CN104036110A - 一种针对电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置，涉及可靠性领域，本装置包括：中央控制器模块、剩余寿命预测模块、电源模块、键盘输入模块、显示模块、报警模块、传感器和数据存储模块。本发明的优点是可用于各应用系统中的电子单机设备的剩余寿命，从而进行适时维护管理以免在使用中产生故障。使用方便、准确、可靠性高，可高效地预测出电子单机实时环境下的剩余寿命，提高了各领域应用系统的可靠性。

Description

一种针对电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置

技术领域

本发明属于可靠性寿命预测领域，尤其涉及一种针对电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置。

背景技术

当前，无论国内还是国外，要求电子产品“高可靠”、“长寿命”的呼声越来越高，这既是从提高综合效益考虑，也是企图进一步扩大高性能电子产品功能范围的基础。电子单机作为各个应用领域子系统的心脏，提高其可靠性是相当迫切的任务。

对于电子产品热待机环境下的剩余寿命是衡量其可靠性的重要指标，一般说来，产品的平均寿命愈长，在短时间内工作的可靠性愈高。产品的可靠性不高将会给生产带来很大损失，随着控制系统的大型化，尤其在复杂系统领域，一个系统的元器件越来越多，只要其中一个元件发生故障，一般都会导致整个系统发生故障，造成严重损失，所以产品的可靠性越来越重要。

有鉴于此，如今迫切需要一种针对电子产品实时在线的剩余寿命预测系统装置，以提高其可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快捷高效的电子产品热待机环境下的剩余寿命预测装置，用以预测系统电子单机正常工作的实时剩余寿命。

本发明采用的技术方案为：一种针对电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置，包括中央控制器、电源模块、剩余寿命预测模块、键盘、显示屏、报警模块、传感器和数据存储模块；

所述中央控制器是对整个装置进行组织和管理，使各模块按照剩余寿命预测的工作流程协调运行；

所述电源模块用于向整个装置供电；

所述键盘是信息的输入接口，用于接收寿命预测所需的各种信息和数据；

所述显示屏用于显示信息，直观地为用户提供电子系统剩余寿命信息；

所述报警模块用于对被测设备当前的运行状态给出标识；当被测对象处于正常运行状态时显示绿灯，若要发生故障显示红灯报警；

所述传感器包括温度传感器和振动传感器，用于监测当前环境的温度和振动应力水平；

所述数据存储模块用于每隔一段采样时间将被测对象的各种状态采集存储起来，以便记录数据和进行寿命预测计算。

进一步的，所述中央控制器的CPU模块选用N80-M44MAD-DC型号的PLC，该模块具有16路数字量输入和16路数字量输出，并在此基础上扩展了8路模拟量输入输出/电阻温度探测器/热电偶输入（E8AD/RTD/THM）模块，使得设备增加了8路模拟量的输入。

进一步的，所述显示屏采用Samkoon触摸屏，7寸界面，通过RS485通讯与剩余寿命预测装置中的中央处理器进行通信，可以实时的与剩余寿命预测装置进行信息共享，并根据用户程序，来实时显示状态。

进一步的，所述温度传感器选用pt100温度传感器来记录被测对象所处环境的温度，所述振动传感器选用集成加速振动传感器JX30系列的JX30E-100-M8-00。

本发明的优点在于：

（1）、本发明实现了电子单机热待机环境下的剩余寿命预测，提高了电子单机运行的可靠性。

（2）、本发明可实时高效的预测被测电子单机实时环境应力下的剩余寿命。

（3）、本发明界面友好，触摸显示屏可对参数直接输入，实时显示剩余寿命信息。

附图说明

图1是本发明的电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置的结构原理图；

图2是实物结构图示意图；

图3是本发明的电子单机热待机环境下的剩余寿命预测算法思路框图；

图4是剩余寿命预测流程图；

图5是剩余寿命密度函数图示意图；

图6是剩余寿命预测装置的实时监测画面示意图。

具体实施方式

下面结合附图的结构图及流程图，对本发明的实施例进行详细说明。

图1是电子单机热待机环境下的故障预测装置的结构原理图。如图1所示，一种电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置包括中央控制器、剩余寿命模块、电源模块、键盘、显示屏、报警模块、温度传感器、湿度传感器和数据存储模块。键盘及显示屏可以采用触摸屏，既可以实现输入，也可以进行显示。

