Министерство образования и науки Украины
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра МИТ
Реферат
по курсу: Методы и средства измерений
на тему: «ОБЕСПЕЧЕНИЕНАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ АППАРАТУРЫ»
Выполнил:
ст. гр. МСС-07-1
Федцова А. С.
Проверил:
Закорин В.А.
2010г
Содержание
1 Основные параметры надежности
2 Количественные характеристики надежности
3 Структурная надежность аппаратуры
4 Методы повышения надежности
Используемые источники
1 основные параметры Надежности
Понятие надежности. Один из основныхпараметров радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) – надежность. Она зависит как отнадежности используемой элементной базы, так и от принятых схемотехнических иконструкторских решений. Требования к надежности аппаратуры постоянноповышаются. Вопросам повышения надежности РЭА на всех этапах ее проектированияи производства уделяется самое большое внимание.
Под надежностью понимают свойство изделиявыполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели взаданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемойнаработки при соблюдении режимов эксплуатации, правил техническогообслуживания, хранения и транспортировки. Продолжительность работы РЭА допредельного состояния, установленного в нормативно-технической документации,называют ресурсом изделия.
Надежность – это сложное комплексноепонятие, с помощью которого оценивают такие важнейшие характеристики изделий,как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность,восстанавливаемость и др.
В любой момент времени РЭА можетнаходиться в исправном или неисправном состоянии. Если РЭА в данный моментвремени удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основныхпараметров, характеризующих нормальное выполнение вычислительных процессов(точность, быстродействие и др.), так и в отношении второстепенных параметров,характеризующих внешний вид и удобство эксплуатации, то такое состояниеназывают исправным состоянием.
Неисправное состояние – это состояние РЭА,при котором она в данный момент времени не удовлетворяет хотя бы одному из этихтребований, установленных в отношении как основных, так и второстепенныхпараметров.
Не каждая неисправность приводит кневыполнению РЭА заданных функций. Различают неисправности основные ивторостепенные. Второстепенные неисправности называют дефектами.
Основные эксплуатационные свойства изделийс позиций обеспечения надежной работы: безотказность, ремонтоспособность,долговечность и сохраняемость.
Наработка – продолжительность (или объем)работы изделия, измеряемая временем, циклами, периодами и т. п. В процессеэксплуатации или испытания изделия в зависимости от его назначения различаютсуточную или месячную наработку, наработку на отказ, среднюю наработку допервого отказа, гарантийную наработку и т. п. Суточная и месячная наработкиоцениваются временем (циклами, периодами), которое изделие проработало втечение суток или месяца.
Наработка на отказ – среднее значениенаработки ремонтируемого изделия между отказами. Если наработка выражена в единицахвремени, то используют термин среднее время безотказной работы. Под среднейнаработкой до первого отказа понимают среднее значение наработки изделий впартии до первого отказа. Для неремонтируемых изделий этот термин равнозначенпонятию средней наработки до отказа.
Гарантийная наработка представляет собойнаработку изделия, до завершения которой изготовитель гарантирует иобеспечивает выполнение определенных требований к изделию, при условиисоблюдения потребителем правил эксплуатации, в том числе правил хранения итранспортировки. Срок гарантии устанавливается в технической документации илидоговорах между изготовителем и заказчиком.
Безотказностью называют свойство изделиясохранять свою работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов.Безотказность измеряется в единицах наработки.
Ремонтоспособность – свойство РЭА,заключающееся в приспособлении к предупреждению, обнаружению и устранениюотказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Долговечность – свойство РЭА сохранятьработоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами длятехнического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние определяетсятехнической непригодностью РЭА из-за снижения эффективности эксплуатации илитребований техники безопасности и оговаривается в технической документации.
Сохраняемость – свойство изделия сохранятьэксплуатационные показатели в течение заданного срока хранения и после него.
Интенсивность отказов – зависимостьинтенсивности отказов от времени.
Различают три вида отказов:
1 обусловленные скрытыми ошибками вконструкторско-технологической документации и производственными дефектамипри изготовлении изделий;
2 обусловленные старением и износом радио-и конструкционных элементов;
3 обусловленные случайными факторамиразличной природы.
Для оценки надежности систем введеныпонятия «работоспособность» и «отказ».
