单元八 · 自主可控与安全

第29课 避免故障保安全

任务场景
任务场景: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
2了解控制系统避免故障的自我保护设计
3通过程序模拟灯泡故障自我检测

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。

常见设备故障对照(示例)
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

系统自我保护:在控制系统内部安装保护功能模块,使系统运作时具备良好的自我保护能力,从而保障稳定运行与安全使用,避免设备损坏,并保护相关人员安全。

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

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。

  1. 关于控制系统故障的危害,下列哪项认识正确?

  2. 下列哪项属于控制系统在安全防护方面的自我保护设计?

  3. 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。