6ES7231-7PB22-0XA8详细使用

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1.1避雷器自身过电压防护问题 

避雷器是过电压保护电器，其自身仍存在过电压防护问题。对于能量有限的过电压如雷电过电压和操作过电压，避雷器泄流能起限压保护作用。对能量是无限（有补充能源）的过电压，如暂态过电压（工频过电压和谐振过电压的总称），其频率或为工频或为工频的整数倍或分数倍，与工频电源频率总有合拍的时候，如因某些原因而激发暂态过电压，工频电源能自动补充过电压能量，即使避雷器泄流过电压幅值不衰减或只弱衰减，暂态过电压如果进入避雷器保护动作区，势必长时反复动作直至热崩溃，避雷器损坏爆炸，因此暂态过电压对避雷器有致命危害。如果已将全部暂态过电压限定在保护死区内不受其危害的避雷器，称之为暂态过电压承受能力强，反之称暂态过电压承受能力差。碳化硅避雷器暂态过电压承受能力强，但由于运行中动作特性稳定性差，常因冲击放电电压（保护动作区起始电压）值下降，仍可能遭受暂态过电压危害。无间隙氧化锌避雷器因其拐点电压（可近似地把参考电压当作拐点电压）偏低，仅2.21～2.56Uxg（较大相电压），而有些暂态过电压较大值达2.5～3.5Uxg，故有暂态过电压承受能差的缺点。对暂态过电压危害有效防护办法是加结构性能稳定的串联间隙将全部暂态过电压限定在保护死区内，使避雷器免受其危害。串联间隙氧化锌避雷器有此*具优点。 

1.2避雷器自身对电力系统不安全影响 

保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护回路再也没有限流元件，保护动作都要造成接地故障或相间短路故障，保护作用增多电力系统故障率，影响电力系统的正常、安全运行。应用氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合闸装置就能减少线路雷害停电事故。 

1.3避雷器其连续雷电冲击保护能力 

有时高压电力装置可能遭受连续雷电冲击，连续雷电冲击是指两次雷电入侵波间隔时间仅数百μs至数千μs，间隔时间较短。碳化硅避雷器保护动作既泄放雷电流也泄放工频续流，切断续流时耗较大达10000μs，一次保护循环时间要远大于10000μs才能恢复到可进行再次动作能力，故碳化硅避雷器没有连续雷电冲击保护能力。氧化锌避雷器保护动作只泄放雷电流，雷电流泄放（小于100μs）完毕，立即恢复到可进行再次动作能力，故氧化锌避雷器具有连续雷电冲击保护能力，这对于多雷区或雷电活动特殊强烈地区的防雷保护尤为重要。 

1.4工频能源的浪费 

只关注防雷器件泄放雷电流的限（降）压保护作用，轻视或忽视有些器件同时泄放工频电流浪费能源作用。保护间隙或管型避雷器保护动作可能伴随短路电流（几kA至几十kA）对地放电，碳化硅避雷器保护动作有工频续流（避雷器FS型为50A，FZ型为80A，FCD型为250A）对地放电，而造成能源浪费，使用氧化锌避雷器可彻底避免保护作用带来的工频能源浪费。  

2.避雷器保护特性 

2.1避雷器的保护特性参数 

各种型号的避雷器在同用途同电压级时，其雷电残压参数相同或接近，这是因为各生产厂都是按国标规定决定残压值的。有人认为既然雷电残压值一样，它们的保护作用和效果也应是一样的，随意选用哪种型号都可以。这是一种偏见，因为除雷电残压外，还有其它保护参数，如工频放电电压值，冲击放电电压值，是考察避雷器暂态过电压承受能力，保其长期正常运行的参数；又如是否有雷电陡波残压值，是标示避雷器防雷保护功能完全的重要参数。综合来看，只有串联间隙氧化锌避雷器齐备上述保护特性参数，也就是说它有齐全的防护功能。 