Работоспособность и отказы.Работоспособность – это состояние изделия, при котором оно способно выполнятьзаданные функции с параметрами, установленными требованиями техническойдокументации. Отказ – событие, приводящее к полной или частичной утратеработоспособности изделия. По характеру изменения параметров аппаратуры отказыподразделяют на внезапные и постепенные.
Внезапные (катастрофические) отказыхарактеризуются скачкообразным изменением одного или нескольких параметроваппаратуры и возникают в результате внезапного изменения одного или несколькихпараметров элементов, из которых построена РЭА (обрыв или короткое замыкание).Устранение внезапного отказа производят заменой отказавшего элемента исправнымили его ремонтом.
Постепенные (параметрические) отказыхарактеризуются изменением одного или нескольких параметров аппаратуры стечением времени. Они возникают в результате постепенного изменения параметровэлементов до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторыепределы, определяющие нормальную работу элементов. Это может быть последствиемстарения элементов, воздействия колебаний температуры, влажности, механическихвоздействий, и т.п. Устранение постепенного отказа связано либо с заменой,ремонтом, регулировкой параметров отказавшего элемента, либо с компенсацией засчет изменения параметров других элементов.
По взаимосвязи между собой различаютотказы независимые, не связанные с другими отказами, и зависимые. Поповторяемости возникновения отказы бывают одноразовые (сбои) и перемежающиеся.Сбой – однократно возникающий самоустраняющийся отказ, перемежающийся –многократно возникающий сбой одного и того же характера.
По наличию внешних признаков различаютотказы явные – имеющие внешние признаки появления, и неявные (скрытые), дляобнаружения которых требуется провести определенные действия.
По причине возникновения отказыподразделяют на конструкционные, производственные и эксплуатационные, вызванныенарушением установленных норм и правил при конструировании, производстве иэксплуатации РЭА.
По характеру устранения отказы делятся наустойчивые и самоустраняющиеся. Устойчивый отказ устраняется заменойотказавшего элемента (модуля), а самоустраняющийся исчезает сам, но можетповториться. Самоустраняющийся отказ может проявиться в виде сбоя или в формеперемежающегося отказа. Отказ типа сбоя особенно характерен для РЭА. Появлениесбоев обусловливается внешними и внутренними факторами.
К внешним факторам относятся колебаниянапряжения питания, вибрации, температурные колебания. Специальными мерами(стабилизации питания, амортизация, термостатирование и др.) влияние этихфакторов может быть значительно ослаблено. К внутренним факторам относятсяфлуктуационные колебания параметров элементов, несинхронность работы отдельныхустройств, внутренние шумы и наводки.
2 количественные характеристики Надежности
Надежность, как сочетание свойствбезотказности, ремонтоспособности, долговечности и сохраняемости, и сами этикачества количественно характеризуются различными функциями и числовымипараметрами. Правильный выбор количественных показателей надежности РЭАпозволяет объективно сравнивать технические характеристики различных изделийкак на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации (правильный выбор системыэлементов, технические обоснования работы по эксплуатации и ремонту РЭА, объемнеобходимого запасного имущества и др.).
Возникновение отказов носит случайныйхарактер. Процесс возникновения отказов в РЭА описывается сложнымивероятностными законами. В инженерной практике для оценки надежности РЭА вводятколичественные характеристики, основанные на обработке экспериментальныхданных.
Безотказность изделий характеризуетсявероятностью безотказной работы P(t) (характеризует скорость снижения надежности во времени),частотой отказов F(t),интенсивностью отказов (t), средней наработкой на отказ Тср. Можно такженадежность РЭА оценивать вероятностью отказа q(t) = 1 — P(t).
Рассмотрим оценку надежностинеремонтируемых систем. Приведенные характеристики верны и для ремонтируемыхсистем, если их рассматривать для случая до первого отказа.
Пусть на испытания поставлена партия,содержащая N изделий. В процессе испытаний к моменту времени t вышли из строя n изделий.Осталось исправными:
N(t) = N – n.
Отношение Q(t) = n/N являетсяоценкой вероятности выхода из строя изделия за время t. Чем больше число изделий, тем точнее оценка надежностирезультатов, строгое выражение для которой выглядит следующим образом:
Q(t) = />.
Величина P(t), равная
надежность радиоэлектронная аппаратура
P(t) = 1 – Q(t)
называется теоретической вероятностьюбезотказной работы и характеризует вероятность того, что к моменту t непроизойдет отказа.