图2是电子单机热待机环境下的故障预测装置的实物结构图示意图。如图2所示，剩余寿命预测装置包含控制器模块、电源模块、触摸屏、传感器、测试台机箱5个部分组成。

含CPU模块和模拟量输入扩展模块两个部分；CPU模块和模拟量输入扩展模块通过扩展总线进行数据交换；CPU模块主要用于数据采集、监控、通信、存储等功能；模拟量输入扩展模块主要用于模拟量输入信号的采集，并通过自定义扩展总线与CPU模块进行数据交互。

触摸显示屏主界面功能包括了运行画面，设定画面，数据画面，故障画面，数据存储的功能。

剩余寿命预测设备箱接口有5个：

接口1是模拟量信号的输入通道；

接口2是温度信号与振动信号的输入通道；

接口3是剩余寿命预测装置数字量的输出通道；

接口4是被测对象输出信号的通道；

接口5是电源接口；

而该试验的被测对象只需用到三个接口，电源接口5，接口2接收温度传感器与集成加速度传感器的信号，接口4接收被测对象的输出信号。

设备箱的四个按钮依次表示：电源、运行、复位、停止。

图3是剩余寿命预测算法思路框图，图4是剩余寿命预测流程图，从图3和图4可以看出，电子产品热待机环境下的剩余寿命受到以下三个方面的因素影响：

一为实时使用状态（温度、振动和频率等系统工作状态），用于计算电子产品的寿命损耗。

二为历史状态信息，用于计算在电子产品处于热待机环境前的寿命耗损程度。

三为加速试验获得的加速模型（依赖于试验环境和试验方法），用于计算全新电子产品的加速模型。

要预测电子产品热待机环境下的剩余寿命，需要有以上三方面的信息来源，每种信息来源都不可或缺，结合这三种信息就可以计算预测出电子产品热待机环境下的剩余寿命。

下面给出电子单机剩余寿命预测的算法及计算过程。

在热待机环境下，电子单机运行一段时间后不发生故障的剩余可靠寿命。通过计算实时监测设备所处环境应力水平，并合理划分区间，通过对每段区间的寿命损伤进行计算，将其作为下一个划分区间的历史信息，在对下一个划分区间进行寿命损伤计算时更新其特征寿命与可靠寿命。

对当前环境信息的采集，在每个分段区间，通过利用温度传感器，湿度传感器，以及信息通讯等监测手段，得到该区间环境应力水平（T/温度，S/振动）。

例如在0～t1阶段，设环境应力（T1，S1），已知基准环境应力（T0，S0），根据设备加速模型可得到设备在该区间内的加速因子，进而求得在0～t1时间段折合到基准环境下的寿命损伤Δt₁₀，并根据可靠度要求求得可靠寿命tr，计算该时间段的寿命损伤因子

图5是剩余寿命密度函数图示意图，在得到该阶段的寿命损伤因子后，将其作为历史信息使用，累积到初次测试时的损伤因子ξ中，对设备在t1～t2时间段的损伤因子进行更新，重新计算特征寿命及可靠寿命。

也就是说将原设备的寿命分布密度函数更新为剩余寿命分布函数f'(t)，将原点移置t1处，结合可靠度要求对剩余寿命做出预测。

根据可靠性条件概率有剩余寿命分布函数f'(t)：

$f^{\′}\left(t\right)=\frac{f(t+\mathrm{\ΔT})}{1-F\left(\mathrm{\ΔT}\right)}$

假设电子单机运行时间为Δt，利用剩余寿命密度分布函数公式进行推导，可得到电子单机在运行时间Δt不发生故障的前提下的剩余寿命Δtp为：

$\mathrm{\Δtp}=\sqrt[\frac{1}{m}]{{\mathrm{\Δt}}^m-{\mathrm{\η}}^m\ln p}-\mathrm{\Δt}$

其中η＞0是特征寿命，m＞0是形状参数，p为可靠度。

剩余寿命公式推导过程如下：

已知剩余寿命分布函数：

大量的实践说明，电子单机可看作或近似看作威布尔分布，威布尔分布的分布函数与密度函数分别为：

F(t)＝1-exp({-(t/η)^m},t≥0

f(t)＝(m/η^m)t^m-1exp{-(t/η)^m},t≥0

其中η＞0是特征寿命，m＞0是形状参数（和电子单机的具体结构有关）。

由可靠度函数有：

$\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δtp}}{\∫}}{f}^{\′}\left(t\right)=1-p$

