Основы теории надежности РЭС

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ

ТЕМА № 2. ОСНОВЫ МОДУЛЬНОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭВМ

Занятие № 17. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СВТ

Литература:

1. Преснухин Л. Н., Шахнов В. А. Конструирование электронных вы­числительных машин и систем. М., Высшая школа. 1986. с. 427-476.

2. Фрумкин Г.Д. Расчёт и конструирование радиоаппаратуры. М., Высшая школа, 1989, с. 428-448.

Учебные вопросы

1. Основы теории надежности РЭС 30 мин.

2. Меры по повышению надежности РЭС 50 мин.

Надежность и достоверность работы ЭВМ зависят от их помехозащищенности по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи помехоустойчивости элементов и узлов ЭВМ завися как сроки разработки, изготовления и наладки ЭВМ, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации

К помехозащите относят методы и средства, обеспечивающие устойчивое функционирование РЭС в условиях воздействия непреднамеренных электромагнитных помех.

К шумоподавлению относят методы и средства подавления непреднамеренных помех, излучаемых РЭС, а также шумов, создаваемых РЭС в цепях питания.

Меры помехозащиты и шумоподавления разрабатываются на основании технических требований, предъявляемых к РЭС, функционирующим самостоятельно и в составе РТС или ЭВМ.

Опыт проектирования РЭС показывает, что до 95 % проблем, связанных с подавлением внешних помех и собственных шумов, может быть снято на этапах проектирования схем и конструкций

Один из основных показателей качества РЭС – надежность.

Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах.

Под основными параметрами РЭА понимают параметры, нарушение которых приводит к невыполнению основных задач возложенных на РЭА, например, выполнение математических операций ЭВМ. К неосновным (второстепенным) параметрам относятся параметры, не влияющие на характеристики связанные с функциональным назначением, например, внешний вид, удобство эксплуатации и т. д.

Если РЭС в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основных параметров, так и в отношении второстепенных параметров, то такое состояние РЭС называют исправным состоянием.

Неисправное состояние - состояние РЭС, при котором оно в данный момент времени не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, установленных в отношении как основных, так и второстепенных параметров.

Однако не каждая неисправность приводит к невыполнению РЭС заданных функций в отношении основных параметров. Например, образование вмятин или ржавчины на корпусе машины, выход из строя лампочек подсветки не могут препятствовать эксплуатации РЭС. Поэтому для оценки надежности систем введены понятия "работоспособность" и "отказ".

Работоспособность - состояние РЭС, при котором оно в данный момент времени соответствует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное протекание заданных процессов.

Отказ - событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности системы.

Возникновение отказа во времени - случайное событие, что позволяет для оценки надежности РЭС использовать методы теории вероятности и математической статистики.

Чтобы определить влияние на характеристики РЭС отказов различного вида, целесообразно произвести их классификацию.

По характеру изменения параметра до момента возникновения отказы делят на внезапные и постепенные.

Внезапные (катастрофические) отказы возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров элементов, из которых построено РЭС (например, обрыв или короткое замыкание). Устранение внезапного отказа производят заменой отказавшего элемента (блока, устройства) исправным или его ремонтом.

Постепенные отказы возникают в результате постепенного изменения параметров элементов до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов (старение элементов, воздействие окружающей среды, колебания температуры, влажности, давления, уровня радиации и т.п., механические воздействия (вибрации, удары, перегрузки). Устранение постепенного отказа связано либо с заменой, ремонтом, регулировкой параметров отказавшего элемента, либо с компенсацией за счет изменения параметров других элементов.

По характеру устранения отказы делят на устойчивые и самоустраняющиеcя.

Для устранения устойчивых отказов оператор, обслуживающий РЭС, должен отрегулировать или заменить отказавший элемент.

Самоустраняющиеся отказы исчезают без вмешательства оператора и проявляются в форме сбоя или перемежающего отказа. Сбой - однократно возникающий самоустраняющий отказ.

Отказ типа сбоя особенно характерен для цифровых систем РЭС. Появление сбоев обусловливается внешними и внутренними факторами. К внешним факторам относятся колебания напряжения питания, вибрации, температурные колебания. Специальными мерами (стабилизации питания, амортизация, термостатирование и др.) влияние этих факторов может быть значительно ослаблено. К внутренним фактором относятся флюктуационные колебания параметров элементов, несинхронность работы отдельных устройств, внутренние шумы и наводки.

По внешним проявлениям отказы делят на явные и неявные.