Вероятность безотказной работы изделияможет быть определена и для произвольного интервала времени (t1; t2)с момента начала эксплуатации. В этом случае говорят об условной вероятностиP(t1; t2) в период (t1; t2) прирабочем состоянии в момент времени t1. Условная вероятность P(t1;t2) определяется отношением:
P(t1; t2) = P(t2)/P(t1),
где P(t1) и P(t2) — соответственно значения вероятностей в начале (t1) и конце (t2)наработки.
Значение частоты отказов за время t в данном опыте определяется отношением
F(t) = n/Nt = Q(t)/t.
В качестве показателя надежностинеремонтируемых систем чаще используют производную по времени от функции отказаQ(t), которая характеризует плотность распределения наработки изделия до отказаf(t):
F(t) = dQ(t)/dt = — dP(t)/dt.
Величина f(t)dt характеризует вероятностьтого, что система откажет в интервале времени (t; t+dt) при условии, что вмомент времени t она находилась в рабочем состоянии.
Интенсивность отказов. Критерием, болееполно определяющим надежность неремонтируемой РЭА и ее модулей, являетсяинтенсивность отказов (t).Интенсивность отказов l(t)представляет условную вероятность возникновения отказа в системе в некоторыймомент времени наработки при условии, что до этого момента отказов в системе небыло. Величина l(t) определяетсяотношением
(t) = f(t)/P(t) = (1/P(t) dQ/dt.
Отсюда следует, что величина l(t)dt характеризует условную вероятностьтого, что система откажет в интервале времени (t; t+dt) при условии, что вмомент времени t она находилась в работоспособном состоянии.
Вероятность безотказной работы связана свеличинами l(t) и f(t) следующими выражениями:
P(t) = exp(-/>(t) dt), P(t) = exp(-/>f(t) dt)
Зная одну из характеристик надежностиP(t), l(t) или f(t), можно найти две другие.
Если необходимо оценить условнуювероятность, можно воспользоваться следующим выражением:
P(t1; t2) = exp(-/>(t) dt).
Если РЭА содержит N последовательносоединенных однотипных элементов, то
Тср = />P(t) dt.
Правильно понимать физическую природу исущность отказов очень важно для обоснованной оценки надежности техническихустройств. В практике эксплуатации различают три характерных типа отказов:приработочные, внезапные и отказы из-за износа. Они различаются физическойприродой, способами предупреждения и устранения и проявляются в различныепериоды эксплуатации технических устройств.
Отказы удобно характеризовать «кривойжизни» изделия, которая иллюстрирует зависимость интенсивности происходящих внем отказов l(t) от времени t. Такая идеализированнаякривая для РЭА приведена на рисунке 2.1.
/>
Рис. 2.1 – Типичнаязависимость интенсивности отказов систем от времени
Она имеет три явно выраженных периода:приработки I, нормальной эксплуатации II, и износа III.
Приработочные отказы наблюдаются в первыйпериод (0 – t1) эксплуатации РЭА и возникают, когда часть элементов,входящих в состав РЭА, являются бракованными или имеют скрытые дефекты.Физический смысл приработочных отказов может быть объяснен тем, чтоэлектрические и механические нагрузки, приходящиеся на компоненты РЭА вприработочный период, превосходят их электрическую и механическую прочность.Поскольку продолжительность периода приработки РЭА определяется в основноминтенсивностью отказов входящих в ее состав некачественных элементов, топродолжительность безотказной работы таких элементов обычно сравнительно низка,поэтому выявить и заменить их удается за сравнительно короткое время.
В зависимости от назначения РЭА периодприработки может продолжаться от нескольких до сотен часов. Чем болееответственное изделие, тем больше продолжительность этого периода. Периодприработки составляет обычно доли и единицы процента от времени нормальнойэксплуатации РЭА во втором периоде.
Как видно из рисунка, участок «кривойжизни» РЭА, соответствующий периоду приработки I, представляет собой монотонноубывающую функцию l(t), крутизнакоторой и протяженность во времени тем меньше, чем совершеннее конструкция,выше качество ее изготовления и более тщательно соблюдены режимы приработки.Период приработки считают завершенным, когда интенсивность отказов РЭАприближается к минимально достижимой (для данной конструкции) величине lmin в точке t1.
Приработочные отказы могут быть следствиемконструкторских (например, неудачная компоновка), технологических(некачественное выполнение сборки) и эксплуатационных (нарушение режимовприработки) ошибок.
