Файл: Колесников Д.Н. Надежность устройств автоматики и вычислительной техники конспект лекций.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.08.2024
Просмотров: 47
Скачиваний: 0
Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА П О Л И Т Е Х Н И Ч Е С К И Й И Н С Т И Т У Т
имени М. И. КАЛИНИНА
Д. Н. Колесников, С. П. Некрасов, В. А. Степанов
НАДЕЖНОСТЬ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Конспект лекций
Ленинград
1974
5.а
•' С К 6.Я ч
; ; С ? I
:.'аый^ г "'- я * чд t
w-m/s
Конспект отражает содержание лекции в объеме 30 ча сов по надежности устройств автоматики и вычислительной техники для студентов специальностей 0606 «Автоматика и телемеханика» и 0608 «Электронные вычислительные машины». Конспект может быть также полезен студентам других элек тротехнических специальностей.
Р е |
ц е н з е н т ы : кафедра «Автоматические системы управления»- |
ЛИАП, |
кафедра «Электронные и магнитные цепи» ЛЭТИ, кафедра «Проек |
тирование автоматических приводов» ЛМИ.
Ленинградский политехнический институт имени М. И. Калинина, 1974 г.
П РЕДИ СЛО ВИ Е
Основное внимание в конспекте уделено наиболее обще принятым методам анализа надежности устройств автоматики и вычислительной техники. Владение этими методами позво ляет провести типовые расчеты надежности и приступить к самостоятельному глубокому изучению отдельных разделов теории.
Конспект предполагает знакомство студентов с основами теории вероятностей. При подготовке к экзамену рекоменду ется повторить разделы этой теории, относящиеся к случай ным событиям и законам распределения случайных величин.
Конспект написан в основном по материалам отечествен ной и зарубежной литературы. В наибольшей степени исполь зованы работы А. М. Половко, Б. С. Сотскова, Г. В. Дружини на и Е. С. Вентцель, а также лекции проф. А. А. Свешникова по теории вероятностей. Авторы сочли возможным не затем нять текст подробными ссылками на каждый использованный литературный источник.
1*
ВВ Е Д Е Н И Е
§i. Теория надежности как инженерная
дисциплина
Проблема надежности существовала в технике всегда, однако как научная дисциплина она сформировалась сравни тельно недавно. Общин интерес к математическим методам оценки надежности пробудился лет 25—30 назад. Тому было по крайней мере три причины.
1. Резкое увеличение сложности технических систем, в первую очередь автоматических и радиоэлектронных. Напри мер, в цифровых вычислительных машинах количество дета лей и паяных контактов достигает сотен тысяч и даже мил лионов.
2. Тяжелые условия эксплуатации оборудования. Сейчас является обычным требование безотказной работы техниче ских устройств в тропиках и в Арктике, в воздухе, под водой,
вкосмосе и т. д.
3.Высокая ответственность функций, выполняемых техни ческими системами, тяжелые последствия отказов. Перерыв в электроснабжении, например, приводит к простою заводов и большим экономическим потерям. Нетрудно представить воз можные трагические последствия отказа радиооборудования самолета, корабля и т. д.
Для сложных систем, работающих в тяжелых условиях, интуитивная оценка и выбор путей повышения надежности становятся практически невозможными, а эксперименты по проверке надежности обходятся дорого. Отсюда, естественно, появляются попытки создания теории, объясняющей основные закономерности появления отказов в аппаратуре и позволяю щей оценить надежность будущей конструкции на этапе ее проектирования.
Отказы аппаратуры носят случайный характер: заранее нельзя указать место и время появления отказа. Поэтому ма тематическим аппаратом теории надежности является теория вероятностей. Теория надежности, однако, — это не раздел ма тематики. Инженерный характер этой дисциплины заключа-
4
ется прежде всего в том, что она указывает пути повышения надежности, учитывая их техническую реализуемость.
Наиболее общей задачей теории надежности является син тез технических устройств и систем, оптимальных по надеж ности на данном уровне раз вития техники (рис. 1). По вышение надежности уст ройств связано с увеличе нием затрат на их производ ство. Но одновременно уменьшаются затраты на эксплуатацию за счет сни жения расхода времени и средств на ремонт и профи лактику устройств. Общие затраты имеют минимум, со ответствующий оптималь ному уровню надежности.
