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故障安全設(shè)計

文檔作者：管楚度		點擊數(shù)： 461 1	更新時間： 2021年10月10日
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’=： j
V、
— — — —
故障
‘
全設(shè)計
管楚度
一
、引言
系統(tǒng)出現(xiàn)故障對， 從結(jié)構(gòu)上限制其擴大，
而保證實現(xiàn)原定系統(tǒng)功能， 繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)， 這
種安全設(shè)計稱之為故障安全設(shè)計。
任何系統(tǒng)(產(chǎn)品或設(shè)備)在規(guī)定的使用壽
命期限內(nèi)， 也不可避免地出現(xiàn)故障 錯誤或失
效。而且故障、錯誤、失效通常只發(fā)生在系統(tǒng)
的局部， 此時系統(tǒng)要實現(xiàn)原規(guī)定的功能， 可按
下例四種要求之一進行設(shè)計。 ‘
1．繼續(xù)實現(xiàn)全部原定功能， 完成原定任
務(wù)。
2． 實現(xiàn)部分原定功能， 降低原定任務(wù)要
求。
3． 中斷原定任務(wù)， 保證系統(tǒng)轉(zhuǎn)^安全狀
態(tài)。
4． 中斷原定任務(wù)，系統(tǒng)不存在安全要求。
下面分別舉例進行說哦
例如， 容錯計算機設(shè)計屬于上述第一種類
型安全設(shè)計， 它通過自動檢測故障、自動定位
及自動恢復(fù)等設(shè)施， 使計算機可帶“病” (容
許局部故障)工作。擁有多于兩臺發(fā)動機的飛
機、艦船， 墓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計屬于第二種類型
安全設(shè)計。當飛機、艦船中的一臺發(fā)動機出現(xiàn)
故障時， 在其他發(fā)動機的驅(qū)動下， 它們可在降
速情況下仍能安全到達目的地。我國鐵路的信
號系統(tǒng)設(shè)計屬于上述第三種類型安全設(shè)計， 這
是因為從宏觀整體要求而言， 鐵路運輸應(yīng)該連
續(xù)遣行作業(yè)，麗在不影響安全的前提下，允許
局部范圍、短時間的作業(yè)中斷， 因此， 鐵路信
號輸出的“啟動” 信號不需要持續(xù)作用于服務(wù)
對象(列車)， 信號系統(tǒng)中的繼電器故障被設(shè)
計成重力式的， 當繼電器處在“落下” 狀態(tài)
時， 顯示紅燈信號(即輸出 停止” 信號)，
要求中斷需要繼續(xù)完成原定的任務(wù)， 使系統(tǒng)自
然轉(zhuǎn)八安全狀態(tài)。最后， 凡是發(fā)生故障時不致
誘發(fā)安全事故的系統(tǒng)， 如大型建筑的集中式冷
風系統(tǒng)等生活設(shè)施系統(tǒng)， 則屬于上述第四類安
全設(shè)計。
系統(tǒng)出現(xiàn)局部故障后， 要求實現(xiàn)系統(tǒng)原定
功能， 由于原定任務(wù)要求的程度不同， 其安全
設(shè)計的難度自然也不相同。通常， 上述第一類
安全設(shè)計稱為故障安壘設(shè)計， 第二類安全設(shè)計
稱為亞故障安全設(shè)計或稱為故障軟化設(shè)計； 第
三類安全設(shè)計稱為故障導(dǎo)向安全設(shè)計
通常， 安全設(shè)計的對策是多種多樣的。但
是 現(xiàn)在尚無規(guī)范、統(tǒng)一的設(shè)計方法， 而只能
通過一些例子予以說明 ．
=、容錯系統(tǒng)設(shè)計曩述
現(xiàn)代計算機系統(tǒng)已在我們社會中起著重要
作用， 例如車輛交通最控制系統(tǒng)、通信、銀行
系統(tǒng)等等， 這些系統(tǒng)中斷運行將付出很高的代
價，而且也危險，有可能引起社會混亂}團此，
要求這種計算機系統(tǒng)可靠她運行是非常重要
的。基于上述情況， 在6O年代末期提出了“容
錯” 的概念。所謂容錯系統(tǒng)， 就是一個具有固
定容量的系統(tǒng)， 無外部幫助在出現(xiàn)運行失效前
連續(xù)正確執(zhí)行它的程序和其輸^～ 輸出功能。
“運行失效” 是指系統(tǒng)硬件中一個或幾個邏輯
變量的非規(guī)定(失效誘發(fā))變化值， 它是物理
失效作用的直接影響?！罢_執(zhí)行” 的含義是
