2 Методи підвищення надійності

2.1 Загальні методи підвищення надійності.

Високу надійність апаратури можна забезпечити ще на стадії її проектування і виробництва. Методами підвищення надійності апаратури на даній стадії є:

• правильний вибір схемних і конструктивних рішень;

• заміна аналогової обробки цифровою;

• правильний вибір елементів і матеріалів;

• заміна механічних перемикаючих і управляючих пристроїв електронними;

• правильний вибір електричних режимів роботи елементів і пристроїв апаратури;

• розробка мір по зручності технічного обслуговування і експлуатації апаратури;

• врахування вимог ергономіки;

• вибір відповідної технології виробництва апаратури і строге її дотримання;

• впровадження автоматизації при виробництві апаратури;

• вхідний контроль матеріалів і елементів;

• попереднє тренування елементів і апаратури;

• правильна методика настройки апаратури;

• поточний і вихідний контролі.

До підвищення надійності апаратури ведуть і заходи на стадії її експлуатації. Сюди входять заходи щодо зниження впливу об'єктивних чинників, що знижують надійність, і заходи щодо поліпшення організації процесу експлуатації апаратури. До поліпшення організації експлуатації апаратури ведуть наступні заходи:

• правильне планування профілактичних робіт;

• забезпечення експлуатації необхідною діагностичною і контрольно-вимірювальною апаратурою;

• правильний вибір кількості і номенклатури ЗІП;

• підвищення кваліфікації обслуговуючого персоналу.

2.2 Підвищення надійності шляхом впровадження мікроелектроніки.

Важливим заходом, який веде до підвищення надійності апаратури, є широке впровадження в неї мікроелектроніки.

Залежно від технології виготовлення інтегральні мікросхеми (ІМС) ділять на напівпровідникові, плівкові і гібридні.

Напівпровідникові ІМС є надійнішими і дешевшими зі всіх інтегральних структур. Досвід експлуатації і систематизація даних по відмовах напівпровідникових ІМС показав, що їх надійність визначається чотирма компонентами:

• зовнішніми з'єднаннями;

• внутрішніми контактними з'єднаннями;

• площею кристалів;

• корпусами ІМС.

При експоненціальному законі надійності інтенсивність відмов ІМС ( λ_іс ) можна представити як

λ_іс = λ_зз + λ_вкз + λ_корп + λ_кр ,

де λ_зз – інтенсивність відмов зовнішніх з'єднань;

λ_вкз – інтенсивність відмов внутрішніх контактних з'єднань;

λ_корп – інтенсивность відмов корпусів ІМС;

λ_кр – інтенсивность відмов кристала напівпровідника.

Надійність сучасних ІМС середньому ступеню інтеграції достатньо висока і оцінюється в даний час величиною

λ_іс = 10^-8 1/ год.

Орієнтовні розрахунки показують, що середнє напрацювання на відмову при застосуванні ІМС в порівнянні з вариатом побудови апаратури на звичайних активних і пасивних елементах зростає в десятки тисяч разів.

Використання ІМС, крім того, дозволяє різко зменшити габарити, масу, споживану потужністю (у 10-100 разів і більш), вартість, підвищити швидкодію.

2.3. Підвищення надійності шляхом резервування апаратури.

Резервування апаратури - це один з ефективних способів підвищення надійності. Надійність апаратури при резервуванні може бути вище за надійність елементів, з яких складається апаратура. Разом з тим резервування веде до ускладнення апаратури, збільшення її вартості і споживаної нею енергії.

Розрізняють три методи резервування:

• загальне, що передбачає резервування об'єкта в цілому;

• роздільне, що передбачає резервування окремих елементів, їх груп або окремих вузлів;

• змішане, що передбачає поєднання загального і роздільного резервувань.

Відношення числа резервних елементів до резервованих називається кратністю резервування. Розрізняють однократне резервування (дублювання) і багатократне.

Крім того, резервування може бути з відновленням (з ремонтом тих елементів, що відмовили) і без відновлення. Сам резервний елемент може бути ремонтованим і таким, що не підлягає ремонту.

Існує три способи включення резерву: постійне, заміщенням і ковзаюче.

Постійним називають таке резервування, при якому резервні елементи беруть участь у функціонуванні об'єкту нарівні з основними. Природно, що резервні елементи знаходяться в такому режимі, що і основні, їх ресурс витрачається разом з резервованими елементами.