Более узкими задачами теории надежности явля ются:
1) анализ надежности проектируемой аппаратуры;
2)сравнение вариантов конструкции по надежности;
3)определение характеристик надежности аппаратуры по результатам эксперимента.
|
§ 2. Основные понятия теории надежности |
|
|||||||
|
Надежность — это свойство |
аппаратуры выполнять |
задан |
||||||
ные функции, |
сохраняя свои эксплуатационные |
показатели |
|||||||
|
|
gZZZZZZZZZEZZ-^t |
|
('папаметоы) |
в |
заданных |
|||
О |
|
|
пределах |
при данных усло- |
|||||
Отказ |
Прибор У/ |
|
виях эксплуатации. |
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Отказом |
называется со |
|||
|
Х Р 7 У У 7 У /У У У У У У У ////,j |
|
бытие, заключающееся в на- |
||||||
|
Qmm3 |
|
------- рушении работоспособности. |
||||||
|
|
|
Прибор М2 |
|
После появления отказа экс |
||||
|
|
|
|
|
плуатационные |
параметры |
|||
|
%7у/УуУУУУУУУУУ,^ t |
аппаратуры |
уходят |
за за |
|||||
|
данные пределы. |
|
|
||||||
|
Отказ |
Прибор А'п |
|
|
|
||||
|
|
|
|
Отказ — случайное собы- |
|||||
|
Рнс 2 |
|
|
тие, так-как заранее нельзя |
|||||
|
|
|
|
|
указать |
время и |
место его |
возникновения. На рис. 2 дан пример диаграммы, отражаю щей процесс испытания приборов одной серии. Заштрихован ные участки соответствуют состоянию после отказа.
5
Несмотря на обилие условий и обстоятельств, предшест вующих, сопровождающих отказы и следующих за ними, от казы удается классифицировать (табл. 1). Классификация со ставляется таким образом, чтобы облегчить выбор метода расчета и путей повышения надежности. Поясним, в чем со стоит и чем обусловлена приведенная классификация.
Классификационный признак
Степень потери работоспособности
Ход процесса изменения параметров до отказа
Зависимость от других отказов
Возможность восстановления работо способности
Характер неисправности, вносимой в электрическую цепь
Этап, на котором допущены погреш ности, приведшие к отказу
Возможность выявления
Таблица 1
Название отказов
Полный Параметрический (частичный, ус
ловный)
Внезапный
Постепенный
Зависимый
Независимый
Невосстанавливаемып
Восстанавливаемый Самовосстанавливаемый (сбой)
Обрыв К. з.
Конструкционный
Технологический
Эксплуатационный
Явный
Неявный
Полный отказ — это такой, до устранения которого ни какое использование устройства по назначению невозможно.
При параметрическом отказе имеет место |
уход эксплуата |
ционных параметров за заданные пределы, |
но сохраняется |
возможность использования устройства при |
расширении до |
пустимых пределов параметров. |
|
При частичном отказе устройства или системы выполняют свои функции не полностью.
Например, для телевизора полными отказами будут: пере
горание предохранителя, нарушения в |
блоке питания и т. п., |
|
а к параметрическим отказам |
можно отнести снижение |
|
яркости и контрастности, силы |
звука |
и т. д., к частичным — |
потерю звука. |
|
|
6
В смысле расчетов надежности этим двум видам отказов соответствуют различные подходы к оценке технической эффективности устройств.
Внезапный отказ возникает при скачкообразном изменении одного или нескольких параметров устройства. Для внезап ного отказа характерно отсутствие каких-либо предшествую щих признаков, позволяющих его прогнозировать. Примерами внезапного отказа являются: пробой диода или конденсатора, потеря контакта в месте пайки, обрыв обмотки.
Постепенный отказ возникает при медленном, плавном из менении выходного параметра обычно из-за старения элемен-
1=const |
а) |
5) |
|
■м
s ) / a
J l h
тов устройства или изменения внешних условий. Постепенный отказ можно прогнозировать, измеряя те или иные внутрен ние параметры устройства. Примеры постепенных отказов: из менение длительности импульса мультивибратора, снижение коэффициента усиления усилителя, уменьшение запаса по фазе в системе автоматического регулирования.
Классификация отказов на внезапные и постепенные необ ходима потому, что методы анализа надежности в этих двух случаях различны.
Зависимыми отказами называются такие, когда появление одного отказа изменяет вероятность возникновения других. Понятия «зависимый» и «независимый» отказ обычно приме няют к элементам и узлам более сложных устройств.
На рис. 3 приведены простые схемы, где имеют место зави симые отказы. На схеме 3, а три резистора проводят ток от генератора тока. Отказ (обрыв) одного из резисторов приво дит к увеличению тока в других, что в свою очередь повы шает вероятность их отказа, так как они теперь сильнее на греваются. В схеме 3, б под действием обратного напряжения один из диодов может пробиться и возникает к. з. диода. К остальным диодам будет приложено большее напряжение, что увеличит вероятность их пробоя.