2.2避雷器动作特性运行稳定性 

碳化硅避雷器保护动作要泄放雷电流和工频续流，动作负载重，经计算每次动作泄放雷电流为0.04～0.07 C电荷量，工频续流为0.5～2.5 C电荷量，后者与前者相比一般为11～17倍，且其间隙数量多隙距，常因动作负载重使部分间隙烧毛烧损，另外瓷套外壳脏污潮湿也会影响内间隙电容分布，这些都可能使部分间隙失效而降低冲击放电电压值，即动作特性稳定性差，可能增加保护动作频度，或遭受暂态过电压危害，而加速损坏。串联间隙氧化锌避雷器保护动作只泄放雷电流而无续流，动作负载轻，间隙不需具有灭弧及切断续流能力，故间隙数量特少，3～ 10kV避雷器仅一个间隙，35kV避雷器为3个间隙串联，间隙的工频放电电压值与碳化硅避雷器相同，符合GB7327规定，故间隙隙距大，动作特性可保持长期运行稳定。 

2.3串联间隙氧化锌避雷器 

碳化硅避雷器因其间隙结构（隙距小，数量多）带来一些缺点：如没有雷电陡波保护功能；没有连续雷电冲击保护能力；动作特性稳定差可能遭受暂态过电压危害；动作负载重寿命短等。无间隙氧化锌避雷器因其拐点电压较低，有暂态过电压承受能力差，损坏爆炸和寿命短等缺点。串联间隙氧化锌避雷器既有间隙又用ZnO阀片，其间隙结构不同于碳化硅避雷器，因其间隙数量少，当过电压达到冲击放电电压时间隙无时延击穿，同时因隙距大动作特性稳定，故它可避免碳化硅避雷器间隙带来的一切缺点。串联间隙氧化锌避雷器的间隙已将全部暂态过电压限定在保护死区内免受其危害，故它可避免无间隙氧化锌避雷器因拐点电压偏低带来一切缺点。串联间隙氧化锌避雷器仍有前两种避雷器保护性能优点，而避免它们的缺点。 

2.4避雷器运行工况监测 

避雷器失效的主要特征是泄漏电流增大，运行中不易发现，有可能长时带病运行，以致扩大事故，故有必要监察其运行工况。碳化硅避雷缺乏监察手段，靠每年定期普遍测试筛选淘汰这样作事倍功半，还不能随时剔除失效品。氧化锌避雷器可附带脱离器，当其失效损坏时，脱离器自动动作（30mA时不大于8min）退出运行，以免造成更大损失和事故，提高运行性。 

1 引言

目前，许多制造业企业仍然在推行基于故障反应方式的服务和维护活动，许多商用维护管理软件工具缺乏与生产控制系统的集成性。改变这种情况的困难在于我们缺少有效的、预言性的诊断模式与工具，以理解生产线和设备每天的动作。由于缺乏设备健康状态量化指标和故障判断依据，要定期进行大检大修，停机时间长，经济损失大，特别是故障停机，其损失无可估量。这就要求研究涉及生产和设备故障原因，开发智能化的监视工具和软件，提供前瞻性的维护能力，诸如性能退化测量、故障恢复、自维护以及远程诊断。

发达国家提出21世纪的设备维护应能是在整个产品生命周期中进行健康状态跟踪监测、评估、性能退化测量，进行早期故障状态预诊断，以减少甚至生产线的停机时间;同时能够分析故障原因，不当因素，从源头上克服故障的发生;能够进行自维护及故障恢复;能够进行远程诊断，以主动的预诊断取代对故障的被动响应。

21世纪，又是互联网时代，设备维护将是基于开放式的互联网技术的智能电子维护，这是使制造业生产力和产品售后服务达到**良好水平的关键。基于有线集中监测模式的传感器/变送器监测系统已出现多年，但有线模式有其局限性，也谈不上智能电子维护，因为没有进行早期健康状态评估和早期故障预诊断。

本文给出了一种基于无线分布式的集成监测网络，它是设备状态监测无线集成网络研究及工业应用开发要解决的两个核心技术之一，它克服了有线集中监测模式的局限性，使不适于安装有线网络的地方通过一种特殊的无线网络实现远程监测、评估，使设备运行和维护智能化，实现制造业的智能电子维护互联网服务。而且这种无线网络又是分布式的，即每个节点均具有数据处理的能力，仅将少量的分析结果发送到远程主节点，有利于制造业制造系统的创新和经济效益的提高，可广泛应用于船舶、机车、车辆、海上石油平台、桥梁隧道和环境保护等方面的分布式远程监测、诊断、调度和预警网络。