С учетом этого, при изготовлении изделийпредприятиям рекомендуется проводить прогон изделий в течение несколькихдесятков часов работы (до 2–5 суток) по специально разработанным методикам, вкоторых предусматривается работа при влиянии различных дестабилизирующихфакторов (циклы непрерывной работы, циклы включений-выключений, изменениятемпературы, напряжения питания и пр.).
Период нормальной эксплуатации. Внезапныеотказы наблюдаются во второй период (t1–t2) эксплуатацииРЭА. Они возникают неожиданно вследствие действия ряда случайных факторов, ипредупредить их приближение практически не представляется возможным, тем болеечто к этому времени в РЭА остаются только полноценные компоненты. Однако и такиеотказы все же подчиняются определенным закономерностям. В частности, частота ихпоявления в течение достаточно большого промежутка времени одинакова в однотипныхклассах РЭА.
Физический смысл внезапных отказов можетбыть объяснен тем, что при быстром количественном изменении (обычно – резкомувеличении) какого-либо параметра в компонентах РЭА происходят качественныеизменения, в результате которых они утрачивают полностью или частично своисвойства, необходимые для нормального функционирования. К внезапным отказам РЭАотносят, например, пробой диэлектриков, короткие замыкания проводников,неожиданные механические разрушения элементов конструкции и т. п.
Период нормальной эксплуатации РЭАхарактеризуется тем, что интенсивность ее отказов в интервале времени (t1–t2)минимальна и имеет почти постоянное значение lmin » const. Величина lmin тем меньше, а интервал (t1–t2) тембольше, чем совершеннее конструкция РЭА, выше качество ее изготовления и болеетщательно соблюдены режимы эксплуатации. Период нормальной эксплуатации РЭАобщетехнического назначения может продолжаться десятки тысяч часов. Он можетдаже превышать время морального старения аппаратуры.
Период износа. В конце строка службыаппаратуры количество отказов снова начинает нарастать. Они в большинствеслучаев являются закономерным следствием постепенного износа и естественногостарения используемых в аппаратуре материалов и элементов. Зависят они главнымобразом от продолжительности эксплуатации и «возраста» РЭА.
Средний срок службы компонента до износа — величина более определенная, чем время возникновения приработочных и внезапныхотказов. Их появление можно предвидеть на основании опытных данных, полученныхв результате испытаний конкретной аппаратуры.
Физический смысл отказов из-за износовможет быть объяснен тем, что в результате постепенного и сравнительномедленного количественного изменения некоторого параметра компонента РЭА этотпараметр выходит за пределы установленного допуска, полностью или частичноутрачивает свои свойства, необходимые для нормального функционирования. Приизносе происходит частичное разрушение материалов, при старении – изменение ихвнутренних физико-химических свойств.
К отказам в результате износа относятпотерю чувствительности, точности, механический износ деталей и др. Участок (t2–t3)«кривой жизни» РЭА, соответствующий периоду износа, представляет собоймонотонно возрастающую функцию, крутизна которой тем меньше (а протяженность вовремени тем больше), чем более качественные материалы и комплектующие изделияиспользованы в аппаратуре. Эксплуатация аппаратуры прекращается, когдаинтенсивность отказов РЭА приблизится к максимально допустимой для даннойконструкции.
Вероятность безотказной работы РЭА.Возникновение отказов в РЭА носит случайный характер. Следовательно, времябезотказной работы есть случайная величина, для описания которой используютразные распределения: Вейбулла, экспоненциальный, Пуассона.
Отказы в РЭА, содержащей большое числооднотипных неремонтируемых элементов, достаточно хорошо подчиняютсяраспределению Вейбулла. Экспоненциальное распределение основано напредположении постоянной во времени интенсивности отказов и успешно может бытьиспользовано при расчетах надежности аппаратуры одноразового применения,содержащей большое число неремонтируемых компонентов. При длительной работе РЭАдля планирования ее ремонта важно знать не вероятность возникновения отказов, аих число за определенный период эксплуатации. В этом случае применяютраспределение Пуассона, позволяющее подсчитать вероятность появления любогочисла случайных событий за некоторый период времени. Распределение Пуассонаприменимо для оценки надежности ремонтируемой РЭА с простейшим потоком отказов.
