книги из ГПНТБ / Колесников Д.Н. Надежность устройств автоматики и вычислительной техники конспект лекций

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.

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.

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.

Полный отказ — это такой, до устранения которого ни­ какое использование устройства по назначению невозможно.

При частичном отказе устройства или системы выполняют свои функции не полностью.

Например, для телевизора полными отказами будут: пере­

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-

■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

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-