Лекции надежность. Конспект лекций по дисциплине Диагностика и надежность автоматизированных систем Новосибирск2014 2 содержание
 Скачать 1.19 Mb.
|
|
Компонент Интенсивность отказов λ×10 -6 1/ч Компонент Интенсивность отказов λ×10 -6 1/ч ИС 0,1 разъем 2,0-3,5 диод 0,2-0,5 сердечник 0,00001 транзистор 0,05-0,3 выключатель 0,2-0,5 конденсатор 0,002-0,04 память емкости 4 Кслов 100 резистор 0,01-0,1 память емкостью 48 Кслов 300 трансформатор 0,1-0,2 контроллер пишущий машинки 10 пайка 0,0001 устройство ввода с перфиленты 250 пишущая машинка 1000 контроллер устройства ввода 10 память на дисках 250 печатающее устройство 420 память на МЛ 350 контроллер печатающего устройства 15 контроллер памяти на дисках 15 5. Рассчитываются количественные характеристики надежности. Данные расчеты заносятся в итоговые таблицы или приводятся в виде графиков. Расчеты оформляются в виде технического отчета. Отчет должен содержать: а) структурную схему надежности системы с кратким объяснительным текстом; б) формулировку понятия отказа системы; в) расчетные формулы для количественных характеристик надежности; г) расчет количественных характеристик надежности; д) оценку точности расчета; е) выводы и рекомендации. Контрольные вопросы и задания 1. В чем суть методики оценки безотказности нерезервированных систем? 2. Определите параметр надежности, который при экспоненциальном распределении остается постоянной величиной. 3. Составьте структурную схему надежности компьютера, состоящего из пяти устройств. 4. Перечислите основные моменты методики оценки надежности ИС. 5. Как определить интенсивность отказов ТЭЗ устройств ИС? 29 6. Что происходит в устройстве, структурная схема надежности которого имеет основное соединение, если один из элементов отказал? 7. Какова интенсивность отказов современного процессора? Литература: 1,2,3,6, 8. 30 Лекция 5 Тема: Надёжность невосстанавливаемых и нерезервированных информационных систем План 1. Расчетные формулы характеристик надёжности при основном соединение элементов ИС. 2. Прикидочный и ориентировочный методы расчета количественных характеристик устройств ИС. 3. Окончательный метод расчета надёжности ИС. Основные допущения и учёт режимов работы при окончательной расчете. 4. Применение перечисленных видов расчета на различных этапах проектирование ИС. Ключевые слова Характеристика надёжности, основное соединение, прикидочный расчет, ориентированный расчет, окончательный расчет, количественные параметры, режим работы, нерезервированная система, этап проектирования, внешние воздействия. Рассмотрим расчет характеристик надежности невосстанавливаемых изделий при основном соединении элементов. Если отказ технического устройства наступает при отказе одного из его элементов такое устройство имеет основное соединение элементов. При расчете надежности таких устройств предполагают, что отказ элемента является событием случайным и независимым. Тогда вероятность безотказной работы равна произведению вероятностей безотказной работы её элементов в течение времени t. Так как ВБР элементов в течение времени t можно выразить через интенсивность отказов, то расчетные формулы для ВБР устройства при основном соединении элементов можно записать следующим образом: N i i N C t P t P t P t P t P 1 2 1 ) ( ) ( )... ( ) ( ) ( , (1) ), ) ( exp( ) ) ( exp( )... ) ( exp( ) ) ( exp( ) ( 0 1 0 0 2 0 1 t i N i t N t t C dt t dt t dt t dt t t P (2) 31 где N – число элементов. Выражения (2) наиболее общие. Они позволяют определить ВБР изделий до первого отказа при любом законе изменения интенсивности отказов во времени. На практике часто интенсивность отказов изделий является величиной постоянной. При этом время возникновения отказов обычно подчинено экспоненциальному закону распределения, т.е. для нормального периода работы аппаратуры справедливо условие λ=const. В этом случае выражения для количественных характеристик примут вид: / ) ( с ср c T t t c e e t P , N i i c 1 , t c с c e t а ) ( , с с ср T / 1 Если все элементы данного типа равнонадежны, интенсивность отказов системы будет r i i i c N 1 , где N i – число элементов i-го типа; r – число типов элементов. На практике очень часто приходится вычислять вероятность безотказной работы высоконадежных систем. При этом произведение λ с ∙t<<1 значительно меньше единицы, а ВБР близка к единице. В этом случае, разложив t c e в ряд и ограничившись первыми двумя членами, с высокой степенью точности можно вычислить Р(t). Тогда основные количественные характеристики надежности можно с достаточной для практики точностью вычислить по следующим приближенным формулам: t N t t P c r i i i c 1 1 ) ( 1 , (3) r i i i c N 1 , c r i i i c N T / 1 / 1 1 , ) 1 ( ) ( t t a c c (4) Вычисление количественных характеристик надежности по приближенным формулам не дает больших ошибок для систем, ВБР которых превышает 0,9, т.е. для λ∙ t≤0,1. При расчете надежности систем часто приходится перемножать ВБР отдельных элементов расчета, возводить их в степень и извлекать корни. 