該程序、該數(shù)據(jù)和該結(jié)果不包臺錯誤， 執(zhí)行時
間不超過規(guī)定的范圍?！板e誤 是失敗的征
兆， 即因物理失效作用出現(xiàn)的失效引起指令或
數(shù)據(jù)代碼的變化。 ·
除容錯系統(tǒng)外， 還有一種局部容錯系統(tǒng)
(也稱為軟失效或性能下降系統(tǒng))， 它是一種
可使固有計算容量(滿額)降額和由于丟棄某
些以前起用過的程序或降低執(zhí)行中規(guī)定速凄繾
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之 壓縮 為一個小系統(tǒng)。
一般地講， 高可靠的計算機系統(tǒng)可以通過
冗余和／ 或維修技術(shù)來安現(xiàn)。為了預(yù)防計算機
運行失效而發(fā)展冗余技術(shù) 可以存三種形式r
硬件的(附加元件)， 軟件的(特種程序)和
時間的(重復(fù)操作)。我們通常主要從硬件冗
余觀點來討論， 即指“尋用冗余” 。正確的維
修技術(shù)包括故障監(jiān)測、診斷、維修和／‘戚更換
復(fù)測技術(shù)(retry technlques)。 一種重要
的計算機系統(tǒng)維修技術(shù)是計劃維修技術(shù)。它應(yīng)
用于幾乎全部計算機系統(tǒng)來達到高可靠和效
能。
有四種方法可達到高可靠性的冗余計算機
系統(tǒng)(計算機系統(tǒng)帶幾個信息處理機或單元)：
1．大規(guī)模冗余系統(tǒng)J
2．備用冗余系統(tǒng)}
3．混合冗余系統(tǒng)}
4．適度降級系統(tǒng)(即故障軟化系統(tǒng))。
上連冗余計算機系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)、功能和可
靠性都具有如下本征特點：
(1)大規(guī)模冗余系統(tǒng)采用諸如三倍模塊
冗余J N一模塊冗余J自身清諸冗余。它們的
每一個相同單元執(zhí)行相同任務(wù)， 而在輸出端進
行表決輸出，達到改善輸出信息。一個二單元
系統(tǒng)是由兩個等同單元構(gòu)成。每個單元完成相
同任務(wù)， 并且都校正輸出。二單元系統(tǒng)是最簡
單的大規(guī)模冗余系統(tǒng)。
(2)備用冗余系統(tǒng)中執(zhí)行任務(wù)是靠執(zhí)行
單元。當發(fā)現(xiàn)執(zhí)行單元失效時， 系統(tǒng)試將備用
單元更換已失效單元。最簡單的備用冗余系統(tǒng)
是雙備分系統(tǒng)， 它由一個執(zhí)行單元和一個備行
草元組成。
(3)混合冗余系統(tǒng)是由大冗余核心和另
一些可更換失效單元的備件組成 這種冗余系
統(tǒng)最簡單的為一個三單元的混合冗余系統(tǒng)，它
由故障軟化系統(tǒng)和一個備用單元所組成，
(4)故障軟化冗余系統(tǒng)能用全部單元去
執(zhí)行任務(wù)。即全都無失效單元都是在使用中。
當發(fā)現(xiàn)一個單元失效j這個系統(tǒng)試圖用更少一
些單元再組織系統(tǒng)。
蘭、故庳安全設(shè)計舉倒
1． 飛機著陸信號系統(tǒng)
-飛機著陸信號系統(tǒng)如出現(xiàn)故障， 已飛臨機
場的飛機應(yīng)允許繼續(xù)實施著陸。此信號系統(tǒng)進
行電路設(shè)計時的安全辦法為： 一旦著陸信號系
統(tǒng)出現(xiàn)故障， 應(yīng)保證系統(tǒng)被固定處在“開放”狀
態(tài)，即允許飛臨機場的飛機繼續(xù)著陸。如果，著
陸信號系統(tǒng)被固定處于 關(guān)閉 狀態(tài)， 對已飛
臨機場的飛機更加危險， 因為這些飛機已處在
燃科耗盡狀態(tài)， 延時著陸發(fā)生墜機的可能性增
大。若干架飛機同時飛臨機場要求同時著陸的
概率很小， 即著陸撞機的可能很小。
2．地面交通控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)應(yīng)保證當控制系統(tǒng)發(fā)生故障時， 不
允許發(fā)生交通安全事故(車禍)。其安全設(shè)計
對策是。一當系統(tǒng)發(fā)生故障， 電路結(jié)構(gòu)保證遭
路交叉處各個方向同時顯示停止行駛的紅燈
(處于“關(guān)閉” 狀態(tài))。顯然， 它比同時顯示
綠燈或同時顯示紅、綠燈安全。
3．鉸路信號故障—— 安全原則
鐵路行車要求鐵路信號設(shè)備在發(fā)生故障、
錯誤、失效時， 應(yīng)具有導(dǎo)致減輕以致避免損失
