Надежность систем автоматизации
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
С.Ф. Тюрин
НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
УДК 621.399 Т98
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В.А. Твердохлебов (Институт проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов);
д-р техн. наук, профессор А.И. Цаплин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Тюрин, С.Ф.
Т98 Надежность систем автоматизации : учеб. пособие / С.Ф. Тюрин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 262 с.
ISBN 978-5-398-00960-6
Включает материал лекций практических и лабораторных занятий, а также материал для самостоятельного изучения.
Предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Надежность систем автоматизации».
УДК 621.399
ISBN 978-5-398-00960-6 |
ПНИПУ, 2012 |
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ............................................................................ |
8 |
1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ |
|
НАДЕЖНОСТИ..................................................................... |
16 |
1.1. Понятие надежности............................................... |
16 |
1.2. Технические состояния........................................... |
18 |
1.3. Дефекты, повреждения, отказы.............................. |
19 |
1.4. Восстановление ....................................................... |
20 |
1.5. Показатели надежности невосстанавливаемых |
|
объектов .......................................................................... |
21 |
1.6. Теория вероятностей............................................... |
22 |
1.7. Статистическое определение показателей |
|
надежности невосстанавливаемых объектов............... |
25 |
1.8. Пример статистического определения |
|
показателей надежности невосстанавливаемых |
|
объектов .......................................................................... |
29 |
2. ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЛУЧАЙНЫХ |
|
ВЕЛИЧИН, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЕОРИИ |
|
НАДЕЖНОСТИ..................................................................... |
32 |
2.1. Равномерное распределение................................... |
32 |
2.2. Биномиальное распределение ................................ |
33 |
2.3. Распределение Пуассона......................................... |
34 |
2.4. Экспоненциальное распределение......................... |
38 |
2.5. Распределение Вейбулла – Гнеденко..................... |
42 |
2.6. Нормальное распределение (распределение |
|
Гаусса) ............................................................................. |
43 |
2.7. Гамма-распределение и распределение Эрланга.... |
48 |
3. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ |
|
НЕРЕЗЕРВИРОВАННЫХ НЕВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ |
|
СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ............................................ |
53 |
3.1. Расчет надежности системы на этапе |
|
проектирования .............................................................. |
53 |
3
3.2. Расчет вероятности безотказной работы |
|
нерезервированной невосстанавливаемой системы |
|
при известных вероятностях безотказной работы |
|
подсистем........................................................................ |
57 |
3.3. Расчет показателей надежности |
|
нерезервированной невосстанавливаемой системы |
|
с использованием экспоненциального распределения |
|
при известных интенсивностях отказов подсистем..... |
59 |
3.4. Расчет показателей надежности |
|
нерезервированной системы с использованием |
|
распределения Вейбулла – Гнеденко............................ |
63 |
3.5. Расчет показателей надежности |
|
нерезервированной системы с использованием |
|
нормального распределения Гаусса.............................. |
63 |
3.6. Краткие сведения из справочника |
|
по надежности электрорадиоизделий........................... |
64 |
4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ |
|
РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ.......................... |
71 |
4.1. Общие положения по обеспечению надежности ... |
71 |
4.2. Резервирование замещением.................................. |
77 |
4.2.1. Надежность системы |
|
при резервировании замещением ....................... |
77 |
4.2.2. Резервирование замещением в случае |
|
нагруженного резерва.......................................... |
81 |
4.2.3. Резервирование замещением в случае |
|
облегченного резерва........................................... |
82 |
4.2.4. Резервирование замещением в случае |
|
ненагруженного «холодного» резерва................ |
87 |
4.3. Расчет надежности систем при постоянно |
|
включенном резерве....................................................... |
91 |
4.4. Особенности резервирования в цифровой |
|
технике ............................................................................ |
95 |
4.4.1. Дублирование ............................................. |
95 |
4.4.2. Ориентировочная оценка достоверности |
|
функционирования двухканальной системы..... |
98 |
4.4.3. Мажоритирование – троирование............. |
100 |
4.4.4. Скользящее резервирование...................... |
106 |
4 |
|
4.4.5. Понятие о функционально-полных |
|
толерантных (ФПТ) системах ............................. |
107 |
4.4.6. Синтез структурной схемы надежности |
|
системы в соответствии с методикой |
|
оптимального резервирования на основе |