32 При вычислениях Р(t), близких к единице, эти вычисления можно с достаточной для практики точностью выполнять по следующим приближенным формулам: N i i N t q t P t P t P 1 2 1 ) ( 1 ) ( )... ( ) ( , (5) ) ( 1 ) ( t Nq t P i N i , (6) N t q t P i N i / ) ( 1 ) ( , (7) где q i (t) – вероятность отказа i-го блока. В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на работу изделия, различают прикидочный, ориентировочный и окончательный расчет надежности. Прикидочный расчет надежности. Прикидочный расчет основывается на следующих допущениях: все элементы изделия равнонадежны; опасности отказов всех элементов изделия не зависят от времени, т.е. λ i =const; отказ любого элемента приводит к отказу всего изделия. Прикидочный расчет надежности применяется в следующих случаях: 1) при проверке требований по надежности, выдвинутых заказчиком в техническом задании (ТЗ) на проектирование изделия; 2) при расчете нормативных данных по надежности отдельных блоков, устройств и приборов системы (расчет норм надежности отдельных частей системы); 3) для определения минимально допустимого уровня надежности элементов проектируемого изделия; 4) при сравнительной оценке надежности отдельных вариантов изделия на этапах эскизного проектирования. Прикидочный расчет надежности позволяет судить о принципиальной возможности обеспечения требуемой надежности изделия. Характеристики надежности рассчитываются по вышеприведенным формулам, при этом λ с =N∙λ экв. , где λ экв. – эквивалентное значение интенсивности отказов элементов, входящих в изделие. Ориентировочный расчет надежности. Ориентировочный расчет надежности учитывает влияние на надежность только количества и типов примененных элементов и основывается на следующих допущениях: все элементы данного типа равнонадежны, т.е. величины интенсивности отказов (λ i ) для этих элементов одинаковы; все элементы работают в номинальном (нормальном) режиме, предусмотренном техническими условиями; 33 интенсивности отказов всех элементов не зависят от времени, т.е. в течение срока службы у элементов, входящих в изделие, отсутствует старение и износ, следовательно, λ i (t)=const; отказы элементов изделия являются событиями случайными и независимыми; все элементы изделия работают одновременно. Для определения надежности изделия необходимо знать: 1) вид соединения элементов расчета надежности; 2) типы элементов, входящих в изделие, и число элементов каждого типа; 3) величины интенсивности отказов элементов λ i , входящие в изделие. Выбор λ i для каждого типа элементов производится по соответствующим таблицам. Таким образом, при ориентировочном расчете надежности достаточно знать структуру системы, номенклатуру примененных элементов и их количество. Ориентировочный метод расчета надежности используется на этапе эскизного проектирования после разработки принципиальных электрических схем изделий. Этот расчет позволяет определить рациональный состав элементов изделий и наметить пути повышения надежности изделия на стадии эскизного проектирования и проводится по формулам приведенным выше. Расчет надежности с учетом режимов работы элементов (окончательный). Окончательный расчет надежности изделия выполняется тогда, когда известны реальные режимы работы элементов после испытания в лабораторных условиях макетов и основных узлов изделия. Элементы изделия находятся обычно в различных режимах работы, сильно отличающихся от номинальной величины. Это влияет на надежность как изделия в целом, так и отдельных его составляющих частей. Выполнение окончательного расчета надежности возможно только при наличии данных о коэффициентах нагрузки отдельных элементов и при наличии графиков зависимости интенсивности отказов элементов от их электрической нагрузки, температуры окружающей среды и других факторов, т.е. для окончательного расчета необходимо знать зависимости λ с = ƒ(К н , Т 0 , …) Эти зависимости приводятся в виде графиков либо их можно рассчитывать с помощью так называемых поправочных коэффициентов интенсивности отказов Т К Н , позволяющих учесть влияние различных факторов на надежность изделия. Для определения надежности изделия необходимо знать: 1) число элементов с разбивкой их по типам и режимам работы; 34 2) зависимости интенсивности отказов элементов λ i от электрического режима работы и заданных внешних условий; 3) структуру системы. В общем случае λ i зависит от следующих воздействующих факторов: электрического режима работы данного элемента; окружающей температуры; вибрационных воздействий; механических ударов; линейных ускорений; влажности; воздействия биологических факторов (грибок, плесень, насекомые); давления; облучения и ряда других возможных факторов. При разработке и изготовлении элементов обычно предусматриваются определенные «нормальные» условия работы: температура +25±10 0 С, номинальный электрический режим, относительная влажность 60±20%, отсутствие механических перегрузок и т.д. Интенсивность отказов элементов в номинальном режиме эксплуатации называется номинальной интенсивностью отказов λ 0i Интенсивность отказов элементов при эксплуатации в реальных условиях λ i равна номинальной интенсивности отказов λ 0i , умноженной на поправочные коэффициенты α i и k i . Поправочный коэффициент интенсивности отказов α i = ƒ(t 0 , К н ) учитывает влияние окружающей температуры и электрической нагрузки, поправочный коэффициент интенсивности отказов k i = ƒ(j, φ) – тип воздействия, главным образом механические перегрузки и относительную влажность окружающего воздуха. Графики α i = ƒ(t 0 , К н ) и k i = ƒ(j, φ) приведены в справочниках по расчету надежности (Ушаков И.