Явные отказы обнаруживаются при внешнем осмотре, а неявныеотказы - специальными методами контроля.

Как было указано ранее, надежность – это свойство изделия выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах. Она зависит от количества и качества входящих в РЭА элементов, от условий, в которых оно эксплуатируется (температура, влажность, давление окружающей среды, перегрузки и т.д.) и от ряда других причин.

Надежность изделия описывается следующими характеристиками (параметрами): безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость и некоторые другие. Рассмотрим каждую из этих составляющих надежности.

Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного интервала времени.

Одной из таких характеристик является вероятность безотказной работы изделия в течение заданного интервала времени:

Вероятность безотказной работы показывает, какая часть изделий будет работать исправно в течение заданного интервала времени t_p. Поясним это на примере. Допустим, что работает N изделий одного типа. В течение времени t_p за ним ведется наблюдение и к концу его установлено, что k изделий работают исправно, а (N-k) вышли из строя. Тогда вероятность безотказной работы

P(t_p) ≈ k/N

В этом уравнении знак примерного равенства означает, что указанная характеристика аппаратуры (как и другие характеристики надежности) носит вероятностный характер.

Это значит, что точность и достоверность указанной характеристики зависят от количества проведенных экспериментов: чем больше экспериментов, тем точнее полученное значение характеристики отражает свойства аппаратуры.

Для большинства радиоэлектронных устройств вероятность безотказной работы кроме физических свойств зависит от времени t_p, в течение которого изделие должно работать безотказно:

Другой характеристикой надежности изделий является средняя наработка до отказа Т_ср.

Допустим, что какое-то количество РЭС одного и того же типа эксплуатируется заданное время в определенных условиях (при заданных изменениях температуры окружающего воздуха, давления и т.д.). При этом регистрируется суммарное количество часов t, которое проработали все аппараты, и количество возникших отказов n. В этом случае средняя наработка до отказа

Т_cр ≈ t/n

Формула также носит вероятностный характер. Это значит, что время до появления отказа у одних изделий больше, а у других меньше значения, подсчитанного по этой формуле. Поэтому отрезок времени от включения до отказа какого-либо изделия не может полностью характеризовать свойства изделий. Поэтому мерой надежности является средняя наработка до отказа, полученная при проверке большого количества изделий.

Величину, обратную Т_ср называют интенсивностью отказов и обозначают l

l = 1/Т_ср.

Интенсивность отказов показывает, какая доля всех изделий или элементов данного типа в среднем выходит из строя за 1 час работы. Например, если λ = 10^-5 1/час, то это означает, что за 1 ч работы из строя выйдет одна стотысячная доля элементов. Соответственно за 1000 ч. работы можно ожидать выхода из строя одной сотой доли всех элементов данного типа. Если в устройстве имеется 100 таких элементов, то среднем за каждые 1000 ч, из строя выходит один элемент.

Рис. 1.

Экспериментально установлено, что для большинства элементов, используемых в радиоэлектронной аппаратуре, зависимость λ от времени имеет вид, изображенный на рис. 1.

Время от начала работы до t₁ называют периодом приработки. В течение этого времени из строя выходят элементы, имеющие грубые внутренние дефекты, оставшиеся не замеченными при контроле.

По мере выхода из строя таких элементов интенсивность отказов уменьшается и на отрезке t₁- t₂ остается практически неизменной. Время, когда происходят отдельные случайные отказы, называют периодом нормальной работы.

Определяя надежность аппаратуры, имеют в виду значение интенсивности отказов l, которое имеет место в период нормальной работы. При этом исходят из того, что элементы с грубыми дефектами, отказы которых характерны для периода приработки, должны быть выявлены и заменены при тренировке элементов или собранной аппаратуры.

Рост интенсивности отказов после момента времени t₂ объясняется износом элементов (старением диэлектрика конденсаторов, потерей эмиссии катодом лампы и т. д.). У многих элементов старение начинается после нескольких тысяч, а иногда, и десятков тысяч часов эксплуатации.

Вероятность безотказной работы связано с интенсивностью отказов (при постоянном значении интенсивности отказов) следующим соотношением

P(t) = е^-lt

где е - основание натурального логарифма; l - интенсивность отказов.

Вероятность безотказной работы P(t) и средняя наработка на отказ достаточно полно характеризуют надежность невосстанавливаемых изделий, например, ЭВМ.

