Надёжность технических систем

уда 62i

Надежность технических систем: Конспект лекций / В.В.Бело­ усов, В.В. Киселев, М.М.Кулагина; Перм.гос.техн.ун-т. Пермь, 1995. 71 с.

ISBN 5-88151-037-2

Рассмотрены основные задачи обеспечения надежности элект­ ронных устройств на этапах проектирования и эксплуатации новой техники.

Приведены основные определения характеристик надежности и отказобезопасности. Для каждой характеристики даны методы и формулы ее расчета.

Рассмотрен целый ряд примеров по расчету надежности для различных типов систем.

Ил. 32. Библиогр.: 6 назв.

Рецензенты: канд.техн.наук В.Н. Краснобаев (НПО "Парма"); канд.техн.наук О.В. Гончаровский

Пермский государственный технический университет,1995

- 3 - ВВЕДЕНИЕ

Формирование научной дисциплины, известной сейчас под на­ званием "Теория надежности”, началось во время второй мировой войны и первые послевоенные годы.

Война в значительной степени стимулировала применение электронных приборов для цепей управления. Тогда обнаружилось, что надежность приборов и военных систем в целом не соответству­ ет требованиям к их боевой готовности. Если раньше ненадежная работа прибора в системе связи вела, в большинстве случаев, к задержке в передаче информации и не влекла за собой катастро­ фических последствий, то отказ прибора в системе управления

приводил к непоправимому положению. Обследования, проведенные в ВМФ США, показали, что только 30 %всего оборудования находи­ лось в исправном состоянии.

I. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ~И СУЩНОСТЬ П Р О Е М Ы НАДЕЖНОСТИ

С увеличением сложности технических систем надежность их продолжала снижаться. Например, первая ламповая ЦВМ практичес­ ки вообще не работала. Стало ясно, что специалистам по надеж­ ности нельзя ограничиваться ролью простых наблюдателей за уси­ лиями инженеров других специальностей, что надежность в систему надо закладывать на самых ранних стадиях ее проектирования.

Сейчас говорят, что надежность является дисциплиной, изу­ чающей объект ”от его рождения до похорон".

В настоящее время наблюдается дальнейшее углубление про­ блемы надежности, что обусловлено особенностями развития сов­ ременной техники:

1.Существует стремление к подробному планированию произ­ водственных процессов. Здесь отказ одного блока нарушает ритм всего процесса.

2.Все чаще применяется автоматизация процессов.

3.Автоматизированные системы выполняют все более ответст­

венные задачи.

Современные системы создаются в короткий срок и быстро морально стареют, т.е. очень трудно накопить навыки их проек­ тирования, изготовления и эксплуатации. При этом обычно замет­

ны непосредственные результаты ненадежности, однако большое значение имеют и косвенные последствия недостаточной надежнос­ ти:

-высокая стоимость эксплуатации;

-потребность в высоком уровне квалификации и затратах труда обслуживающего персонала;

-снабжение запасными частями и т.д. (например, в ВВС США затраты обслуживания составляла 2 доллара на I доллар оборудования).

Все это, а также сложность современных и будущих техни­ ческих систем, многообразие режимов их работы - обусловили не­ обходимость общетеоретического подхода к повышению надежнос­ ти систем, независимо от их устройства и назначения.

Учитывая сказанное, теория надежности может быть опреде­ лена как наука о методах обеспечения и сохранения надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации технических систем.

Основной задачей теории надежности является разработка количественных методов оценки надежности и определение наибо­ лее рациональных методов ее обеспечения.

В теории надежности можи#^выделить два направления:

1.Разработка методов обеспечения надежности систем путем повышения надежности элементов на основе совершенство­ вания технологии их изготовления.

2.Разработка методов проектирования надежных систем

Содержанием курса является второе направление.

I.I. Основные определения теории надежности (по ГОСТ 27.002-83)

Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризую­ щих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Надежность является одной из важнейших характеристик ка­ чества объекта - совокупности свойств, определяющих пригод­ ность использования его по назначению. В отличие от других ха­ рактеристик качества надежность обладает следующей специфичес-

кой особенностью. Обычные характеристики качества объекта так же, как быстродействие, емкость памяти, мощность потребления, масса и др., измеряются для некоторого момента времени ("то­ чечные" характеристики качества). Надежность характеризует зависимость "точечных" характеристик качества либо от време­ ни использования, либо от наработки объекта.

