6.2. Структурная надежность

Структурная надежность любого радиоэлектронного аппарата, в том числе и ЭВМ, — это его результирующая надежность при известной структурной схеме и известных значениях надежности всех элементов, составляющих структурную схему. При этом под элементами понимаются как интегральные микросхемы, резисторы, конденсаторы и т. п., выполняющие определенные функции и включенные в общую электрическую схему ЭВМ, так и элементы вспомогательные, не входящие в структурную схему ЭВМ: соединения паяные (разъемные), элементы крепления и т. д. (Примечание. Надежность указанных элементов достаточно подробно изложена в специальной литературе. В дальнейшем при рассмотрении надежности ЭВМ будем исходить из того, что надежность элементов, составляющих структурную (электрическую) схему ЭВМ, задана однозначно.)

Количественные характеристики структурной надежности ЭВМ. Для их нахождения составляют структурную схему ЭВМ и указывают элементы устройства (блоки, узлы) и связи между ними. Затем производят анализ схемы и выделяют те ее элементы и связи, которые определяют выполнение основной функции данного устройства. Далее из выделенных основных элементов и связей составляют функциональную схему, причем в ней выделяют элементы не по конструктивному, а по функциональному признаку с таким расчетом, чтобы каждому функциональному элементу обеспечивалась независимость, т. е. чтобы отказ одного функционального элемента не вызывал изменения вероятности появления отказа у другого — соседнего функционального элемента. Поэтому при составлении отдельных функциональных схем (устройств узлов, блоков) иногда следует объединять те конструктивные элементы, отказы которых взаимосвязаны, но не влияют на отказы других элементов.

Рисунок 6.2 – Схемы последовательного (а), параллельного (б) и параллельно-последовательного (в) включения элементов в структурной схеме

Определение количественных показателей надежности ЭВМ с помощью структурных схем дает возможность решать вопросы выбора наиболее надежных функциональных элементов, узлов, блоков, из которых состоит ЭВМ, наиболее надежных конструкций ТЭЗ, панелей, рам, стоек, пультов, тумб, рационального порядка эксплуатации, профилактики и ремонта ЭВМ, состава и количества ЗИП. При построении структурных схем используют последовательное, параллельное и последовательно-параллельное включение элементов. При последовательном включении элементов (рис. 6.2, а) для надежной работы схемы необходима работа всех функциональных элементов. Тогда вероятность безотказной работы схемы будет равна произведению вероятностей безотказной работы всех функциональных элементов:

(6.4)

Если вероятности безотказной работы всех элементов одинаковы, т. е.

Если то

где .

Среднее время наработки на отказ в этом случае

(6.5)

При равной надежности всех элементов

Для другого простейшего случая построения структурной схемы параллельного соединения элементов (рис. 6.2, б) вероятности отказов для каждого из элементов, входящих в схему,

Отказ всей схемы будет тогда, когда откажут все элементы,

где т — число параллельно соединенных элементов.

При этом вероятность безотказной работы всей схемы

(6.6)

В случае применения равнонадежных элементов, если

Если то

(6.7)

При параллельно-последовательном соединении элементов (рис. 6.2, в) следует найти вероятность безотказной работы для каждой из цепочек параллельно включенных элементов, а затем для всей схемы

(6.8)

Пример. Рассчитать вероятность безотказной работы схемы, приведенной на рис. 6.3, при известных значениях вероятностей безотказной работы ее элементов:

Рисунок 6.3 – К примеру расчета вероятности безотказной работы схемы

Разделим схему на цепи I и II, а цепь I — на участки a, b и с. Тогда с учетом принятых обозначений на основании (6.4) и на основании (6.6)

Из (6.4) и (6.6) находим

Отсюда

Подставив в это выражение получим Р = 0,996.