Интенсивность отказов аппарата, состоящего из n различных элементов, определяют по формуле

λ = λ₁ + λ₂ +…+ λ_n = ,

где λ1, λ2, …, λn - интенсивности отказов первого, второго и n - го элементов с учетом всех воздействующих факторов.

Боольшинство РЭС конструируют так, чтобы при выходе из строя их можно было ремонтировать. Для них фактическая надежность зависит не только от того, как часто происходят отказы, но и от того, как много времени затрачивается на отыскание и устранение неисправностей.

Ремонтопригодность - свойство изделия, заключающееся в возможности: а) предупреждения причин возникновения отказа; б) обнаружения причин возникшего отказа; в) устранения последствий возникшего отказа путем ремонта или технического обслуживания.

Аппаратуру, которая удовлетворяет указанным требованиям, называют ремонтопригодной.

Надежность таких изделий дополнительно характеризуют средним временем восстановления Т_в.

Если в рассмотренном примере регистрировать время, затрачиваемое на отыскание и устранение каждой неисправности, а затем найти суммарное время Т_в, то среднее время восстановления

Т_в ≈ t_в/n.

Следует иметь в виду, что время, затраченное на отыскание и устранение конкретной неисправности, может быть больше или меньше Т_в.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при условии выполнения установленных требований по техническому обслуживанию и ремонту.

Предельное состояние изделия - это такое состояние, при котором его дальнейшее применение по назначению или же восстановление работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Сохраняемость - свойство изделия непрерывно находится в исправном состоянии при хранении или транспортировании.

Надежность элементов является одним из факторов, существенно влияющих на надежность РЭС в целом.

Интенсивность отказов элементов зависит от конструкции, качества изготовления, от условий эксплуатации и от электрических нагрузок в схеме.

Влияние внешних факторов на надежность радиокомпонентов можно оценить с помощью коэффициента нагрузки.

Коэффициентом нагрузки называют отношение фактического значения воздействующего фактора к его номинальному или максимально допустимому значению.

Коэффициент нагрузки для транзисторов

К_нт = P_c/_{Pc max},

где Р_с – фактическая мощность, рассеиваемая на коллекторе, Р_сmax - максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе.

Коэффициент нагрузки для диодов

К_нд = I/I_max

где I - фактический выпрямленный ток, I_max - максимально допустимый выпрямленный ток.

Для резисторов и трансформаторов

К_нр (К_нтр)= Р/Р_н,

где Р - фактическая мощность, рассеиваемая на радиокомпоненте, Р_н - номинальная мощность.

Коэффициент нагрузки для конденсаторов

К_нк = U/U_н,

где U - фактическое напряжение, приложенное к конденсатору, U_н - номинальное напряжение конденсатора.

При увеличении коэффициента нагрузки интенсивность отказов увеличивается. Интенсивность отказов увеличивается также, если компонент эксплуатируется при более жестких условиях: повышенной температуре окружающего воздуха и влажности, увеличенных вибрациях и ударах и т. п.

В настоящее время наиболее изучено влияние на надежность коэффициентов нагрузки и температуры.

В табл. 1 приведены ориентировочные значения интенсивности отказов для некоторых групп радиокомпонентов.

Эти значения интенсивности отказов получены для случая, когда коэффициент нагрузки k=l и температура t=20°C обозначены через λ₀.

Таблица 1.

Интенсивность отказов радиокомпонентов

Наименование	0·10^-6, 1/ч	Наименование	0·10^-6, 1/ч
Транзисторы кремниевые средней мощности:		Транзисторы кремниевые малой мощности:
низкочастотные	1,5	низкочастотные	0,5
среднечастотные	1,3	среднечастотные	0,25
высокочастотные	0,5	высокочастотные	0,2
Конденсаторы:		Резисторы:
керамические	0,05	непроволочные	0,04
стеклянные	0,1	проволочные	0,05
бумажные	0,1
пленочные комбинационные	0,05
электролитические алюми-ниевые	0,50
Коммутационные изделия (переключатели, тумблеры и т.д)		Диоды кремниевые:
Трансформаторы	0,8	выпрямительные	0,2
Один контакт соединителя	0,003	универсальные	0,1
Пайка	0,005	импульсные	0,05
		стабилитроны	0,1

Таблица 2.