Наработка - продолжительность (или объем) работы изде­ лия, измеряемая временем, циклами, периодами, единицами выра­ ботки и т.д. Различают суточную наработку, месячную наработку до первого отказа, наработку до первого отказа, наработку меж­ ду отказами и т.д.

Надежность - сложное свойство. Оно включает в себя более простые свойства (составные части надежности, стороны надеж­ ности) :

1.Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

2.Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности его к предупреждению и обнаружению отказов

ивосстановлению работоспособности объекта либо путем проведе­ ния ремонта, либо путем замены отказавших комплектующих элемен­ тов.

Возникают две самостоятельные характеристики ремонто­ пригодности: приспособленность к проведению ремонта (ремонто­ пригодность в узком смысле) и приспособленность к замене в про­ цессе эксплуатации (восстанавливаемость или заменяемость).

3.Долговечность - свойство объекта сохранять работоспо­ собность до наступления предельного состояния, т.е. до наступ­ ления такого состояния, когда объект должен быть либо направ­ лен в ремонт (средний или капитальный), либо изъят из эксплуа­ тации.

4.Сохраняемость - свойство объекта сохранять работоспо­ собность в течение (и после) его хранения и (или) транспорти­ рования. Это свойство тоже расчленяется на более простые: сох­ раняемость в процессе (и после) хранения в специально приспосо ленном помещении; сохраняемость в процессе (и после) хранения

вполевых условиях; сохраняемость в процессе (и после) транс­ портирования по железной дороге и т.п.

Работоспособность - такое состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, удовлетворяя требова­ ниям нормативно-технической документации. Работоспособность - характеристика состояния объекта в некоторый момент времени.

Надежность - свойство сохранять работоспособность на некото­ ром отрезке времени или при выполнении некоторого объема рабо­ ты.

Перечисленные выше свойства объектов - частные стороны надежности - являются общепризнанными и рекомендуются для ши­ рокого класса изделий. Однако оказалось, что для характеристи­ ки надежности информационно-вычислительной (и вообще: цифро­ вой) техники этих свойств недостаточно. Поэтому в практике нсь ходят применение дополнительные частные свойства надежности.

1. Живучесть - свойство объекта сохранять работоспособ­ ность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий, не предусмотренных нормальными условиями эксплу­ атации.

При задании требований к надежности объекта обычно указы­ ваются нормальные условия его эксплуатации. Но к ряду объек­ тов ответственного назначения могут быть предъявлены требова­ ния выполнять некоторые функции в условиях, существенно отли­ чающихся от нормальных (даже катастрофически разрушающих). Требование живучести может быть сформулировано, например, так: "выполнять заданные функции на заданном интервале времени пос­ ле разрушающего воздействия" или "сохранять частичную работо­ способность после разрушающего воздействия” и т.д.

2. Достоверность информации, выдаваемой объектом. ЭВМ или тракт передачи информации могут обладать высокой безотказностью, хорошей долговечностью, сохраняемостью и ремонтопригодностью. Однако могут иметь место сбои, искажающие информацию.

В изделии "ломается", "портится" не аппаратура, а инфор­ мация. Это не менее опасная "поломка", но она не находит отра­ жения в перечисленных основных сторонах надежности. Поэтому и вводится еще одна дополнительная сторона надежности - достовер­ ность.

Могут быть использованы и другие частные свойства надеж­ ности.

1.2.Виды надежности

1.Аппаратурная надежность - обусловлена состоянием ап­ паратуры (может расчленяться на конструктивно-схемную надеж­ ность и производственно-технологическую надежность).

2.Программная надежность - обусловлена состоянием прог­ раммы. Это понятие возникло недавно, но приобретает все более важное значение.

3.Функциональная надежность - надежность выполнения от­ дельных функций, возлагаемых на систему. Более ответственные функции должны выполняться более надежно.

Большое количество различных сторон надежности и видов надежности не означает, что всегда надо задавать и исследо­ вать весь определенный вами перечень. В каждом конкретном слу­ чае надо выбирать такие стороны и виды надежности, которые необходимы для характеристики надежности объекта с учетом его целевого назначения.

1.3.Отказы

Отказ объекта - событие, заключающееся в том, что объект либо полностью, либо частично теряет работоспособность. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной - частичный отказ.

По степени внезапности отказы могут быть:

внезапными (мгновенным! - возникают в результате мгновен­ ного изменения одного или нескольких параметров объекта) ;

постепенными - наблюдаемое постепенное изменение главных параметров объекта либо из-за износа, либо из-за старения.