2.1 从节点硬件系统

从节点硬件系统由嵌入式系统、信号采集和调理部分及无线通信部分组成。

嵌入式系统由CPU模板和A/D数据采集卡构成。
低功耗的嵌入式处理器PC/104 CPU板型号为SED-586SV，133MHz-16MB内存，内置浮点运算协处理器，在板支持只读固态盘（64K～1M）或可读写大容量电子盘（8～288M）, 2K位EEPROM，512 位OEM 可 用，保存除时间和日期之外的全部设置，在板包含DMA控制器、中断控制器及定时器，实时时钟（板上自带或外接后备电池3.0V-3.6V），16～32M 字节DRAM;在板的外部接口有双向并行口、两个16550 兼容的RS232 串行口（COM2 可选RS485 接口标准）、固态盘存贮芯片插座、软盘驱动器接口、IDE 硬盘驱动器及键盘、喇叭接口。增加了许多扩展功能的工业ROM-BIOS， 这些功能包括固态盘扩展（支持EPROM，DiskOnChip）、串行控制台支持、定时器功能（BIOS 支持）。A/D采集卡采用PM-510 PC/104 100KHz，12bit，16单/8双，0～5V输入 。

信号采集与调理部分由一个或多个传感器加信号调理部分构成，使采集到的设备状态信息转为A/D板可接收的信号（0～5V），系统中采用压电式加速度传感器和电荷放大器。加速度传感器技术参数为灵敏度约2pC/ms-2、频率范围为1Hz～10KHz、较**程1x104ms-2、横向灵敏度<%5、重量14克、工作温度-40～1200C。电荷放大器技术参数为增益：1/3/10/30/100/300/1000mv/unit、频率范围为0.3Hz～100KHz、归一化调节采用3位拨盘、噪声<5mV、精度误差<1%、输出±10V/10mA。

无线通讯部分采用RF418无线收发装置，通过RS-232接口与PC/104 CPU的RS-232相连，与传统的无线数据网络不同的是能耗特低，采用特殊的路由优化算法和TDMA时间域多路存取算法使没有分配时间片的节点进入低功耗或睡眠状态以降低功耗，发送和接收功耗不同，利用小范围多跳（multihop）技术使得节点与基站的距离可加大但功率不增，因为其功率只有满足与相邻节点通讯便可，实现节能。同时，这个特性使用户在任何需要的地点安装传感器而不受中心数据采集与网关位置的视线通讯的限制。我们采用的RF418无线收发模块采用蓝牙技术，工作频段为433～434MHz，空中传送数据速率小于100Kbps，可每分钟调频5次及跳跃4个工作信道，集打包、纠错、检错等功能于一身，由关机到开机再到发送数据的切换时间仅为0.2ms，因而可以在无收发需求时处于睡眠状态，有需求时快速切换到工作状态。

2.2、基站硬件系统

主机为**PC机;无线通信模块也是采用RF418无线收发器;有线网络接口部分为以太网卡和/或ControlNet/DeviceNet网关模块，这样系统可连接到现场总线网络或以太网互连集成，形成基于开放式网络的平台。

2.3、嵌入式PC/104总线工控机特点

体积小，PC/104的尺寸为96mmx96mmx15mm，采用高集成度增强型嵌入式专用处理器;重量轻，平均每个模板小于0.15Kg;低功耗（采用CMOS工艺）,典型值3.5W;所有的板卡设计为工业级，在恶劣环境下能稳定工作, -25～75C（扩展温度-40～85C）, 5～95%相对湿度, 贮存温度-55～ +85C;特殊的堆栈式结构且不需机架，可以嵌入到被监控的设备中;具有与低功耗快速高可靠性的无线通信设备的接口;在系统调试期间提供与键盘、鼠标、显示器、网络、硬盘、软驱的接口，方便调试;与IBM-PC/AT 标准完全兼容，在PC机下的工具软件及开发的应用软件可直接运行于其上，提供高级语言编程环境;等优点。