Вероятность отсутствия отказа за время t составляет Р0= ехр(-t), а вероятность появления i отказов за то же время Pi = iti exp(-t)/i!, где i = 0, 1, 2, ..., n — числоотказов.3Структурная надежность аппаратуры
Структурная надежность любогорадиоэлектронного аппарата, в том числе и РЭА, это его результирующаянадежность при известной структурной схеме и известных значениях надежностивсех элементов, составляющих структурную схему.
При этом под элементами понимаются какинтегральные микросхемы, резисторы, конденсаторы и т. п., выполняющиеопределенные функции и включенные в общую электрическую схему РЭА, так иэлементы вспомогательные, не входящие в структурную схему РЭА: соединенияпаяные, разъемные, элементы крепления и т. д.
Надежность указанных элементов достаточноподробно изложена в специальной литературе. При дальнейшем рассмотрениивопросов надежности РЭА будем исходить из того, что надежность элементов,составляющих структурную (электрическую) схему РЭА, задана однозначно.
Количественные характеристики структурнойнадежности РЭА. Для ихнахождения составляют структурную схему РЭА и указывают элементы устройства(блоки, узлы) и связи между ними. Затем производят анализ схемы и выделяютэлементы и связи, которые определяют выполнение основной функции данногоустройства. Из выделенных основных элементов и связей составляют функциональную(надежностную) схему, причем в ней выделяют элементы не по конструктивному, апо функциональному признаку с таким расчетом, чтобы каждому функциональномуэлементу обеспечивалась независимость, т. е. чтобы отказ одного функциональногоэлемента не вызывал изменения вероятности появления отказа у другого соседнегофункционального элемента. При составлении отдельных надежностных схем(устройств узлов, блоков) иногда следует объединять те конструктивные элементы,отказы которых взаимосвязаны, но не влияют на отказы других элементов.
Определение количественных показателейнадежности РЭА с помощью структурных схем дает возможность решать вопросывыбора наиболее надежных функциональных элементов, узлов, блоков, из которыхсостоит РЭА, наиболее надежных конструкций, панелей, стоек, пультов,рационального порядка эксплуатации, профилактики и ремонта РЭА, состава иколичества ЗИП.
При построении надежностных структурныхсхем используют последовательное, параллельное и последовательно-параллельноевключение элементов.
При последовательном включении элементов(рис. 3.1, а) для надежной работы схемы необходима работа всех функциональныхэлементов.
/>
Рис. 3.1 – Схемыпоследовательного (а), параллельного (б) и параллельно-последовательного (в)включения элементов в надежностной структурной схеме
Тогда вероятность безотказной работы схемыбудет равна произведению вероятностей безотказной работы всех функциональныхэлементов:
P(t) = P1(t) P2(t) … Pn(t),
где n – число элементов схемы.
Для другого простейшего случая построенияструктурной схемы параллельного соединения элементов (б) при вероятностиотказов Qi(t) длякаждого из элементов, входящих в схему, отказ всей схемы будет иметь местотогда, когда откажут все элементы, тоесть:
Q(t) = Q1(t) Q2(t) ... Qm(t),
где m — число параллельно соединенных элементов. При этом вероятностьбезотказной работы всей схемы:
P(t) = 1 – Q(t).
Для экпоненциального распределениянаработки до отказа среднее время наработки на отказ составит4Методы повышения надежности
Методы повышения надежности можноразделить на структурные и информационные.
Структурные методы повышения надежности. Абсолютной надежности техническихустройств добиться принципиально невозможно, а максимально повысить показателиих надежности реально. Повышение уровня надежности РЭА достигается, преждевсего, устранением причин, вызывающих в ней отказы, т. е. сведением к минимумуконструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок.
Значительного повышения надежности РЭАдостигают созданием новых элементов. Однако повышением надежности элементов неудается полностью решить проблему, что вызвано значительным опережением ростасложности вновь разрабатываемых РЭА. Поэтому один из путей повышения надежностиРЭА — введение схемной избыточности.
Повышение надежности РЭА резервированием.Резервирование – способ повышения надежности аппаратуры, заключающийся вдублировании РЭА в целом или отдельных ее модулей или элементов. Резервированиепредполагает включение в схему устройства дополнительных элементов, которыепозволяют скомпенсировать отказы отдельных частей устройств и обеспечить егонадежную работу. Но резервирование эффективно только в том случае, когданеисправности являются статистически независимыми. Различают следующие видырезервирования: постоянное (резервные элементы включены вместе с основным и функционируютв тех же режимах); резервирование замещением (обнаружение отказавшего элементаи замена его резервным); скользящее резервирование (любой резервный элементможет замещать любой отказавший).
