Обеспечение высокого уровня надежности технической системы

Обеспечение высокого уровня надежности технической системы

1. Основные этапы технических систем

Обеспечение высокой надежности современных технических систем является одной из главнейших, актуальнейших задач.

Как же решается эта задача?

Как известно, для любой системы можно выделить три основные этапа:

Разработка или рождение системы.

Производство или восстановление системы.

Эксплуатация или применение по назначению.

Успешное решение проблемы надежности технической системы возможно лишь в том случае, когда оно проводится на каждом из трех этапов. В чем же состоит решение.

На этапе разработки технической системы методы обеспечения высокого уровня надежности сводятся к следующему:

улучшение системного, систематического и конструкционного решения путем определения наиболее оптимального в надежностном смысле варианта организации структуры системы (в том числе, введение различного рода избыточности в виде резервных элементов, облегченных режимов и т.д.)

изменение структуры и принципа функционирования отдельных частей и системы в целом за частую дает хорошие результаты. Этот отображением качественного скачка в развитие техники. Обычно он не является прямым продолжением ни одного из ранее применявшихся способов (хотя, в известной степени подготавливается ими и чаще всего вытекает из невозможности или экономической не целесообразности решать требуемую техническую задачу старыми средствами).

следует осмотрительно вводить избыточность. В принципе, казалось бы, введя достаточно большое количество резервных элементов, можно добиться сколь угодно высокой надежности, однако при резко усложняется система. Увеличивается ее объем, вес, стоимость, что не всегда приемлемо, особенно для бортового оборудования. Вдобавок значительные дополнительные усложнения создадут устройства отключающие отказавшие элементы и подключающие резервные, работоспособные. Они также не обладают абсолютной надежностью и может случиться так, что надежность системы в целом будет определяться надежностью коммутирующих элементов.

использование наиболее надежных комплектующих изделий, применение наиболее прочных и износоустойчивых материалов.

Основное содержание методов обеспечения высокого уровня надежности изготавливаемой системы на этапе производства состоит в следующем:

строжайшие соблюдение требуемой технологии изготовления;

организация технологических прогонов и тренировок комплектующих изделий;

организация системного контроля (входного, выходного, пооперационного и т.п.).

Основная задача в процессе эксплуатации системы состоит в том, чтобы постоянно следить за работоспособным состоянием системы, предвидеть ее отказы и, если они произошли, то быстро и качественно их устранять (Рис. 1).

Как видно из приведенного алгоритма задача обеспечения высокого уровня надежности на стадии эксплуатации является комплексной. Она включает в себя вопросы контроля, прогнозирования, диагностирования и восстановления.

2. Схемотехнические методы повышения надежности элементной базы (по внезапным отказам)

Основными факторами, ускоряющими возникновение отказов (повышающими интенсивность отказов элементов) являются повышение температуры и окружающей среды и тяжелая электрическая нагрузка ЭРЭ. Поэтому для обеспечения более надежной работы необходимо обеспечивать ненапряженный тепловой режим, добиваясь этого снижением температуры окружающего элемент пространства и использованием облегченных режимов работы элементов (щадящих режимов), характеризуемых тем, что реальная электрическая нагрузка на элемент ниже допустимой. Численные значения реальной интенсивности отказов (при учете только температуры окружающей среды) оцениваются следующим образом:

Для полупроводниковых ЭРЭ выражение зависимости интенсивности отказов при любой температуре от интенсивности отказов при нормальной температуре (20°С) имеет вид:

лТ = л(20°С)· 1,38(Т-20°С)/10 , где

л(20°С)-номинальная интенсивность отказов элемента

Т- температура элемента.

Численные значения номинальной интенсивности отказов ЭРЭ (при ТОКР=20°С и КН=1) берутся из ТУ на элементы, из литературных источников, а также в отделах надежности предприятий. Для учета реальной электрической нагрузки вводится понятие коэффициента по наиболее существенному, определяющему для рассматриваемого типа элемента параметру.

KНi=Пimax / Пiдоп , где

Пimax - реальное максимально возможное значение определяющего параметра для i-го элемента.

Рис 1.

Пiдоп- допустимое (справочное) значение определяющего параметра для i-го. элемента.

Для обеспечения надежной работы i-го элемента численное значение KНi не должно превышать (а лучше быть существенно меньше) некоторого предельного допустимого значения. Ниже приведены численные значения предельных допустимых значений KНi для некоторых типов элементов.

Таб 1.

Для микросхем при одновременном учете температуры окружающей среды и электрической нагрузки вводится понятие коэффициента электрической нагрузки, численное значение которого определяется по следующей формуле:

для резистивно-транзисторной логики(РТЛ)

КН =1- ( 1/NP - 1/NP max )

для транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

КН =(NP + NP max )/2 NP max, , где

NP max-допустимый коэффициент разветвления по выходу.