的功能， 確保行車安全， 這一要求被稱為鐵路
信號故障一安全原則 實現(xiàn)這一原則的對鑲；
(1)防止人為的錯誤操縱， 設(shè)計各種聯(lián)
鎖及閉塞技術(shù)I
(2)采用故障后功能能降級使用技術(shù)，
如自動閉塞綠燈燒毀時改亮黃燈的技術(shù)}
(3)應(yīng)急頂替技術(shù)， 如電源故障時利用
蓄息池洪電的技術(shù)J
(4)檢測、報警和預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)J
(5)冗余技術(shù)}
(6)器材降額使用技術(shù)， 如信號燈泡的
降壓使用等|
在應(yīng)用冗余技術(shù)構(gòu)成的故障安全系統(tǒng)中，
為了保證完成某一功能， 需要配置若干單元或
若干種方法。當系統(tǒng)發(fā)生故障， 每個單元所處
的狀態(tài)或各種方法所取得的結(jié)果完全一致， 則
稱出現(xiàn)這種結(jié)果的概率為“危險蜘的概率”J反
之， 結(jié)果并非完全一致， 馴稱出現(xiàn)這種結(jié)果的
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概率為“安全側(cè)概率” 。因此定義· 當危險側(cè)
的概率遠小于安壘側(cè)的概率時， 故障是對稱性
的，反芝敵障是非對稱性的 循此準剮謠
稱之為按故障的一致性校核準則設(shè)計。
通常， 故障的非對稱性常用故障輸出概率
的不對稱指數(shù)a描述， 即
= -
式中，^d一危臉側(cè)故障概率，
^。一安全側(cè)故障概率。
美國， 日本與我國部分統(tǒng)計資料， 現(xiàn)行信
號設(shè)備a均在l 0 數(shù)量級。 ‘
四、故障軟化設(shè)計舉倒
故障軟化設(shè)計， 是指某一或某些單元發(fā)生
故障， 允許系統(tǒng)降低或犧牲部分功能， 但不中
斷工作的一種安全設(shè)計。
故障軟化設(shè)計的效果， 可用影響指數(shù)^ 來
描述。即
M： 至纏查望 叢生墊墮 塾
系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)
顯然，M值愈大效果愈佳。
現(xiàn)舉“電子線路的故障軟化設(shè)計” 為例說
明如下：
圖(a)所示電路表示高通濾波器電路的
濾波器線路的故障軟化設(shè)計
(a)高通濾波器 (b)低通穗嫂器
故障軟化設(shè)計。高通濾波器電路中高頻陶瓷電
容C 、C 的主要失效形式為開路。為避免電
路中斷， 設(shè)計時采用兩個并聯(lián)的電容分別代替
圖中單一的C，{C ， 這樣使故障得到軟化。
圖(b)表示低通濾波器電路的故障軟化
設(shè)計。電容C的主要失效形式為短路。為避免
電容短路導(dǎo)致電路失效， 故障軟化設(shè)計中采用
兩個電容串聯(lián)代替單一的電容C。因而，串聯(lián)電
容中任一個短路， 另一個電容仍在繼續(xù)工作
低通濾波器雖然降低部分功錐，但仍沒中斷工
作。
(上接43頁)
Q a#=7728．7× 3 =23l 86．1元
如果壘國防爆電器生產(chǎn)廠按40家(實際遠
不止這些)， 每家按采用5種規(guī)格的接線端子
計算， 則可節(jié)省費用
Q壘國=7728． ×4 0×5= 1 545740元
這是一個相當可觀的數(shù)字，從這里可看出，
采用專業(yè)化生產(chǎn)， 不僅可以加速采用通用件，
貫徹新標準， 也可收到可觀的經(jīng)濟效益。
四，結(jié)語
綜上所述， 采用接線端子通用件的優(yōu)點可
具體歸納以下幾點：
1．可咀減少重復(fù)設(shè)計、重復(fù)制造的工時
費用， 提高防爆電器的三化褪度， 縮短產(chǎn)品設(shè)
計周期， 加速產(chǎn)品更新?lián)Q代， 加抉貫徹新防爆
規(guī)程的速度。
2． 提高社會專業(yè)化生產(chǎn)程度， 既能保證
質(zhì)量， 又能提高經(jīng)濟效益。
3．可以節(jié)約原材料， 降低成本， 又便于
管理。
4．互換性好， 用戶購買， 維修方便。
參考資料
[1j ．1B4002-85《礦用隔爆型低壓電器用接線
端子》， 機械工業(yè)部，1985年
2] 《標準化經(jīng)濟鼓果計算專輯》， 機械工業(yè)
部標準化研究所，1986年

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