3 进行智能维护的机械传动系统

将设备智能维护具体化为对轴承进行早期故障诊断，其机械传动系统结构示意图如图2所示。

图2 轴承机械传动系统结构示意图

在无线集成网络平台系统中的传感器信号来自于此处的加速度传感器，通过监测正常轴承数据建立智能维护的基准数据库，而通过测定不同健康状况（如点蚀、裂纹、缺滚珠）的轴承的加速度数据来建立轴承使用中整个生命周期内的数据库;二者进行对比，分析处理。

4 软件系统

4.1 操作系统和系统软件

从节点PC/104嵌入式系统，采用DOS6.2R或bbbbbbS CE实时操作系统，可实现系统紧凑性和响应的实时性。由于无可视化及与用户交互的需求，仅需对底层设备信息进行快速加工，处理，采用面向对象的C++语言。基站可采用bbbbbbS 2000操作系统，便于图形化的人机交互，编程语言采用VC++语言。

4.2 应用软件

这是设备状态监测无线集成网络研究及工业应用开发要解决的另一个核心技术，分为两个大的层次：从节点内的软件系统，数据处理加通信部分，主要完成大量采集信号过滤、降噪与频谱分析，利用大量的设备状态进行基于行为的计算取代过去基于模型的计算处理，据此进行早期诊断、预维护和故障修复，并将少量分析结果以无线的方式发给基站;基站内的软件系统，将各个从节点发过来的数据建立历史数据库，基于行为的和基于模型的分析、诊断、处理，详细内容参见本项目的另外文章。

5 展望

传感器将来可采用多种信号混用的集成式传感器，也可两种类型均采用;将轴承健康状态的诊断智能维护推广到其他设备上，如地铁建设中使用的大型盾构机、火车底盘轴承等;将可视化技术CMOS与无冷却的红外线成像技术应用到设备的智能维护中;如能采用DSP技术自行设计CPU模块，不仅可实现现行的无线通讯模块的电源管理，还可实现CPU模块的电源管理，使CPU模块也可运行于低功耗和睡眠模式。

本文首先阐述了故障预测和故障诊断的定义,故障预测与故障诊断的区别。阐述了故障预测在半导体设计中价值。
       论述了故障预测在半导体设计中的应用问题，影响半导体器件寿命的因素。给出了静电损伤、热载流子等影响半导体器件寿命的故障预测方案。 
       1. 引言  
       电子元器件的可靠性是电子设备可靠性的基础。电子可靠性工程是提高产品质量和可靠性，降低硬件生产故障率和市场失效率的系统工程。 根据业界的分析，60%以上的生产故障是由于器件失效引起的，70%以上的市场返修也是因为器件失效引起的，而大多数公司对此却没有采用系统化的电子可靠性工程方法来解决，导致效率较低，产品质量可靠性不高。其实，通过选择合适的器件，有效地控制器件质量，合理应用器件，进行可靠性设计，达到业界良好的产品质量是可以实现的。集成电路芯片在电子系统中起到越来越重要的作用,在以珍视生命的大前提下现代的医疗设备，汽车,装备,航空设备等电子系统的使用,**和维修费用越来越庞大,经济可承受性成为一个不可回避的问题。现在，故障预测和健康管理技术在电子系统中已经有广泛的应用，作为电子系统的主要部件和大脑的集成电路芯片能不能也采用故障预测和健康管理技术呢？能不能做到将故障预测的范围从部件缩小到芯片呢？ 

       2.故障预测与故障诊断 
       故障是产品不能完成规定功能或性能退化不满足规定要求的状态。现在通常的做法是在故障发生后，通过故障诊断的方法找到故障原因。故障诊断是系统发生故障后,通过别的方式、手段来警戒用户，因此故障诊断是事后维修的一个依据。事后维修是以系统故障为依据，在系统出现故障后才进行维修以恢复系统的正常功能。事后维修是较原始的维修方式,可以减少一些不必要的维修费用,但当一个部件出现故障时他可能会损坏其他部件,毁坏整个系统,甚至危及人身安全。这是事后维修的局限性。 
       在这里提出新的概念—故障预测和健康管理。故障预测是以当前的使用状态为起点，对将来可能出现的故障进行预测，向用户及时提出警告，以便能够采取措施避免重大恶性事故发生外,对现行的系统管理和维修制度也有开创性的作用，达到及时的故障预测和有效的健康管理。Ridgetop-Group[1] 的故障预测和健康管理方案能够告诉用户当前系统的健康状态和剩余有用时间。因此故障诊断是发生在系统失效之后,故障预测和健康管理是发生在故障出现之前。下面给出Ridgetop Group 关于集成电路芯片器件和电子系统的故障预测说明图1. 