|
процедуры наискорейшего спуска...................... |
114 |
4.4.7. Оценка ВБР отказоустойчивой |
|
ПЛИС-ФПТ со скользящим резервированием |
|
и восстановлением логики................................... |
127 |
5. НАДЕЖНОСТЬ ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ |
|
СИСТЕМ ................................................................................ |
140 |
5.1. Марковские процессы............................................. |
140 |
5.2. Надежность систем с восстановлением................. |
143 |
5.3. Комплексные показатели надежности................... |
145 |
5.4. Расчет показателей надежности |
|
с использованием Марковских цепей........................... |
148 |
6. НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ В ПЕРИОД |
|
ЭКСПЛУАТАЦИИ................................................................ |
155 |
6.1. Понятие об эксплуатации технических систем .... |
155 |
6.2. Планирование технического обслуживания ......... |
158 |
6.3. Расчет количества ЗИП........................................... |
161 |
7. ПРОСТЕЙШИЕ МЕТОДЫ ПОИСКА ДЕФЕКТОВ |
|
(ОТКАЗОВ) ............................................................................ |
164 |
7.1. Оценка алгоритмов поиска дефектов |
|
по стоимости проверок.................................................. |
164 |
7.2. Основные методы построения алгоритмов |
|
поиска дефектов (отказов) ............................................. |
167 |
7.2.1. Метод случайного выбора проверок........ |
167 |
7.2.2. Метод возрастающей |
|
продолжительности (трудоемкости) .................. |
168 |
7.2.3. Метод проверок слабых компонентов...... |
169 |
7.2.4. Метод «время-вероятность»...................... |
169 |
7.2.5. Метод половинного разбиения................. |
170 |
7.2.6. Метод равных вероятностей ..................... |
172 |
8. ПОСТРОЕНИЕ ТЕСТОВ ЦИФРОВЫХ СХЕМ.............. |
173 |
5 |
|
8.1. Построение контрольных тестов цифровых |
|
схем.................................................................................. |
174 |
8.2. Построение диагностических тестов цифровых |
|
схем.................................................................................. |
178 |
9. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ |
|
ИНФОРМАЦИИ ПУТЕМ КОДИРОВАНИЯ...................... |
186 |
9.1. Кодирование по Хэммингу..................................... |
186 |
9.2. Кодирование на основе математического |
|
аппарата умножения и деления полиномов ................. |
190 |
9.3. Сигнатурный анализ................................................ |
195 |
10. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНТРОЛЯ |
|
И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИСТЕМ |
|
ОТВЕТСТВЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ................................ |
198 |
10.1. Схемная реализация контроля |
|
и диагностирования параметров ................................... |
199 |
10.2. Общие принципы контроля и диагностирования |
|
цифровой аппаратуры ответственного применения.... |
201 |
11. JTAG ................................................................................. |
202 |
11.1. Понятие о JTAG..................................................... |
202 |
11.2. JTAG-порт микросхемы и ячейки |
|
периферийного сканирования....................................... |
203 |
12. ПОНЯТИЕ О НАДЕЖНОСТИ ПРОГРАММНЫХ |
|
СРЕДСТВ ............................................................................... |
205 |
12.1. Контроль работы ПС на этапе эксплуатации...... |
206 |
12.2. Обеспечение надежности ПС на этапе |
|
проектирования............................................................... |
206 |
12.3. Надежность ПС – одна из составляющих |
|
качества ПС..................................................................... |
208 |
12.4. Тестирование ПС................................................... |
210 |
12.5. Доказательство правильности программ............. |
211 |
12.6. Формализация программирования....................... |
214 |
12.7. Представление алгоритма в виде конечного |
|
автомата........................................................................... |
215 |
13. УЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА |
|
В СА........................................................................................ |
219 |
6 |
|
14. ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ |
|
СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ............................................ |
222 |
14.1. Экспертные системы............................................. |
223 |
14.2. Надежность СА в смысле информационной |
|
безопасности................................................................... |
223 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................... |
225 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Обеспечение надежности баз данных |
|
компьютеров .......................................................................... |
228 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Исследование отказо- |
|
и сбоеустойчивого цифрового устройства передачи |
|
данных с мажоритированием выходных сигналов............. |
233 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Варианты заданий |
|
для самостоятельной работы студентов.............................. |
249 |
7
ВВЕДЕНИЕ
Согласно ГОСТ 27.002–89 надежность (reliability, dependability) – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования [1].
