单元八 · 自主可控与安全
第29课 避免故障保安全

一、学习目标
- 了解控制系统故障的表现与危害。
- 了解一些控制系统在安全防护方面的设计。
- 初步具备控制系统安全防范功能的设计意识。
二、情境导入
小智家的大棚种了草莓,草莓适宜温度是 15~25℃。爸爸把通风设备开启的阈值设为 20℃。但有一天,温度传感器失灵,导致测量的温度比实际温度高 10℃。大棚温度已到 7℃,但传感器测出的温度却是 17℃,升温设备一直没接到“打开”的指令,导致一半的草莓都被“冻”伤了!
控制系统故障事件举例:
- 2024年5月,美国联合航空公司一架客机起飞后遇到襟翼故障,紧急返航。
- 2024年5月,日本大发工业公司由于车辆前部的减震装置存在缺陷,对两种车型共 104471 辆汽车进行召回。
从智能种植大棚,到飞机、汽车这类大型控制系统,任何一个模块、任何一个零件都极其重要,都有可能出现故障并造成严重后果。
想一想:你知道控制系统故障原因可能有哪些吗?把你能想到的原因都说出来。
三、核心讲解
本课学习路径:
1.讨论交流你遇到过的控制系统故障
回顾自己使用过的一些设备系统,有没有遇到过故障。如果有,请说给同学听;如果没有,可按下面提示上网查询或请教老师同学。
| 控制系统名称 | 故障原因 | 控制系统表现 |
|---|---|---|
| 空调 | 设备失灵 | 不能制冷 |
| 冰箱 | 设备失灵 | 冷藏室食物被冻,出现结冰 |
| 台灯 | 电路故障(短路) | 灯泡被烧坏 |
| 智能门锁 | 硬件被损 | 锁芯生锈,钥匙无法插入 |
购买家用电器时,说明书或用户手册里常会列出可能故障及处理办法,帮助用户理解现象并排除问题。有些设备还会显示故障码(如 E0),并采取停止运行、蜂鸣器响起等处理——这是一种自我保护机制。
想一想:这种自我保护设计很有用,你还能找到生活中有这样设计的设备吗?
2.了解控制系统避免故障的自我保护设计
生活中常见例子:电路“跳闸”防止过载触电或着火、电梯紧急迫降、空调过载保护等。
以空调高温保护为例:检测装置测室外温度,与设定阈值比较后生成指令,决定空调停止或继续工作。
输入
检测到的室外温度
计算
与设定温度(阈值)比较,生成指令
输出
空调停止或继续工作
自我保护既保护设备自身,也保护使用者。例如:
- 高压锅止开阀:锅内压力接近正常气压时才能开盖。
- 电梯防夹:人站在电梯门附近时,门保持打开。
- 汽车车门自动上锁:车速起来后自动上锁,防止不慎开门。
- 电吹风过温保护:温度超过安全范围时自动断电,避免过热起火。
高压锅还有多层保护细节:防爆限压阀、安全阀、报警阀、安全防堵罩、安全自锁阀、安全手柄等,都是为了保护设备与使用者。
想一想:观察高压锅设计细节,你知道它们各自起什么作用吗?
3.通过程序模拟灯泡故障自我检测
活动内容:使用 MixGo Mini 实现模拟灯泡故障自我检测。
- 活动目的:感受用程序实现控制系统功能,以及故障检测的设计思路。
- 在下方载入示例程序,观察哪一部分代码在做故障检测。
- 分析检测逻辑,并尝试想出其他自动或手动的检测方法。
想一想:这段程序怎样判断“可能出故障”,又怎样提醒使用者?
弄清以上要点后,再进入下方动手体验,用实际操作验证。
四、动手体验 · MixGo MINI
错误检测予提示
正在载入 MINI 编程环境
正在载入 MixGo MINI 图形化仿真编程环境…
五、课堂总结
- 很多电气设备都有自我保护功能。
- 自我保护功能,既保证了设备自身的安全,又保护了使用者的人身安全。
- 控制系统设计者要具备产品安全防范功能设计的意识。
六、拓展提升
- 请为智能种植大棚增加一个自我保护模块。小智家不断改造种植大棚,想增加安全保护措施,保证大棚基础设施安全。可选:室外温度过低/过高保护、系统电流过大保护、喷灌器压力过大保护等;参考空调过温保护,绘制所选模块的工作过程示意图。
测评
对照本课学习目标作答(客观题练习);选出后点「检查」。答错会显示简短说明。
-
关于控制系统故障的危害,下列哪项认识正确?
-
下列哪项属于控制系统在安全防护方面的自我保护设计?
-
判断:控制系统设计者应具备产品安全防范功能设计的意识。
本节小结
回顾本课要点,完成动手体验与测评。记住:避免故障保安全。