А., Половко А.М.). Окончательный расчет надежности применяется на этапе технического проектирования изделия. Поправочные коэффициенты в зависимости от воздействий механических факторов, влажности, температуры и высоты приведены в табл. 1. Таблица 1 Условия эксплуатации аппаратуры Вибра- ция k 1 Ударная нагрузка k 2 Сумма воз. k 1 ∙k 2 Влаж- ность Темпе- ратура Поправочный коээфициент k i 1. Лабораторные 1,0 1,0 1,0 60-70 20-40 1,0 2. Стационарные (полевые) 1,04 1,03 1,07 90-98 20-25 2,0 3. Железнодорож 1,4 1,1 1,54 90-120 30-40 2,5 4. Самолетные и т.д. 1,46 1,13 1,65 35 Высота км Поправочные коэффициенты k i 0-1 1,0 1-2 1,05 2-3 1,1 3-5 1,14 5-6 1,16 30-40 1,45 При расчете изделие расчленяется на отдельные конструктивно самостоятельные части. Расчет производится последовательно от простого сложному. Контрольные вопросы и задания 1. Напишите выражение по которой рассчитывается вероятность безотказной работы при последовательном соединение элементов ИС. 2. Какие приближенные формулы используются при расчете наработки на отказ и частоты отказов? 3. На каких допущениях основывается прикидочный расчет надежности? 4. В каких случаях используется ориентировочный расчет? 5. При каком методе расчета надежности учитываются режимы работы элементов ИС? 6. Что такое коэффициент нагрузки? 7. На каком этапе проектирования устройств ИС используется окончательный расчет надежности? 8. Приведите графическую зависимость (t) от времени и объясните какой участок имеет (t)=const. Литература: 1,2,3,5,10. 36 Лекция 6 Тема: Структурное резервирование и его виды План 1. Классификация структурного резервирования, основные определения. 2. Основные схемы расчета надёжности по способу включения резервных элементов: постоянное, раздельное, замещением, скользящее. 3. Виды резервных элементов и режимы работы при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах. 4. Расчетно-логическая схема структурного резервирования сложной системы. 5. Организация резерва на уровне элементов, устройств и систем ИС. Ключевые слова Резервирование, избыточность, схема расчета, цифровое устройство, постоянное резервирование, раздельное резервирование, резервирование замещением, нагруженный резерв, ненагруженый резерв, режимы работы, скользящий резерв, переключающая схема, надёжность, безотказность. Резервированием называют метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. Задача введения избыточности – обеспечить нормальное функционирование системы после возникновения отказов в ее элементах. Резервирование может быть структурным, информационным, временным, программным. Информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации. Временное резервирование – использование избыточного времени. Программное резервирование – избыточных программ. Структурное резервирование заключается в том, что в минимально необходимый вариант системы, элементы которой называются основными, вводятся дополнительные элементы и устройства, либо вместо одной системы предусматривается использование нескольких идентичных систем. При этом избыточные резервные структурные элементы берут на себя выполнение рабочих функций при отказе основных элементов [1, 2, 3, 5]. Перечисленные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к отдельным ее элементам или их группам. На практике большое распространение получило структурное резервирование (рис. 1). 37 Рис. 1. Способы резервирования КС По схеме включения резервных элементов различают постоянное, раздельное резервирование, резервирование с замещением и скользящее резервирование. Постоянное резервирование – это такое резервирование, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными (рис. 2). Для постоянного резервирования в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, так как он вводится в действие одновременно с основными. Основным параметром резервирования является его кратность (степень избыточности). Под кратностью резервирования m понимается отношение числа резервных объектов к числу резервируемых (основных). Раздельным резервированием называется метод повышения надежности, при котором резервируются отдельные части объекта (рис. 2.3). Рис. 2. Общее резервирование и постоянное включение резерва с постоянно включенным резервом. Резервирование КС Общее С целой кратностью Постоянное Нагруженный резерв Облегченный резерв Ненагруженный резерв Замещением С дробной кратностью Раздельное 1 2 n 0 1 m 38 Рис. 3. Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом Резервирование замещением – это резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного (рис. 4 а, б). При использовании резервирования замещением необходимы контролирующие и переключающие устройства для обнаружения факта отказа основного элемента и переключения его с основного на резервный. Рис. 4. а) Общее резервирование с включением резерва замещением. б) Раздельное резервирование с включением резерва замещением. Скользящее резервирование – это резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой отказавший элемент в данной группе. 1 2 n 0 1 m б) 1 2 n 0 1 m а) 1 2 n m 0 1 |