Надежность технических объектов и систем интуитивно связывается с качеством их функционирования на основе качества их изготовления и культуры производства. Так, качество изготовления интегральных микросхем оценивается по показателю «выход годных» (yield [ji:ld] rate: rate – норма, разряд, класс; yield – количество добываемого продукта). Один из основных факторов, влияющих на процент выхода годных микросхем, – качество кремниевой пластины. Когдато процент выхода годных был весьма низок – 5...10, но считался неплохим [2]. Сейчас по некоторой информации у Intel порядка 95 %. По мнению известной маркетинговой компании VLSI Research, у некоторых компаний он до сих пор не превышает 20–50 %, в то время как эффективным считается выход более 70 % годных чипов [2].
Дисциплина изучает надежность систем автоматизации. Что такое система?
Система (от греч. σύστηµα – составленный) согласно энциклопедическому словарю – множество взаимосвязанных объектов и ресурсов, составляющих единое целое и противопоставляемое среде.
Система в системном анализе – совокупность сущностей (объектов) и связей между ними, выделенных из среды на определенное время и с определенной целью.
Автоматизация согласно Большой советской энциклопедии – это одно из направлений научно-технического прогресса, применение технических средств, методов и систем
8
управления, освобождающих человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, существенно уменьшающих степень этого участия или трудоемкость выполняемых операций.
Системы автоматизации проектируются, изготовляются, эксплуатируются и утилизируются.
Эксплуатация (от фр. exploitation) в технике – часть жизненного цикла изделий, направленная на его использование по назначению.
Надежность систем автоматизации – важнейшая составляющая их эффективности.
Требования к надежности необходимо задавать при проектировании, обеспечивать на этапе изготовления. Надежность необходимо обеспечивать и в процессе транспортирования технических объектов. Не следует забывать и об утилизации объекта после окончания эксплуатации.
Надежность оценивается количественными показателями надежности. Это вероятностные показатели – вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и др. Так, ранее в особо важных областях техники стремились к трем девяткам – к вероятности 0,999, сейчас часто заявляют перспективу пяти девяток – 0,99999! Интенсивность отказов интегральных микросхем (она, конечно, разная для разной степени интеграции) в ХХ в. оценивалась примерно от 10–5 (размерность – час в минус первой степени) для обычной
техники и до 10–9 для особо важной. Сейчас заявляются показатели от 10–7 до 10–12!
Тем не менее к вероятностным показателям в практической деятельности надо относиться без излишнего фанатизма. Как говорится, на теорию вероятности надейся, но сам не плошай! Вероятность развития катастрофической ситуации на Чернобыльской АЭС оценивалась величиной порядка 10–6… А Фукусима в 2011 г. ?!
9
Ванглийском языке часто используется показатель
MTBF (mean time between failures) – среднее время между отказами, или наработка на отказ, а также MTTF (mean time to failure) – средняя наработка до отказа [2]. Публи-
куемые величины MTBF/MTTF часто основываются на результатах ускоренных испытаний – в течение ограниченного времени, позволяющего выявить преимущественно долю производственного брака. Например, MTBF порядка 1 млн ч для накопителя на жестком диске не означает 114 лет непрерывной безотказной работы. И не только потому, что эксперимент такой продолжительности не мог быть проведен, но и потому, что сам производитель назначает ресурс (срок службы) не более 5–10 лет и гарантийный срок
1–5 лет [2].
Ясно, что чем более качественной должна быть система, тем дороже она стоит. Чудес, как говорится, не бывает.
Можно ставить две различные задачи: достижение требуемого показателя при минимальных денежных затратах
идостижение максимального показателя надежности при заданных затратах. А для сравнения различных систем целесообразно использовать показатель «эффективность/стоимость», где под эффективностью понимается некоторый достигаемый за данную стоимость уровень надежности.
Надежность систем является предметом изучения науки, которая называется теорией надежности.
Впоследние годы в научных кругах часто используется термин «гарантоспособность» (dependability).
Гарантоспособность – более широкое понятие, чем на-
дежность. Оно включает и безопасность, и устойчивость к отказам и сбоям, помехам, а сегодня это и катастрофоустойчивость.
Общепризнанный лидер мировых форумов по надежно-
сти, гарантоспособности – DSN Conference (dependable systems and networks, http://dsn.org). Конференции DSN при-
10