn)算不礎(chǔ)和技術(shù)條件。 “產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計出來的生產(chǎn)出來僅計算量大,要求算法有極高的速度，而且由于工件形狀的的,管理出來的”. 而沒有容錯技術(shù)的不斷發(fā)展，可靠性理論復(fù)雜性和加I中刀位的不確定性以及可能出現(xiàn)的工件變形就失去 了應(yīng)用的基礎(chǔ)。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(wěn)定性。應(yīng)用研究,具有現(xiàn)實意義和歷史意義。CAD軟件設(shè)計的幾何模型中包含有實體精確完整的幾何信息,可以用作系統(tǒng)中被加工零件、刀具和毛坯的幾何參考文獻(xiàn):描述,但是并不適合于高速穩(wěn)定的布爾運(yùn)算。通常的方法[I] 陸廷孝 .可靠性設(shè)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表示，以簡化布爾運(yùn)算,比如離1995.散化為z- bffler模型3.4等。所以系統(tǒng)也將把外部CAD[2: 李志，機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性引論J小榆州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版197<2):22 .. 25.軟件設(shè)計的幾何模型轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)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足以下3點:(1)能夠進(jìn)行快速穩(wěn)[4] Algirda s, Avi Zleni S. Toward sysematc desgn sf faulr--定的布爾運(yùn)算;(2)能提供布爾運(yùn)算結(jié)果的幾何信息,即得Tolerant systems[J]. IEEE Computcr, 1997(2):11- 13.到相應(yīng)的刀具切人深度、刀刃上瞬時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(shù)據(jù);(3)要能在虛擬加工結(jié)束后給sustems[ IL.Communications of Acr. 1991(1):14- 17.出虛擬加工結(jié)果完整的幾何信息,以對各個尺寸的加工精中國煤化工J;1EEE Tras Reia度進(jìn)行分析。4.2 實時動態(tài)的力學(xué)分析CHCNMH G:.武議:華中理工在虛擬加工過程中進(jìn)行切削力與綬力變形的計算比較大學(xué)出版社，1990.