Если Pc(t) – вероятностьбезотказной работы системы, то установка и включение параллельно несколькихтаких же систем приводит к увеличению результирующей вероятности безотказнойработы резервированной системы P(t), которуюможно определить из выражения:
P(t) = 1 – [1-Pc(t)]m+1,
где m – числорезервных систем, включенных параллельно основной.
В РЭА применяется общее (резервируютсяотдельные модули), и поэлементное резервирование на уровне микросхем илиотдельных элементов. При одинаковом количестве резервных элементов поэлементноерезервирование эффективнее общего, но требует большого числа дополнительныхэлектрических связей.
Постоянное резервирование в РЭА производятпо следующей схеме: входные сигналы поступают на n логических схем, причемn> k, где k – число логических схем в нерезервированной схеме. Выходныесигналы всех n логических схем далее подают на решающий элемент, которыйсогласно функции решения по этим сигналам определяет значения выходных сигналоввсей схемы. Функция решения – правило отображения входных состояний решающегоэлемента на множество его выходных состояний.
Простейший и наиболее распространенный видфункции решения – «закон большинства», или мажоритарный закон. Решающий элементобычно называют мажоритарным элементом. Работа мажоритарного элемента состоит вследующем: на входы элемента поступают двоичные сигналы от нечетного количестваидентичных элементов; выходной сигнал элемента принимает значение, равноезначению, которое принимает большинство входных сигналов.
По способу включения резервных элементовфункциональных устройств различают три вида резервирования: постоянное, замещениеми скользящее.
При постоянном резервированиипредполагают, что любой отказавший элемент или узел не влияет на выходныесигналы и поэтому его прямого обнаружения не производится. Постоянноерезервирование наиболее распространено в невосстанавливаемых устройствах. Крометого, оно является единственно возможным в устройствах, где недопустим даже кратковременныйперерыв в работе.
Постоянное резервирование вводится или спомощью решающего блока, или в виде однотипных элементов или блоков, включенныхпоследовательно, параллельно или, например, согласно законам k-кратной логики.
В качестве решающего блока можноиспользовать мажоритарные элементы с постоянными или переменными весами,кодирующие — декодирующие устройства и схемы из логических элементов И, ИЛИ,НЕ.
Резервирование замещением предполагаетобнаружение отказавшего элемента или узла и подключение исправного. Замещениеможет происходить либо автоматически, либо вручную.
Резервирование замещением имеет следующиедостоинства. Для многих схем при включении резервного оборудования не требуетсядополнительно регулировать выходные параметры, вследствие того, чтоэлектрические режимы в схеме не меняются. Резервная аппаратура до моментавключения в работу обесточена, что повышает общую надежность системы за счетсохранения ресурса электронных устройств. Имеется возможность использованияодного резервного элемента на несколько рабочих.
Вследствие сложности аппаратуры дляавтоматического включения резерва резервирование замещением целесообразноприменять к крупным блокам и отдельным функциональным частям РЭА.
При скользящем резервировании любойрезервный элемент может замещать любой основной элемент. Для осуществленияэтого резервирования необходимо иметь устройство, которое автоматически находитнеисправный элемент и подключает вместо него резервный. Достоинство такогорезервирования в том, что при идеальном автоматическом устройстве будетнаибольший выигрыш в надежности по сравнению с другими методами резервирования.Однако осуществление скользящего резервирования возможно лишь при однотипностиэлементов.
Информационные методы повышения надежностиРЭА. Основное применениеинформационные методы находят в вычислительной технике. Реализуются они в видекорректирующих кодов. Назначение этих кодов состоит в том, чтобы обнаруживать иисправлять ошибки в РЭА без прерывания их работы.
Корректирующие коды предусматриваютвведение в изделия некоторой избыточности. Различают временную ипространственную избыточность. Временная избыточность характеризуетсянеоднократным решением задачи. Полученные результаты сравниваются, и если онисовпадают, то делается вывод, что задача решена правильно. Временная избыточностьвводится в РЭА программным путем.