  Ridgetop 建议如果芯片触发了故障预测报警点，说明芯片已经接近它的实际寿命，应该提前采取措施，预防重大事故发生，比如更换芯片或更换整个PCB板。 

      3.集成电路器件故障预测的应用 
      故障预测和健康管理技术已经应用在航天、民用飞机、、军事上，这里不在赘述。在这里将要讨论集成电路芯片器件的故障预测技术，首先应知道有哪些因素导致芯片的寿命减短或在芯片的生命周期内失效呢？ESD、TDDB（时间相关介质击穿）、NBTI（Negative Bias Temperature Instability）、电迁移、热载流子、辐射损伤等实效机理是半导体中无法回避的。既然这些半导体效应是不可避免的、不可回避的，就可以根据这些效应进行集成电路器件的寿命进行预测。可靠性的问题实际上也是对未知的问题加以控制。美国Ridgetop-Group针对静电损伤（ESD）、TDDB（Time Dependent Dielectric Breakdown）、电迁移、NBTI（Negative Bias Temperature Instability）、热载流子、辐射损伤等失效机理，做到了在宿主器件剩余20%寿命时失效。 根据故障预测的结果或故障预测的报警点可以进行预知维修,比如更换芯片或提供芯片的真正的使用寿命给芯片设计者。以至于把灾难性故障的风险降到较小，使系统或芯片器件发挥较大的效能。这里主要介绍ESD、HC、TDDB、NBTI的故障预测。 
      3.1 静电损伤的故障预测 
      静电损伤是半导体领域的难点, 很多企业使用静电腕带或离子风来减少静电效应, 静电损伤是不易被察觉的，它的影响也是不能马上就能体现出来。但是静电损伤的确是存在的,也是减少芯片器件生命周期的一个因素，也就是使对静电损伤进行故障预测成为有效使命。这里提供Ridgetop-Group关于静电损伤的故障预测单元.  

      如图7.HC单元与主电路被放在一起，与主电路一样受相同的外界应力影响，这些外界应力决定着芯片的寿命。当主电路在测试方式下，这个单元将触发，进入到预定的、连续的应力和测试循环，较终给出电路真正的寿命。 
       TDDB效应的故障预测 
       TDDB效应是由小几何体， 多沟道，薄栅氧化层， NMOS 衬底注入引起的， 它容易造成噪声增加，功耗增加，MOS管器件电参数不稳定,如:阑值电压漂移、跨导下降和漏电流增加等,甚至可引起MOS管失效。Ridgetop-Group TDDB 故障预测单元是利用和主电路在一起的利用JTAG 技术的TDDB物理单元加HALT 测试方法来实现的。 
       NBTI效应的故障预测 
       NBTI效应主要130纳米及以下工艺中。当栅源的电压是负电压，PMOS 容易发生NBTI效应。在氧化硅和硅的界面处，负偏压和/或温度容易造成正阱，造成Vt 增加和Id的减少。造成电性的间歇性和失效， 导致芯片可靠性和寿命降低。Ridgetop-Group TDDB 故障预测单元是利用和主电路在一起的NBTI物理单元来实现的。 
        对于在半导体中的金属迁移和辐射等效应，它们都在影响半导体寿命,有同样类似的单元来对金属迁移和辐射效应等进行预测，只是它们针对不同的目的，不同的问题。这些单元与客户的主电路隔离开，互不干扰，但它们实现了芯片内部的自检测试（BIST），达到要检测的目的。对于这些效应的预测,请查阅Ridgetop Group 工作网站。  
       4 总结 
       故障预测技术是可以应用在半导体设计中的，随着较终用户的要求越来越高,也要求芯片能越来越高,如果能够预测芯片的寿命,使系统维修和芯片的替换变得更容易、更简单。上述这些半导体效应是不能避免的,但是它们是可以预知的, 因此故障预测技术可以应用在半导体设计领域,将故障预测范围缩小到芯片级,避免重大恶性事故发生。