一般来说，系统总是由多个子系统组成，而子系统又是由更小的子系统组成，直到细分到电阻器、电容器、电感、晶体管、集成电路、机械零件等小元件的复杂组合，其中任何一个元件发生故障都会成为系统出现故障的原因。
因此，硬件可靠性设计不仅要考虑单个控制单元的可靠性设计，还要考虑整个控制系统的可靠性设计。
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影响硬件可靠性的因素
(1)元件故障。有三种组件故障:
一是元件本身的缺陷，如硅裂纹、漏气等。
二是加工工艺和环境条件的变化加速了部件和部件的失效。
三是焊接不牢、筛选不严等工艺问题。
(2)设计不当:
在计算机控制系统中，许多部件的故障不是部件本身的问题，而是由于系统设计不合理或部件使用不当造成的。
在设计过程中，如何正确使用各种组件或集成电路是提高硬件可靠性的重要因素。
(1)电气性能
元器件的电气性能是指元器件能承受的电压、电流、电容、功率等能力。使用时要注意元器件的电气性能，不能超限使用。
(2)环境条件
计算机控制系统的工作环境有时相当恶劣。由于环境因素的影响，虽然许多系统的实验室试验良好，但在安装到现场并长期运行时经常出现故障。
原因有很多，包括温度、干扰、电源、现场空气等对硬件的影响。因此，在设计系统时，应考虑环境条件对硬件参数的影响，元件设备应进行老化试验。
(3)装配工艺
在硬件设计中，装配过程直接影响硬件系统的可靠性。由于工艺原因，很难定位和消除故障。焊点的虚拟焊接或似接非连接很可能导致整个系统在工作过程中不时出现异常工作。
此外，在设计和印刷电路板时，应考虑元器件的布局、导线的方向、导线的分类和排序。
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提高硬件可靠性的一般方法
在计算机控制系统的整体设计中，如何提高系统硬件的可靠性是整个系统设计的关键。
(1)电路设计
据统计，影响计算机控制系统可靠性的因素约45%来自系统设计。为了保证系统的可靠性，在设计电路时应考虑最极端的情况。
各种电子元件的特性不能是恒定值，总是在其额定(典型)参数的一定范围内；同时，电源和电压也有波动范围。
最糟糕的设计方法是考虑所有元件的公差，并根据最不利的值计算每个规定的电路的特性。如果这组参数值能保证电路的正常运行，则公差范围内的所有其他元件值都能使电路可靠运行。
在设计应用系统电路时，应根据部件的故障特性及其使用地点采取相应措施，串联复制易短路的部件，并联复制易开路的部件。
(2)组件选择
在确定元器件参数之后，还要确定元器件的型号，这主要取决于电路所允许的公差范围。由于制造工艺所限，有些元器件参数的公差范围可能较大，如电容器电容量等。
此外，部件或部件的额定工作条件包括多个方面（如电流、电压、频率、机械参数和环境温度等）。设计应考虑参数裕度，并尽可能保证接近部件的设计温度。
(3)结构设计
结构可靠性设计是硬件可靠性设计的最后阶段。
在结构设计中，首先要注意部件的安装，其次是控制系统工作环境的条件(如通风、除湿、防尘等)。
(4)噪声抑制
噪声对模拟电路的影响会直接影响系统精度，噪声也会对数字电路产生误动作。因此，在工程设计中必须采取噪声抑制和屏蔽措施。
对于模拟应用系统，可在电源端添加一些低通量滤波电路，以抑制电源引入的干扰；对于数字系统，通常使用滤波器和接地系统；同时，在整体结构布局中应注意组件的位置和信号线的方向。
对于电磁干扰和电场干扰，可采用电磁屏蔽和静电屏蔽隔离噪声，也可采用接地、去耦电容等措施减少噪声影响。
(4)冗余设计
可在元件级、子系统级或系统级进行硬件冗余设计，必然会增加硬件和成本。
因此，在设计中应仔细权衡硬件冗余的优缺点。在计算机控制系统中，控制单元冗余和控制系统冗余主要用于提高系统硬件的可靠性。
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单元可靠性设计
控制和接口单元是指能够独立完成某些测控功能的功能模块。其可靠性设计主要包括微处理器系统冗余设计、输入输出通道干扰抑制、电源系统干扰抑制、控制单元运行状态监控等。
(1)I/O抑制通道干扰
正常干扰模拟量输入通道的频率通常高于被测信号的频率，因此可以考虑使用滤波网络过滤模拟量输入信号。
各种形式的金属屏蔽层可用于屏蔽信号传输线路，有效地将信号线与外部电磁场隔离；当系统既有模拟电路又有数字电路时，数字电路应与模拟电路分开，最后只连接一点，以防止相互干扰。
