ТОПИН.Лекции, задания / ТОППиН_часть1 / глава 1234

История техники с убедительностью показывает, что вопросы точности и надежности выросли в проблемы первостепенного значения.

Акад. Н.Г. Бруевич

Ни одно достижение науки и техники, сколь бы эффективно оно ни было, не может быть полностью использовано, если его реализация будет зависеть

от «капризов» малонадежной аппаратуры.

Акад. А.И. Берг

Введение

Вопросами надежности, определяющей качество изделий, начали заниматься, когда неэффективная работа изделий, в том числе электронных, из-за их низкой надежности стала приводить к большим экономическим потерям в связи с длительными производственными простоями, нарушением управления различными объектами, невыполнением боевых операций и т.п. Чем больше становилась насыщенность промышленности, гражданских служб и армии различными изделиями, тем больше оказывались потери. Затраты только на устранение отказов в сфере эксплуатации в несколько раз превосходили стоимость изделий. Возникла проблема надежности, решением которой занялись в ряде стран (СССР, США, Германии и др.).

Значение проблемы надежности проявляется через те последствия, которые имеют место в результате низкой надежности изделий. Эти последствия можно разделить на три группы: экономические, военно-стратегические и психологические.

Ученые и инженеры стали собирать статистику по отказам электронной аппаратуры (ЭА) и их источникам. Оказалось, что на работу ЭА оказывают влияние ошибки на всех трех этапах «жизни» аппаратуры. Так по вине разработчиков ЭА происходило около 46 % отказов, по вине производства – 24 % отказов, по вине эксплуатационников – около 30 %. Отсюда следует, что ненадежная работа ЭА уже закладывалась при ее проектировании. Тогда и появил-

ся такой афоризм: «Надежность должна закладываться при проектировании, обеспечиваться при производстве и поддерживаться при эксплуатации».

Проблема надежности стала еще более актуальной в связи с дальнейшим развитием науки и техники, созданием более сложных изделий, расширением диапазона их применения и отсутствием обслуживания на протяжении всего срока службы.

Стала развиваться теория надежности, которая в широком смысле изучает закономерности влияния отказов на эффективность использования аппаратуры. Следует подчеркнуть, что теория надежности была обусловлена объективной реальностью, а не придумана учеными. Теория надежности, как наука, для ре-

3

шения своих задач разрабатывает методы, основанные на целом ряде других наук. Содержание теории надежности приведено на рис. В.1 [1].

Рис. В.1

4

Предметом исследования теории и практики надежности является всестороннее изучение четырех основных свойств обуславливающих надежность: безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость и долговечность.

Успехи в развитии теории надежности и ее практических приложениях позволили существенно повысить надежность изделий. В настоящее время проектирование и эффективное использование систем немыслимо без учета показателей их точности и надежности, которые закладываются в техническом задании (ТЗ) и являются техническими параметрами изделия.

Практика повышения надежности основана на системном подходе к проектированию ЭА, поскольку на ее надежность влияет масса факторов. Системное проектирование надежной ЭА представляет собой решение комплекса сложных задач в условиях неполной информации. При этом необходимо учитывать конструктивный вариант, структуру системы, ее связи с внешней средой, условиями производства, условиями эксплуатации, включая обслуживающий персонал. Сравнение вариантов ЭА до их изготовления должно сопровождаться оценкой их надежности. Системное проектирование надежности следует начинать с этапа технического предложения, что является экономически более выгодным. При этом получается наибольшая экономия средств и высокое качество аппаратуры. Чем на более поздних этапах проектирования начинают решаться вопросы надежности, тем больше требуется для этого средств.

Анализ надежности изделия, в соответствии с [63], состоит из двух этапов:

априорного анализа надежности;

апостериорного анализа надежности.

Априорный анализ (до опыта) надежности проводится на этапах проектирования изделия. Он состоит в проведении расчетов надежности изделия по данным о надежности элементов.

Апостериорный анализ (из опыта, на основании опыта) надежности проводится на основании статистической обработки экспериментальных данных о работоспособности и восстанавливаемости изделия, полученных в процессе его отработки, испытаний и эксплуатации.

Всегда следует помнить, что всякая работа по повышению надежности требует определенных затрат, ибо «за дешевую цену можно сделать только очень сложную аппаратуру», а следовательно и ненадежную.