其中参数p为可靠度。

将公式 $f^{\′}\left(t\right)=\frac{f(t+\mathrm{\Δt})}{1-f\left(\mathrm{\Δt}\right)}$ 带入上式有：

$\frac{\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δtp}}{\∫}}f(t+\mathrm{\Δt})}{1-F\left(\mathrm{\Δt}\right)}=1-p$

$\frac{f(t+\mathrm{\Δt}){|}_0^{\mathrm{\Δtp}}}{1-F\left(\mathrm{\Δt}\right)}=1-p$

$\frac{F(\mathrm{\Δtp}+\mathrm{\Δt})-F\left(\mathrm{\Δt}\right)}{1-f\left(\mathrm{\Δt}\right)}=1-p$

将公式F(t)＝1-exp({-(t/η)^m},t≥0代入上式得：

$1-\exp [-{\left(\frac{\mathrm{\Δtp}+\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\η}}\right)}^n]-1+\exp [-{\left(\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\η}}\right)}^m]=(1-p)\exp [-{\left(\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\η}}\right)}^m]$

$\exp [-{\left(\frac{\mathrm{\Δtp}+\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\η}}\right)}^m]=\mathrm{pexp}[-{\left(\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\η}}\right)}^m]$

两边取对数得剩余寿命Δtp为：

$\mathrm{\Δtp}=\sqrt[\frac{1}{m}]{{\mathrm{\Δt}}^m-{\mathrm{\η}}^m\ln p}-\mathrm{\Δt}$

通过上面一系列的推导计算便得到了电子单机运行的剩余寿命的计算公式。

与现有技术相比，本发明的优点是可根据当前的环境应力信息，实时的更新电子单机的剩余寿命，环境应力发生变化，剩余寿命也改变，因此能够高效准确地预测出电子单机的剩余寿命。图6是剩余寿命预测装置的实时监测画面。

为了验证本发明的实用性，进行了车载试验。试验针对矩形N80-M22MAD-DC系列PLC的物理和应用特性，研究PLC在高温、高频、高振动下的工作状态，总结和提取了其热待机环境下的寿命退化模式，结合产品的历史信息以及现场环境实时预测出了其剩余寿命。通过车载试验模拟真实环境，估计出电子单机的实时剩余寿命，检测电子单机剩余寿命预测算法和装置的可靠性、准确性以及实用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的，保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种针对电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置，其特征在于：包括中央控制器、电源模块、剩余寿命预测模块、键盘、显示屏、报警模块、传感器和数据存储模块；

所述中央控制器是对整个装置进行组织和管理，使各模块按照剩余寿命预测的工作流程协调运行；

所述电源模块用于向整个装置供电；

所述键盘是信息的输入接口，用于接收寿命预测所需的各种信息和数据；

所述显示屏用于显示信息，直观地为用户提供电子系统剩余寿命信息；

所述报警模块用于对被测设备当前的运行状态给出标识；当被测对象处于正常运行状态时显示绿灯，若要发生故障显示红灯报警；

所述传感器包括温度传感器和振动传感器，用于监测当前环境的温度和振动应力水平；

所述数据存储模块用于每隔一段采样时间将被测对象的各种状态采集存储起来，以便记录数据和进行寿命预测计算。

2.根据权利要求1所述的一种针对电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置，其特征在于：所述中央控制器的CPU模块选用N80-M44MAD-DC型号的PLC，该模块具有16路数字量输入和16路数字量输出，并在此基础上扩展了8路模拟量输入输出/电阻温度探测器/热电偶输入（E8AD/RTD/THM）模块，使得设备增加了8路模拟量的输入。

3.根据权利要求1所述的一种针对电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置，其特征在于：所述显示屏采用Samkoon触摸屏，7寸界面，通过RS485通讯与剩余寿命预测装置中的中央处理器进行通信，可以实时的与剩余寿命预测装置进行信息共享，并根据用户程序，来实时显示状态。

4.根据权利要求1所述的一种针对电子单机热待机环境下的剩余寿命预测装置，其特征在于：所述温度传感器选用pt100温度传感器来记录被测对象所处环境的温度，所述振动传感器选用集成加速振动传感器JX30系列的JX30E-100-M8-00。