I/O通道一般采用光电耦合器进行电气隔离，既能避免形成地环，又能有效抑制噪声。此外，输入输出通道应采用一定的过压保护电路。
(2)抑制电源系统干扰
当同一电源网上有大功率设备时，可在控制单元与供电电源之间增加三相隔离变压器，防止电网干扰侵入控制系统。
在整机电源线入口处，可增加电源滤波器，防止其他电子设备与系统相互干扰。小型电源滤波器应安装在机器的独立印刷板上，以防止板与板之间的相互干扰。
由于开关电源具有较强的抗工频电压波动和频率波动性，可以隔离从电源线进入的传导干扰，因此可以在适当的场合选择开关电源。
必要时，系统输入输出通道等设备可考虑采用独立供电，实现电源分组供电。此外，逻辑电路板上的直流电源线和接地线应合理布线。
(3)控制单元运行状态监控
可使用看门狗定时器(WDT)监控单元的运行状态。WDT输出直接连接CPU控制单元的中断请求端或复位端，WDT每次定时到达溢出脉冲信号都会引起CPU中断或复位。WDT受CPU控制可以重新设置时间常数或刷新。
定时器重新开始计时，只要程序正常运行，就不会产生定期中断或系统复位。一旦程序执行错误或程序飞行或死亡，看门狗定时器将产生溢出脉冲信号，导致定期中断或复位，使控制单元重新启动或进入中断服务程序进行纠
(4)控制单元的电源保护
处理电网瞬时断电或电压突然下降的有效方法是断电保护。计算机测控系统可添加不间断电源(UPS)，测控系统中的控制单元可增加掉电保护电路，并精心设计。
掉电信号由硬件电路检测到控制单元CPU外部中断输入端。软件中断将断电规定为高级中断，使控制单元CPU能够及时响应断电。在断电过程中，首先进行现场保护，以保存当时重要的状态参数。当电源恢复正常时，CPU重新复位，恢复现场，继续未完成的工作。
(5)控制单元冗余设计
常用的控制单元冗余设计包括热备份并联冗余和冷备份并联冗余，两者都是为了换取系统硬件的可靠性而增加硬件投资的一倍。
(1)热备份并联冗余是将多个功能相同的控制单元并联运行，同时执行相同的处理程序。当并联系统中至少有一个控制单元正常工作时，整个系统将保持正常工作。
为了提高控制单元的可靠性和经济性，通常采用双机热备份并联方式。对于控制系统，双机热备份并联方式只是其中一个控制单元完成测控任务，另一个控制单元处于平行工作的待命状态。
然而，两个控制单元同时执行相同的程序。一旦自检系统发现主控制单元故障，待命控制单元将自动切换，而不是主控制单元，使系统继续正常运行。在设计双机热备份系统时，应解决以下两个主要问题：
1)双机同步。双机同步一般以事件为同步令牌，可由设计师定义。
如果系统的工作过程是：输入接口收集传感器发送的数据CPU比较和处理收集到的数据和设定值，最终获得控制输出。然后，事件可以分为两个事件：数据收集和数据处理。
当应用程序系统启动时，两台机器同时执行第一个事件，即收集状态数据。当第一个事件完成时，比较两个结果，如果相同，则继续第二个事件；如有错误，主控制单元自动切换，用备用控制单元代替主控制单元。只要主控制单元工作正常，备用控制单元就处于待命状态。
当事件进行数据处理时，如果超出精度范围，则认为其中一个数据可能是错误的。此时，双机可以转移到事件的第一个地址并再次执行。如果仍有错误，则转移到故障检测程序。该软件回收方法可以消除一些意外因素的影响。
2)故障检测。两台机器的自检程序可分别进行自检，找出故障控制单元。如果故障机是主控制单元，则可以自动切换程序继续执行下一个事件。
为了及时切换，可以根据任务设置更多事件，增加双机同步验证次数。
所谓切换，是指通过输入输出接口交换双机状态。一旦控制单元出错，另一个控制单元可以及时知道。当控制单元发现主控制单元出现故障时，可以发出控制信号，使控制单元自动退出控制，控制单元取代控制单元，使系统继续正常运行。
（2）在冷备份并联冗余设计中，备份控制单元通常不加电，只有在发现主控制单元出现故障时才用其代替主控制单元。冷备份控制单元在硬件结构和软件实现方面与主控制单元完全相同。各种在线设备放置到位，处于接通电源即可投入正常工作的冷备份状态。
冷备份并联系统中的冷热切换可以手动或自动切换。当设计为自动切换时，主控制单元必须设置每个道路（或关键道路）的报警信号。如发现超限，应及时输出切换信号，触发冷备份系统的电源触点，使备份单元投入正常运行。
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