Полученные аналитические выражения (6.1)—(6.5) позволяют произвести расчет надежности функциональных элементов, узлов, блоков, устройств ЭВМ. Основой расчета количественных показателей надежности ЭВМ является предположение, что интенсивность отказов комплектующих элементов подчиняется экспоненциальному закону распределения. Однако наличие нескольких количественных характеристик не означает, что всегда нужно оценивать надежность устройств по всем показателям. Функциональные элементы представляют собой элементарные, но электрически законченные схемы (усилитель, генератор, триггер и др.), на которые разбивают структуру ЭВМ. Наиболее полно надежность функциональных элементов определяется интенсивностью отказов

где — интенсивность отказов комплектующего элемента i-го типа, входящего в состав функционального элемента;

— число элементов i-го типа;

— коэффициент, учитывающий различие в интенсивности отказов элемента i-го типа при воздействии на него электрических нагрузок верхнего или нижнего уровней и продолжительности этих воздействий;

п — количество типов комплектующих элементов, входящих в состав функционального элемента;

i — номер комплектующего элемента.

Узел представляет собой совокупность функционально связанных между собой элементов (регистр, дешифратор, матрица). Количественно надежность узла достаточно полно характеризуется интенсивностью его отказов определяемой по формуле

(6.9)

где , — интенсивность отказов отдельных комплектующих элементов i-го типа и интенсивность отказов функциональных элементов j-го типа, входящих в состав узла соответственно;

, — коэффициенты, учитывающие характер и длительность электрической нагрузки в соответствии с временной диаграммой работы узла;

, — количество комплектующих элементов i-го типа и функциональных элементов j-го типа соответственно; п, т — количество типов комплектующих элементов и функциональных элементов соответственно.

Блок представляет собой совокупность функциональных элементов и узлов (блок питания и др.). Количественно надежность блока целесообразно оценивать интенсивностью отказов и наработкой на отказ . Интенсивность отказов блока

(6.10)

где , — интенсивности отказов отдельных комплектующих элементов i-го типа и отдельных функциональных элементов j-го типа, входящих в состав блока;

— интенсивность отказов узла l-го типа, входящего в состав блока;

K_3i, K_3j, K_3l — коэффициенты временной загрузки комплектующих элементов, функциональных элементов и узлов при их работе в составе блока;

, , — количество элементов, i-го, j-го и l-го типов;

п, т, р — количество типов комплектующих элементов, функциональных элементов и узлов в блоке.

Наработка на отказ блока

.

Среднее время восстановления блока

где , , — соответственно среднее время восстановления отдельного комплектующего i-го элемента, функционального элемента j-го типа, узла l-го типа;

— количество типов соответственно отдельных комплектующих i-х элементов, элементов в составе j-го типа функциональных элементов и l-го типа узла;

— суммарное количество типов комплектующих элементов, функциональных элементов и узлов соответственно;

т, р — количество функциональных элементов и узлов в составе блока;

— количество частей оборудования блока, учитываемых при расчете.

Панель — конструктивная единица, служащая для электрического и механического объединения ТЭЗ. Интенсивность отказов панели определяется по формуле

, (6.11)

где , — интенсивность отказов элементов i-го типа (электрорадиоэлемент или специальный элемент) или j-го типа (интегральная схема), расположенных непосредственно на панели;

— интенсивность отказов типового элемента замены r-го типа;

— коэффициент, учитывающий временную загрузку ТЭЗ r-го типа в составе блока или устройства;

— интенсивность отказов элементов конструкции панели;

п, т, р, к — количество типов элементов;

, , , — количество элементов i-го, j-го типов ТЭЗ r-го типа, элементов конструкции панели q-го типа. Среднее время восстановления панели

где — среднее время восстановления отдельного комплектующего элемента i-го типа;

— среднее время восстановления ТЭЗ r-го типа;

— среднее время восстановления элемента i-го типа в составе функционального элемента j-го типа;

т — количество типов элементов в составе функционального элемента j-го типа;

п, т, р — количество типов отдельных комплектующих элементов, функциональных элементов, ТЭЗ и элементов конструкции панели;

— количество частей оборудования панели, учитываемых при расчете . Значения соответствуют сумме чисел в числителе.

Рама — конструктивная единица, служащая для размещения и механического крепления одной или нескольких панелей. Интенсивность отказов рамы

, (6.12)

где — интенсивность отказов панели g-го типа; — коэффициент, учитывающий временную загрузку работы панелей g-го типа в составе устройства или модели в случае, если на панели расположен целый блок или устройство; — интенсивность отказов элементов конструкции рамы;

, — количество панелей g-го типа и элементов конструкции рамы q-го типа соответственно;

s, к — количество типов панелей и элементов конструкции рамы.