7
В сложных схемах электротехническая связь режима ра боты элементов и, следовательно, зависимость отказов прояв ляется по-разному. Имеет, например, значение связь через ис точники питания, паразитные связи в монтаже, связь за счет теплового режима. Так что, строго говоря, все отказы аппара туры — события зависимые.
Предположение о независимости отказов существенно упрощает расчет надежности. Нередко, особенно в расчетах устройств с большим количеством элементов, это предположе ние является оправданным. Дело в том, что при рациональ ной разводке питания, хорошем монтаже и охлаждении аппа ратуры зависимости отказов большинства деталей между собой выражены слабо.
На практике часто рассчитывают надежность таких устройств, отказ одного элемента которых ведет к полному от казу устройства в целом. В этом случае предположение о не зависимости отказов оправдано тем, что изучение системы после первого отказа прекращается и вероятности зависимых отказов уже не вычисляются.
Наряду с невосстанавливаемыми и восстанавливаемыми
отказами, смысл которых ясен из названия, существуют самовосстанавливаемые отказы, или сбои. При сбое работоспособ ность быстро восстанавливается без вмешательства операто ра, «самим» устройством. Появление сбоев обычно связано с отклонениями питающих напряжений, наводками и другими быстрыми изменениями условий работы. Сбои особенно ха рактерны для цифровых и импульсных устройств.
Ряд следующих друг за другом сбоев образует перемежаю щийся отказ.
Каждому виду отказа из рассматриваемой группы соответ ствуют определенные методы оценки надежности и путей ее повышения.
Классификация отказов на обрывы и короткие замыкания относится обычно к полным внезапным отказам деталей и ветвей электрической схемы. Деление необходимо потому, что' эти виды отказов приводят к различным последствиям в смыс ле надежности, а также потому, что они не равновероятны.
Понятия конструкционный, технологический и эксплуата ционный отказы указывают пути повышения надежности.
Понятия явный и неявный отказы относятся обычно к слож ным системам, снабженным средствами автоматического контроля. Явными называются отказы, которые обнаружива ются контрольными средствами немедленно после возникнове ния. Неявные отказы выявляются только периодически, при проведении профилактических работ. Неявные отказы приво дят к получению определенного количества некондиционной продукции или недостоверной информации. Явные отказы
8
к таким последствиям привести не могут. Эти обстоятельства
существенны для оценки эффективности с учетом |
всех видов- |
|||||
отказов. |
|
|
|
|
|
|
Классификационные |
признаки табл. |
1 |
не противоречат |
|||
друг другу, т. е. каждый |
конкретный |
отказ |
можно |
отнести |
||
к определенному виду почти по каждому |
признаку. |
Практи |
||||
чески отказ характеризуют двумя-тремя наиболее |
важными в |
|||||
данном случае признаками, опуская |
остальные. |
Особенно |
часто имеют дело с полными внезапными и параметрическими постепенными отказами.
В литературе иногда упоминаются катастрофические, вто ростепенные и другие виды отказов, которые, однако, нетруд но отнести к определенному типу по приведенной классифика ции. Расширение состава классификационных признаков мож но оправдать только в случае, если оно способствует выбору метода расчета надежности.
Продолжая определять основные понятия теории надеж ности, укажем 2 вида аппаратуры: перемонтируемая (невосстанавливаемая) аппаратура; ремонтируемая (восстанавли ваемая) аппаратура. Эти два вида иногда называют также аппаратурой однократного и многократного использования.
Для неремонтируемой и ремонтируемой аппаратуры приме няются различные подходы к оценке надежности. В первом случае надежность характеризуется временем работы устрой ства до отказа, это — случайная величина. Во втором случае надежность характеризуется не только временем работы до отказа, но и временем ремонта (восстановления), которое в общем случае также является случайной величиной. Надеж ность ремонтируемых устройств тем выше, чем больше среднее время работы до отказа и чем меньше время ремонта.
Для ремонтируемой аппаратуры имеет смысл понятие ре монтопригодность, т. е. степень приспособленности оборудо вания для обнаружения и устранения неисправностей.
Важным понятием в теории надежности является избыточ ность. Это любое увеличение веса, габаритов или стоимости аппаратуры по сравнению с минимально необходимыми для функционирования, предпринятое с целью повышения надеж ности. Введение избыточности в той или иной форме является одним из основных способов повышения надежности.
Частным случаем избыточности является резервирование— включение дополнительных элементов, узлов или систем, ана логичных по назначению основным.
В теории надежности различают несколько видов соедине ний элементов или подсистем. Слово «соединение» понимается здесь не так, как в электротехнике или в структурном ана лизе. Имеется в виду характер влияния надежности элементов на надежность системы.
9-