NP - коэффициент разветвления по выходу в конкретном случае применения микросхемы. На этапе эскизного проекта, когда принципиальная электрическая схема еще не известна, для ориентировочного расчета нужно брать (КН=К1) , где К1-средний коэффициент разветвления, увеличенный на единицу.

Таким образом, с учетом максимально возможной температуры окружающей среды и реальной электрической нагрузки интенсивность отказов микросхемы определяется выражением:

лТ = л(20°С)· 1,38(Т-20°С)/10 · 0,267(1-КН)

Пока разгрузка элементов не требует тех или иных затрат, ее следует проводить даже не имея количественной оценки получаемого преимущества. Для тех элементов, для которых нагрузка определяется по току или мощности (например, для резисторов и транзисторов) уменьшение мощности рассеяния приводит к снижению рабочей температуры и, следовательно к уменьшению интенсивности отказов.

Нагрузка на конденсаторы определяется приложенным напряжением и облегчение режима обеспечивается его уменьшением. Уменьшение напряжения питания приводит к уменьшению мощности рассеяния резисторов и транзисторов, а, следовательно, и к уменьшению их нагрузки.

3. Наработка изделия на отказ (Т)

Этот показатель показывает средне ожидаемое время работы изделия до первого отказа. Статистическое значение наработки на отказ получают экспериментально следующим образом:

Для испытаний на надежность берется штук однотипных изделий. Все они включатся в работу и проводится наблюдение. По истечении некоторого времени изделия начнут выходить из строя. Причем в силу технологического разброса параметров этих изделий, некоторые из них проработают до отказа большее время, некоторые меньшее. Разобьем временную ось на n штук одинаковых участков Дt (см рис 2) и будем фиксировать отдельно количество изделий, вышедших из строя в течении каждого участка Дt, считая при этом ,что все изделия, вышедшие из строя в течении участка Дt проработали одинаковое время, равное t, тогда среднее время работы одного изделия до отказа можно подсчитать по следующей формуле:

Т°=

Рис. 2

Для получения точного (предельного) значения наработки на отказ, возьмем предел от полученного выше выражения

Т=()= ()= -P ` ( t ) * t dt=-=

Т= - t dP

Воспользуемся известной математической формулой вида:

пример U = t , dv = dP ,тогда

Т= -P(t) * t | +P(t) dt

Т=P(t) dt

если P(t) = e ,тогда

Т=e dt = -* e |=

Т =

Показатели долговечности

Данные показатели применяются не для всех систем ,а только лишь для восстанавливаемы .

Наиболее употребительными являются два показателя

- Ресурс (час)

- Срок службы (час)

Ресурс - продолжительность эксплуатации системы от начала до достижения предельного состояния (при этом учитывается только рабочее время) т.е суммарное рабочее время от начала эксплуатации до предельного состояния.

Срок службы - продолжительность эксплуатации системы от начала до достижения предельного состояния (при этом учитывается все календарное время ,включая перерывы в работе, время хранения на складе и.т.п.)

Одним из главнейших показателей сохраняемости является срок хранения, под которым понимается календарная продолжительность времени хранения (при заданных условиях хранения) в течении которого работоспособность изделия гарантируется. При превышении этого срока изделие с большой вероятностью неработоспособно.

Показатели ремонтопригодности

Данные показатели применяются только для восстанавливаемых систем. Наиболее употребительным показателем является вероятность восстановления Р(t) под которой понимается вероятность того ,что время восстановления технической системы не превысит заданного значения.

Комплексные показатели надежности

Наиболее употребительными показателями являются следующие два показателя:

- коэффициент готовности - К

- коэффициент оперативной готовности - К

Статистическое значение коэффициента надежности определяется следующим выражением

К°=

Где Т- время восстановления технической системы. Этот показатель показывает какую долю времени после включения система будет работоспособна.

Предельное значение коэффициента готовностипредставляет собой предел вида

=( К°)

Называется он в этом случае функцией готовности и трактуется как вероятность того ,что техническая система после включения окажется работоспособной.

Статистическое значение коэффициента оперативной готовности определяется следующим выражением

К° = К°Р(t)

Предельное значение коэффициента оперативной готовности представляет собой предел вида

К=( К°)

Этот показатель показывает вероятность того ,что техническая система послевключения окажется работоспособной и проработает безотказно в течении времени t.

4. Основные модели надежности или надежностные схемы включения элементов

1)Основной или последовательный способ включения.

Рис.3

2)Резервное или параллельное включение.

Рис.4

Q=q1q2

3)Смешанное включение.

Рис.5

4)Свертка модели:

Рис.6

Рис.7

Кратность резервирования - это отношение числа резервных элементов к числу основных элементов.

К.р.==2 (для данного случая)

Виды резервирования:

1)общее резервирование

Рис.8

2)поэлементное резервирование

Рис.9

3)скользящее резервирование

Рис.10

Третьим элементом заменяют или первый или второй элемент.

Способы включения резерва:

1)горячее включение резерва

Рис.11

2)холодное резервирование

Рис.12

3)теплое резервирование

Рис.13

Пример:

Рис.14

T=