Недолік постійного резервування в тому, що апаратура значно збільшується в об'ємі і відмова резерву приводить до зміни параметрів і режиму роботи всього об'єкту.

Резервування, при якому функції основного елементу передаються резервному тільки після відмови основного елементу, називають резервуванням заміщенням. При цьому обов'язкова наявність комутуючих пристроїв для підключення резервних елементів замість тих, що відмовили.

Резервні елементи при цьому можуть знаходитися в різних режимах: навантаженому, полегшеному і ненавантаженому. Включення резервних елементів може здійснюватися уручну або автоматично.

Ковзаюче резервування застосовується за наявності в апаратурі однакових елементів (вузлів, блоків). При цьому один або декілька резервних елементів можуть заміщати будь-який з основних елементів даної групи, що відмовили. Для реалізації ковзаючого резервування необхідний логічний пристрій і комутатор.

2.4 Безвідмовність апаратури при загальному і роздільному резервуванні

Розглянемо вірогідність безвідмовної роботи апаратури при її загальному і роздільному постійному резервуванні.

а) Загальне постійне резервування.

Схема загального постійного резервування зображена на рис.2.1.

Рис. 2.1 Схема загального постійного резервування

Система із загальним постійним резервуванням нормально працюватиме при збереженні працездатності хоч би однієї з гілок.

На підставі теореми множення вірогідностей можна знайти вірогідність відмови такої системи - Q_зп:

, (i = 1,2,…,m+1) , (2.1)

де Q_i –вірогідність відмови і-ої гілки, що складається з n елементів.

У свою чергу безвідмовна робота і-ої гілки матиме місце при безвідмовній роботі кожного з n елементів. Тому:

(2.2)

де Р_і - вірогідність безвідмовної роботи і-ої гілки;

Р_ji – вірогідність безвідмовної роботи j-го елемента і-ої гілки.

Вірогідність відмови і – ої гілки запишемо у вигляді:

. (2.3)

Вірогідність безвідмовної роботи системи тоді буде рівна:

. (2.4)

Якщо всі елементи однакові по надійності, тобто , то

. (2.5)

При експоненціальному законі надійності, коли отримаємо:

. (2.6)

Тут λ₀ = n λ – інтенсивність відмов одної гілки системи.

Знайдем середній час роботи системи до відмови при умові рівнонадійності всіх елементів :

(2.7)

Тут Т₀ - середній час безвідмовної роботи одної гілки системи;

А_m - коефіцієнт, який залежить від кратності резервування:

.

Нижче приведені значення А_m для різних кратностей резервування – m:

m 1 2 3 4 5

А_m 1,5 1,83 2,08 2,28 2,45

Видно, що при однократному резервуванню (дублюванню) середній час безвідмовної роботи системи Т_зп збільшується в півтора рази в порівнянні з середнім часом безвідмовної роботи об’єкта без резервування Т₀ (ланки). При трьохкратному резервуванню таке збільшення досягає 2.08.

б) Роздільне постійне резервування.

Схема роздільного постійного резервування зображена на рис.2.2. В ній послідовно сполучені n гілок, в кожній з яких паралельно сполучені (m+1) однотипних елементів.

Рис.2.2 Схема роздільного постійного резервування

Вірогідність відмови j – ої гілки - Q_j очевидно рівна:

, (2.8)

де Q_jі - вірогідність відмови і – го елемента в j – ій гілці;

Р_jі - вірогідність безвідмовної роботи і – го елемента в j – ій гілці.

Оскільки всі елементи в гілці однотипні (а значить рівнонадійні), то

, (2.9)

де p_j – вірогідність безвідмовної роботи одного елемента в j – ій гілці.

Вірогідність безвідмовної роботи j – ої гілки - Р_j очевидно рівна:

. (2.10)

Вірогідність безвідмовної роботи системи в цілому - Р_рп знаходиться як:

. (2.11)

Якщо всі гілки однотипні, то:

, (2.12)

де р – вірогідність безвідмовної роботи одного елемента системи.

Аналіз показує, що роздільне резервування ефективніше, ніж загальне. Дійсно, для відмови системи з загальним резервуванням досить, щоб в кожній гілці відмовив хоч би один елемент. Для відмови ж системи з роздільним резервуванням необхідно, щоб услід за відмовою якого-небудь робочого елементу відмовили всі елементи, що його резервують. Вірогідність такої події менша, ніж попередньої.