t,^оС	Коэффициент нагрузки, Кн
0,1	0,3	0,5	0,8
Кремниевые полупроводниковые приборы
	0,02	0,05	0,15	0,5
	0,05	0,15	0,30
	0,15	0,35	0,75
Керамические конденсаторы
	0,15	0,20	0,35	0,65
	0,20	0,30	0,50	1,00	1,4
	0,30	0,50	0,75	1,5	2,2
Бумажные конденсаторы
	0,35	0,55	0,70	0,85	1,0
	0,50	0,60	0,80	1,0	1,2
	0,7	1,0	1,4	1,8	2,3
Электролитические алюминиевые конденсаторы
	0,55	0,65	0,75	0,90	1,0
	0,65	0,80	0,90	1,1	1,2
	1,45	1,75	2,0	2,5	2,8
Металлодиэлектрические, или металлооксидные тонкопленочные резисторы
	0,40	0,50	0,65	0,85	1,0
	0,45	0,60	0,80	1,1	1,35
	0,50	0,75	1,00	1,5
Силовые трансформаторы
	0,40	0,43	0,45	0,55
	0,42	0,50	0,60	0,90	1,5
	1,5	2,0	3,1	6,0	10,0

Интенсивность отказов при заданном значении температуры окружающей среды и нагрузки можно найти по формуле

l=l₀ * К_в.

Как видно из табл. 2, значение К_в, а следовательно, и l для транзистора уменьшается в 50 paз при изменении коэффициента нагрузки в 10 раз (от 1 до 0,1); увеличение температуры в 3,5 раза приводит к возрастанию К_в и λ в 7 раз. Аналогичные выводы можно сделать при рассмотрении табл. 2 для других типов компонентов.

Таким образом, за счет облегчения температурных и электрических режимов можно существенно повысить надежность изделия.

Выводы

1. Основными характеристиками надежности являются безотказность, среднее время наработки на отказ, интенсивность отказов, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость.

2. Знание этих характеристик, умение их рассчитывать и правильно применять в значительной степени позволят повысить эффективность эксплуатации ЭВМ.

2. Меры по повышению надежности РЭС

Надежность РЭС, в первую очередь, определяется надежностью и количеством используемых в ней элементов. Так как надежность является одним из основных параметров изделия, то, проектируя аппаратуру, ее следует оценивать наряду с другими параметрами, и на основе этих расчетов делать выводы о правильности выбранной схемы и конструкции изделий.

На этапе проектирования, когда еще точно не определены режимы работы схемы, производят расчет, задаваясь ориентировочными данными, определяющими условия работы.

Так, в качестве температуры окружающей среды для каждого из элементов может быть принято среднее значение температуры внутри блока, определенное на основании данных о количестве теплоты, выделяемой внутри блока, его габаритных размеров, условии теплоотдачи и температуры среды, окружающей блок. Рассчитанная таким образом температура не учитывает местных перегревов, создаваемых отдельными элементами, выделяющими значительное количество теплоты.

Ориентировочные значения коэффициентов нагрузки по напряжению могут быть определены для элементов каждого типа по известному напряжению источника питания и номинальному значению напряжения всех элементов.

Коэффициенты нагрузки по мощности резисторов для ориентировочного расчета следует выбирать в пределах 0,5-0,6. После того, как определены условия работы элементов и интенсивность отказов с учетом этих условий, можно рассчитать интенсивность отказов РЭС в целом и среднюю наработку на отказ, а так же вероятность безотказной работы.

Если полученные в результате расчета параметры надежности не соответствуют требованиям, то следует проанализировать возможность повышения надежности за счет облегчения режимов или использования более надежных типов элементов.

Для этого следует определить, какие типы элементов в наибольшей мере определяют интенсивность отказа РЭС и повторить расчет, предполагая, что эти элементы заменены другими, имеющими большую надежность или большее номинальное значение параметра, влияющего на надежность (допустимая мощность рассеяния для резистора, допустимое напряжение для конденсатора и т.д.).

Следует также проанализировать, как применение новых элементов или режимов использования скажется на массе, габаритах, стоимости и других технико-экономических параметрах изделия. Обычно таким методом удается повысить надежность изделия не более чем в 2-3 paзa.

Часто при проектировании аппаратуры, содержащей большое число элементов, рассчитанное значение параметров надежности во много раз (иногда в десятки) отличается от того, которое задано. В этих случаях конструктору приходится прибегать к структурной избыточности (резервированию). Сущность этого метода рассмотрена на следующем примере.

На рис. 2. показана структурная схема системы, состоящей из двух узлов, входного и выходного блока. Узлы 1.1 и 1.2 дублируют друг друга. В случае выхода из строя одного из узлов, например 1.1, узел 1.2 продолжает выполнять свои функции и вся система осталась работоспособна.