Задачи, которые необходимо решать при системном проектировании ЭА:

распределение норм надежности между устройствами системы;

учет свойств человека и технического изделия;

распределение показателей эффективности между аппаратурными и программными компонентами системы контроля;

выбор основных характеристик различных типов контроля;

прогнозирование областей устойчивой работы основных устройств;

сравнительная оценка надежности различных вариантов структур системы или устройств и т.п.

Реальный процесс функционирования системы сопровождается постепенным накоплением нарушений в структуре и в параметрах системы, которые приводят к изменениям каких-либо основных ее характеристик, и в частности,

5

показателей надежности. Поэтому важно, не дожидаясь отказа, периодически производить устранение нарушений в процессе эксплуатации, что выполняется во время профилактик с применением методов диагностирования состояния системы.

В соответствии с этапами «жизни» аппаратуры структуру надежности составляют: теоретическая надежность, техническая надежность и эксплуатационная надежность (рис. В.2), [38].

Рис. В.2

Надежность теоретическая обеспечивается на этапе проектирования выбором соответствующих требованиям ТЗ структуры и конструкции аппаратуры, элементов и режимов их работы с учетом условий производства и эксплуатации.

Теоретическая надежность определяется надежностью конструкции Rк(t), надежностью схемы Rсх(t) и надежностью деталей и электрорадиоэлементов (ЭРЭ) Rэл(t), соответствующими трем группам отказов:

Rтеор(t) = Rк(t) ∩ Rсх(t) ∩ Rэл(t).

Надежность изделия после изготовления (техническая надежность) определяется теоретической надежностью и надежностью изготовления Rизг(t):

Rтехн(t) = Rтеор(t) ∩ Rизг(t).

6

Надежность изделия на этапе эксплуатации (эксплуатационная надежность) определяется технической надежностью и надежностью применения

Rпр(t):

Rэксп(t) = Rтехн(t) ∩ Rпр(t).

Полнота и тщательность проработки конструкторской документации – одно из основных условий обеспечения надежности изделия при проектировании.

Если изделие спроектировано в соответствии с требованиями условий эксплуатации, то главным фактором, определяющим его надежность, является технология его изготовления. Надежность техническая обеспечивается на этапе производства выбором соответствующей технологии изготовления, контролем производства и проведением испытаний.

Надежность эксплуатационная обеспечивается применением аппаратуры согласно техническим условиям, квалификацией обслуживающего персонала, организацией профилактик и ремонта.

Основные мероприятия по созданию надежных изделий осуществляются на первых двух этапах. Об этом свидетельствуют следующие цифры. Если все меры по обеспечению качества продукции принять за 100 процентов, то 75 из них приходится на поиск конструктивных решений, проектирование, отработку макетного и доводку опытного образца, отладку технологии, 20% – на контроль самих производственных процессов и 5 процентов на окончательную приемку изделия.

Зависимость затрат от надежности за весь период «жизни» аппаратуры приведена на рис. В.3, где Ср – затраты на разработку, Сп – затраты на производство, Сэ – затраты, связанные с эксплуатацией.

Рис. В.3

Из рисунка следует, что для аппаратуры массового применения необходимо ориентироваться на оптимальную надежность (Ропт), при которой получаются наименьшие расходы (Смин). Чем выше требуется надежность изделия, тем большие расходы приходятся на этапы проектирования и производства, и уменьшаются расходы на эксплуатацию.

7

Теория надежности (или как иногда говорят «наука об отказах») занимается отказами различных изделий. Отказ, из-за влияния на его появление множества разнообразных факторов, является случайным событием. Естественно, что противоположное событие – исправная работа изделия – также случайное событие. Отказ происходит в случайные моменты времени. Поэтому время наступления отказа и, соответственно, время безотказной работы изделия являются случайными величинами. Случайной величиной является также время восстановления изделия. Данные по надежности элементов или изделий получаются, как правило, из испытаний и эксплуатации путем статистической обработки их результатов. Поэтому математическим аппаратом теории надежности являются теория вероятностей и математическая статистика.

В качестве примера приведем результаты статистического анализа работы приемо-передающего комплекса, состоящего из 500 000 шт. электрических и электромеханических элементов, проработавшего 35000 ч. в условиях повышенной относительной влажности (таблица В.1).

Таблица В.1.

Статистические данные об отказах элементов РЭА

8

Глава 1 ОТКАЗЫ, ИХ ВИДЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ. МОДЕЛИ ОТКАЗОВ. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности [3]. Отказ изделия – явление случайное, но причины, обуславливающие появ-

ление отказа, связаны с определенными физическими или физико-химическими процессами, происходящими в материалах и конструкциях элементов в условиях эксплуатации и вследствие ошибок проектирования и производства. Таким образом возникновению отказа предшествуют те или иные необратимые изменения свойств материалов элементов.