По степени зависимости от других отказов:

независимые отказы - их возникновение не связано с пред­ шествовавшими по времени отказами других элементов объекта;

зависимые отказы - появляются вследствие предшествующих отказов (например, из-за возникающих перегрузок).

По характеру назначения:

устойчивые отказы - не самоустраняются, постоянно есть; перемежающиеся отказы - то появляются, то пропадают (на­

пример плохой контакт);

сбой - однократно возникший и самоустранившийся отказ. В цифровой технике выделяют также:

аппаратурный отказ - обусловлен отказом "железа”; программный отказ - обусловлен несовершенством программы

(несовершенный алгоритм, отсутствие программной защиты от сбо­ ев, отсутствие программного контроля за состоянием управляемо­ го изделия, ошибки в представлении программы на физическом но­ сителе и т.п.). Программный отказ устраняется исправлением про­ граммы.

Примеры возникновения отказа:

а) конструктивный - из-за ошибок конструктора (или несо­ вершенства методов конструирования);

б) производственный - из-за нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления объекта или комплектую­ щих;

в) эксплуатационный - из-за нарушения правил эксплуатации или вследствие влияния непредусмотренных внешних воздействий.

1.4.Эффективность

Внепосредственной связи с понятием надежности находится понятие эффективности.

Эффективность объекта - свойство объекта выдавать некото­ рый полезный результат (эффект) при использовании по назначению.

Чем выше надежность объекта, тем выше его эффективность, но до некоторого предела.

Виды эффективности:

а) номинальная - эффективность объекта при условии его идеальной надежности,

б) реальная - эффективность реального объекта, т.е. о неидеальной надежностью,

в) техническая - технический эффект, полученный при исполь­ зовании объекта (количество переданной информации, снижение зат­ рат времени и т.д.),

г) экономическая - степень выгодности экономичеоких зат­ рат при использовании объекта.

Показатель эффективности применяется обычно для сложных

изделий, которые могут находиться в состоянии частичного отка­ за, т.е. с частичным сохранением работоспособности. Есть необ­ ходимость определить влияние отказов элементов изделия на его эффективность.

1.5. Восстановление

Восстановление - процесс обнаружения и устранения отказа с целью восстановления работоспособности объекта.

Восстанавливаемый объект - объект, работоспособность ко­ торого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

Невосстанавливаемый объект - объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстанов­ лению в рассматриваемых условиях.

При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности объекта, существенное значение имеет решение, кото­ рое должно быть принято в случае отказа объекта. Если в рас­ сматриваемой ситуации восстановление работоспособности данно­ го объекта при его отказе по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым (например из-за невозмож­ ности прерывания выполняемой формулы), то такой объект в дан­ ной ситуации является невосстанавливаемым. Таким образом, один и тот же объект в зависимости от особенностей или этапов эксп­ луатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавлива­ емым.

Например, аппаратура метеоспутника на этапе хранения от­ носится к восстанавливаемой, а во время полета в космосе - невосстанавливаемой. Другой пример: ЭВМ, используемая для неопе­ ративных вычислений, является объектом восстанавливаемым, т.к. в случае отказа любая операция может быть повторена, а та же ЭВМ, управляющая сложным технологическим процессом в метеллургии или химии, является невосстанавливаемым объектом, т.к. от­ каз приводит к непоправимым последствиям.

РСЛ-В) = PC в) - PCA/В ) ,

отсюда вероятность произведения двух независимых событий

Р(Л-В) « P W - РСВ)

Условной вероятностью события А относительно события В называется отношение совместного появления событий А и В к вероятности события В

Случайная величина - величина, которая в результате опы­ та может принимать то или другое значение (заранее не извест­ но, какое именно). Она может быть либо дискретной (число от­ казов за время Ь , число отказавших изделий%при испытаниях заданного объема), либо непрерывной (время работы изделия до отказа, время восстановления работоспособности).

Исчерпывающее представление о случайной величине дает закон распределения случайной величины - соотношение между значениями случайной величины и их вероятностями.

Существуют законы распределения:

1. Интегральный (функция распределения) - вероятность то­ го, что случайная величина X может принимать значения мень­ ше X

F(z) = PCX < х)

Если случайная величина - наработка до отказа Ь , то вероятность того, что i меньше'заданного значения tj , равно вероятности возникновения отказа на интервале от нуля до i j . функция наработки на отказ (функция ненадежности)

FCt3)= PCI * V = a c i)

Вероятность того, что на интервале времени от 0 до t3 не