Кратностью резервирования m называют отношение числа резервных устройств к числу основных (в рассматриваемом примере кратность резервирования m=1).

Возможны следующие методы резервирования:

а) резервирование общее постоянное (замещением);

в) резервирование раздельное постоянное (замещением);

При общем постоянном резервировании основной и резервные аппараты постоянно и параллельно подключены к источнику сигнала, нагрузки и источнику питания; поэтому в случае выхода из строя одного из основных аппаратов рабочие функции начинают выполнять резервные. Особенностью такой схемы резервирования является то, что при выходе из строя одного из аппаратов изделие продолжает выполнять функции без какого-либо перерыва во времени.

При общем постоянном резервировании, когда основной и резервные аппараты имеют одинаковую надежность, вероятность безотказной работы резервированного изделия и среднее время наработки на отказ могут быть определены по формуле:

P(t)_p = 1-[1-P(t)]^m+1 ,

где P(t) - вероятность безотказной работы нерезервированного изделия, P(t)_р - вероятность безотказной работы резервированного изделия, m - кратность резервирования.

Для случая, когда краткость резервирования m=1, формула принимает вид

P(t)_p = 1-[1-P(t)]² ,

Из этих формул следует, что при общем постоянном резервирований средняя наработка на отказ возрастает незначительно (в полтора раза при m=1).

Преимуществом такого метода резервирования является то, что при его применении выход из строя одного из одновременно работающих блоков не приводит даже к кратковременному нарушению функций, выполняемых аппаратурой.

Однако в этом случае габариты и стоимость аппаратуры возрастают пропорционально (m+1), т.е. как минимум в 2 раза. Кроме того возникают некоторые сложности в обеспечении нормальной работы аппаратуры при ее параллельном соединении.

В тех случаях, когда основной и резервные аппараты не могут быть одновременно подключены к нагрузке, применяют резервирование замещением, т.е. резервное изделие подключают вместо основного только в случае выхода его из строя.

Раздельное резервирование.

На рис. 2. дана схема приемника, который должен резервироваться. Этот приемник состоит из N блоков (N=4). Резервный комплект также состоит из N блоков. Однако в отличие от рассмотренных способов резервирования в случае выхода из строя одного блока основного комплекта, например УЗЧ, в работу включается не весь резервный комплект, а только один из блоков, а остальные продолжают оставаться в резерве.

Если в схеме и конструкции аппарата нет недостатков, которые бы приводили к систематическим отказам блоков, то при дальнейшей работе аппарата повторный выход из строя одного и того же блока (в нашем примере УЗЧ) является маловероятным.

Наиболее вероятно, что следующий отказ произойдет в другом блоке, который опять может быть заменен блоком из числа резервных.

Аппаратура выйдет из строя только тогда, когда отказ в блоке одного и того же типа произойдет дважды (m=1).

Рис. 2. Раздельное резервирование при кратности m=1

Из рассмотренного примера следует, что раздельное резервирование является наиболее эффективным способом повышения надежности. Более подробный анализ позволяет сделать вывод о том, что наибольший эффект получается при раздельном резервировании замещением с использованием ненагруженного резерва.

Кроме структурной избыточности применяется информационная избыточность, которая может быть временной иди пространственной.

Временная избыточность связана с увеличением времени решения задачи (например, задача может быть решена дважды). Она является основой программного способа обнаружения и исправления ошибок.

Пространственная избыточность заключается в удлинении кодов чисел, в которые вводят дополнительные контрольные разряды.

Выводы по второму вопросу:

1. Основными мерами по повышению надёжности РЭС являются:

а) обеспечение облегченных режимов работы радиоэлементов.

б) обеспечение приемлемых температурных режимов работы радиоэлементов;

в) введение структурной избыточности;

г) введение информационной избыточности;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на сегодняшнем занятии мы изучили основные причины отказов элементов, меры по повышению надежности РЭС и по обеспечению качества их функционирования. В заключении следует сделать следующие выводы:

Основными характеристиками надежности являются безотказность, среднее время наработки на отказ, интенсивность отказов, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость.

Основными мерами по повышению надежности РЭС являются: а) введение структурной избыточности; б) введение информационной избыточности; в) обеспечение приемлемых температурных режимов работы радиоэлементов; г) обеспечение облегченных режимов работы радиоэлементов.

Дата добавления: 2014-01-07