Среднее время восстановления рамы

Где , — среднее время восстановления панели g-го типа и элемента конструкции рамы q-го типа;

р, к — количество типов панелей и элементов конструкции рамы;

— количество частей оборудования рамы, учитываемых при расчете . Значения соответствуют числу Σ в числителе.

Стойка — закрытая конструкция, служащая для размещения и механического крепления рам к панелями и некоторого числа дополнительных устройств. Интенсивность отказов стойки

(6.13)

где , , — интенсивность отказов рамы e-го типа, дополнительного устройства g-го типа и элемента конструкции ν-го типа;

— коэффициент, учитывающий временную загрузку работой рамы e-го типа в составе модели в случае, если на раме расположено оборудование целого устройства;

— коэффициент, учитывающий временную загрузку работой дополнительного устройства g-го типа;

, , — количество рам e-го типа, дополнительных устройств g-го типа и элементов конструкции стойки ν-го типа соответственно;

u, V, k — количество рам, дополнительных устройств и элементов конструкции стойки.

Среднее время восстановления стойки

,

где — среднее время восстановления рам e-го типа и дополнительных устройств g-го типа;

— время восстановления элементов q-го типа конструкции стойки;

k — количество типов элементов конструкции стойки;

и, V — количество рам и дополнительных устройств в стойке;

— количество частей оборудования рамы, учитываемых при расчете (значения соответствуют числу Σ в числителе).

Расчет надежности тумбы и пульта производится методом и в последовательности, аналогичными расчету надежности стойки.

Расчет надежности периферийного оборудования. К периферийному оборудованию относят устройства ввода-вывода, внешние запоминающие устройства и т. п. Наработку на отказ устройств периферийного оборудования определяют по формуле

,

где — интенсивность отказов электронной части устройства, определяемая (6.9);

, — интенсивности отказов электропривода устройства и электромеханической исполнительной части устройства соответственно, определяемые либо по статистическим данным, либо расчетным путем по (6.9), (6.10);

, — коэффициенты, учитывающие загрузку электропривода устройства или электромеханической части устройства по отношению к электронной части устройства.

Среднее время восстановления устройства

,

где , , — среднее время восстановления элементов i–го типа электронной части устройства, j-го типа электропривода и q-го типа электромеханической исполнительной части устройства;

z, f, h — количество типов элементов электронной части устройства, электропривода устройства и электромеханической исполнительной части устройства;

— количество частей оборудования устройств, учитываемых при расчете . Значение соответствует числу Σ в числителе.

Наработку устройства на отказ в единицах обработанной информации определяют по формуле где — техническая скорость устройства (например, количество строк в час для печатающего устройства). Коэффициент готовности

.

Учет условий эксплуатации. В зависимости от назначения и объекта установки на ЭВМ могут воздействовать внешние факторы, снижающие уровень надежности, достигнутый на этапе ее производства или имеющийся при эксплуатации в нормальных условиях. Чтобы учесть снижение уровня надежности, при расчетах по выражениям (6.8) — (6.13) в них вводят дополнительный безразмерный коэффициент , числовое значение которого зависит от вида объекта, где будет эксплуатироваться данная ЭВМ. Если принять для лабораторных и благоустроенных помещений равным 1, то для стационарных наземных устройств = 5—10, для отсеков кораблей = 15—20, для автоприцепов = 25, для железнодорожных платформ = 25—30, для высокогорных условий = 80; для самолетов = 120—150, для управляемых снарядов = 300—350, для ракет = 900—1000.

Пример. ЭВМ, предназначенная для установки в самолет, состоит из N = 200 микросхем. Интенсивность отказов микросхем составляет  = 10^-6 1/ч. Найти Т_ср и Р(t) при t = 20 ч. Для самолета = 150. С учетом условий эксплуатации .

Тогда

; .

Полученные в примере показатели надежности = 33,3 ч и Р(20) = 0,553 во многих случаях не могут удовлетворить разработчиков, поэтому для повышения надежности ЭВМ при сохранении ее общих технических характеристик применяют различные методы, которые разделены на две группы: структурные и информационные.