Пространственная избыточностьхарактеризуется удлинением кодов чисел, в которые вводят дополнительноконтрольные разряды. Суть обнаружения и исправления ошибок с помощьюкорректирующих кодов состоит в следующем. В конечном множестве А выходных словустройства выделяют подмножество В разрешенных кодовых слов (т. е. В Ì А). Эти слова могут появиться лишь в томслучае, если все арифметические и логические операции, выполняемые РЭА,осуществляются правильно. Тогда очевидно, что подмножество А – В = С(A \ B = С)будет характеризовать запрещенные кодовые слова. Последние имеют место толькопри наличии ошибок.
Далее все слова на выходе устройстваанализируют. Например, если слово bi относится к подмножествуразрешенных кодовых слов (т. е. b Ì B), то это означает, что процесс идет нормально; слово biсчитают правильным и его можно декодировать.
Если на выходе устройства появляетсязапрещенное кодовое слово сi(ci Ì C), то это свидетельствует о наличииошибки, и она фиксируется.
Для устранения обнаруженных таким образомошибок все запрещенные кодовые слова разбиваются на группы. Каждой такой группеставится в соответствие только одно разрешенное кодовое слово. Придекодировании запрещенные кодовые слова сi автоматически заменяютсяразрешенными кодовыми словами из той группы, к которой принадлежит ci.
Таким образом, корректирующие коды всостоянии не только обнаруживать ошибки, но и устранять их.
Расчет надежности РЭА. Определив из ТЗтребуемую вероятность безотказной работы аппаратуры, конструктор распределяетэту вероятность по составляющим РЭА модулям, подбирает элементы с необходимымиинтенсивностями отказов, выявляет потребность и глубину резервирования,принимает меры по защите аппаратуры от воздействий дестабилизирующих факторов.
Расчет надежности РЭА состоит вопределении числовых показателей надежности P(t) и Тср по известныминтенсивностям отказов комплектующих РЭА элементов. При этом считается, что,если выход из строя любого элемента приводит к выходу из строя всей РЭА, то имеетместо последовательное включение элементов. Усредненные данные по интенсивностямотказов микросхем, электрорадиоэлементов, узлов и электрическим соединениям являютсяизвестными.
При конструировании необходимы данные обожидаемых изменениях характеристик элементов в течение всего срока службы РЭА.Например, если разрабатывается аппаратура со сроком службы 10 лет, тонеобходимо предварительно в течение 10 лет, если не используется какой-либометод ускоренных испытаний, собирать данные об изменении параметровкомплектующих элементов, что в общем случае нереально, так как за это времяможет устареть как элементная база, так и сама разрабатываемая РЭА
Поэтому трудно ожидать совпаденияреального и рассчитанного поведения системы, но расчеты надежности необходимовыполнять, так как в ТЗ на разработку всегда указываются требуемые показателинадежности.
Вероятность безотказной работы системыобычно вычисляется с использованием выражений:
Pc(t) = exp(-/>L(t) dt), L(t) =/>i(t),
где i(t) – интенсивность отказов i-го модуля, n – числомодулей системы.
Модули одного иерархического уровня имеютприблизительно равную надежность. Тогда для системы из К групп модулей одногоуровня:
Pc(t) = exp(-/>ni/>i(t) dt), L(t)=/>nii(t),
где ni — число модулей i-го уровня иерархии.
Для экспоненциального законараспределения, когда интенсивность отказов можно считать величиной постоянной:
L(t) = L = const, Pc(t) = exp(-Lt).
В общем случае надежность конструкциизависит от соотношения прочности и устойчивости к нагрузке, которую приходитсявыдерживать аппаратуре в процессе эксплуатации. Под прочностью здесь понимаетсяспособность аппаратуры выдерживать без разрушений внешние температурные,механические, влажностные и прочие воздействия, под устойчивостью – способностьк работе при тех же воздействиях
Создание аппаратуры без излишних запасов прочности– важная и сложная задача, поскольку конструктор не всегда имеет четкиеколичественные параметры внешних воздействий, отсутствуют или имеются неточныематематические модели, позволяющие весьма ориентировочно произвести указаннуюоценку. Это приводит к внесению в конструкцию завышенных запасов прочности иустойчивости, так называемых коэффициентов незнания, уточнение которых –условие успешного обеспечения заданной надежности при минимальнойсебестоимости.
Используемыеисточники
1 Сайт prodav.exponenta.ru/design/lecture/app/lec07.doc
2 Сайт window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=12058