Поскольку для различных изделий отказами могут считаться разные события, то в технической документации рекомендуется оговаривать признаки отказов для изделий разного типа.

1.1 Виды отказов

Существуют три важнейших видов отказов: сбой, внезапный отказ и постепенный (износовый) отказ.

Сбой – самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Сбой приводит к кратковременной утрате работоспособности изделия. При этом не требуется ремонт или замена технических средств. Надежность изделия остается такой же, какой была до сбоя.

Сбой – это такой отказ, который не портит оборудование, но портит информацию. Самовосстановление технических средств после сбоя можно рассматривать с различных позиций.

Вотношении аппаратурной надежности сбой не является отказом, так как он не связан с повреждением оборудования и поэтому его восстановление можно считать мгновенным.

Вотношении функционирования изделия сбой является отказом, влияние которого заключается, например, в неправильном показании измерительного прибора или неправильном решении задачи вычислительным устройством. В этом случае сбой устраняется повторным включением прибора или повторным решением задачи. Повторные результаты сравниваются с предыдущими.

Непосредственные причины сбоев могут быть внешними и внутренними. Внешние причины: влияние внешней среды (помехи атмосферного или

производственного происхождения, вибрация, флуктуации напряжения питающей сети, ослабление или исчезновение входных сигналов, изменение нагрузки

ит.п.).

Внутренние причины: обратимый уход параметров элементов, переменный контакт, шумы и их наложения, информационная перегрузка отдельных элементов в процессе функционирования и т.п.

Сбои являются характерными отказами для цифровых автоматов и ЦВМ. Наличие отказов подобного вида можно считать «привилегией» цифровых ав-

9

томатов. Поэтому, оценивая надежность ЦВМ, следует в первую очередь определить ее устойчивость по отношению к сбоям.

Различают сбои логических элементов, функционально законченных устройств и системы в целом.

Имеются две основные физические причины сбоев логических элементов: нестабильность характеристик полупроводниковых элементов и некачественные электрические контакты в местах паек и разъемов. Уход параметров элементов за границы поля допусков в процессе функционирования изделий и переходные процессы приводят к увеличению частоты сбоев во времени. Действительно, наличие импульсов информации в период переходного процесса или при нахождении параметров полупроводникового прибора вне поля допусков неизбежно приводит к сбою. Таким образом, частота сбоев зависит от режима нагрузки логического элемента. Недостаточно отработанная технология паек в логических элементах, низкая надежность разъемов могут также привести к значительному числу сбоев.

Сбои функциональных устройств возникают в результате комплексного сбоя ряда логических элементов, а также вследствие нелокализованного сбоя отдельного логического элемента. Устройствам присущи рассмотренные причины сбоев логических элементов. Кроме того, они вызываются следующими причинами:

плавающей временнóй диаграммой работы функционального устройства; такой режим работы, например, вычислительного устройства вызван обычно недостаточным объемом памяти при необходимости выполнения большого числа функций; эта причина по следствиям аналогична нестабильности полупроводниковых приборов;

нерациональным построением алгоритма работы устройства, в результате чего возникают нагруженные режимы работы логических элементов. При этом в отдельные участки функционального устройства поступает значительное число импульсов и возникает опасность их попада-

ния в интервалы переходных процессов логических элементов. Причины возникновения сбоев на выходе системы аналогичны причинам

возникновения сбоев логических элементов и функциональных устройств. Вероятность появления сбоев возрастает по мере старения элементов.

При длительной эксплуатации можно выявить определенную статистическую связь между сбоями и устойчивыми отказами: с некоторой вероятностью сбои могут с течением времени переходить в устойчивые отказы.

Внезапный (случайный) отказ – отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров. Внезапные отказы не имеют видимых признаков их появления. В ряде случаев моментом появления внезапных отказов предшествуют накопления необратимых изменений радиоматериалов. В большинстве случаев причинами возникновения внезапных отказов являются короткое замыкание, обрыв, поломка элемента, разрушения вспомогательных материалов (пайки) платы, нарушение контактов, для которых не проводится специального анализа и изучения усталостных характеристик.

Основное свойство внезапных отказов – случайное появление во времени. Такие отказы устраняются путем ремонта изделий.

10