Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

надежн / Лекции / лекция 1

.doc
Скачиваний:
32
Добавлен:
07.02.2016
Размер:
81.92 Кб
Скачать

Лекция 1. Вступление.

Основные понятия и определения.

Цель и задачи курса.

Классификациях дефектов в приборах ЭВМ.

Классификация видов диагностики.

Определение надежности. Проектирование сложных систем немыслимо без учета и анализа надежности. Недостаточная на­дежность может привести не только к чрезмерным эксплуатацион­ным издержкам (ремонт и восстановление), но и к более тяжким последствиям (невыполнение задачи, опасные ситуации, аварии). Методы теории вероятностей и математической статистики позво­ляют устанавливать количественные показатели надежности, сравнивать различные варианты по этим показателям, упрощать и сокращать процесс выбора лучшего варианта проектируемой системы.

В связи с возросшей сложностью, а также из-за высоких требований, предъявляемых к работе ЭВМ, большое внимание в процессе разработки, изготовления и эксплуатации машин уделяется повышению надежности. Надежность ЭВМ или ее отдельных узлов и блоков — это свойство вычислительной машины (и ее элементов) выполнять в течение требуемого времени заданные функции при определенных условиях эксплуатации.

Повышение надежности — одна из основных проблем, стоящих перед конст­рукторами — разработчиками ЭВМ. Основным путем повышения надежности ЭВМ является повышение надежности каждого ее элемента. Действительно, чем больше элементов и связей в электронной машине, тем больше вероятность отказа ЭВМ из-за выхода из строя какого-либо ее элемента.

Будем рассматривать "Систему" как совокупность устройств, характеризующуюся выбранным числом параметров.

На эффективность системы оказывают влияние взаимодействие независимых факторов. Некоторые из этих факторов присущи самой системе при ее проектировании, изготовлении и эксплуатации. Другие факторы, воздействующие на эффективность, являются внешними.

Требование к эффективности данной системы может зависеть от времени, в течении которого она должна оставаться работоспособной, может зависеть также и от цены, достижимой точности, веса или габаритов и, наконец, от надежности системы. Любое требование, основывающееся лишь на чем-то одном: времени, стоимости, точности, весе, надежности и т.д., значительно упрощает рассмотрение. Однако требования, которые инженеры предъявляют к проектируемой системе, оказываются гораздо более сложными. Задача проектировщика усложняется не только тем, что имеется набор разноречивых требований, но и тем, что они заданы почти всегда в весьма неясной форме. Сравнительная важность факторов, действующих на эффективность системы, часто может быть оценена лишь после ее создания.

Однако в настоящее время существует определенная тенденция считать характеристики надежности наиболее важными.

Разница между проектированием устройств и проектированием систем заключается в более широком привлечении методов организации и информации. Сложные системы могут выполнять многочисленные функции, иметь много входных каналов, преобразовывать и выдавать много выходных данных и иметь большую стоимость. Поэтому при проектировании сложной системы дополнительно к характеристикам, описывающим поведение отдельных устройств, необходимо учитывать характеристики всей системы. Только широкое рассмотрение позволит выбрать оптимальный способ создания системы с требуемым уровнем эксплуатационной надежности.

Заданная характеристика надежности системы определяется исходя из ее назначения. На начальной стадии проектирования системы определяется тип и минимальное число устройств в схеме. Затем определяется структура этих устройств, позволяющих получить заданную характеристику надежности. После того как выяснена структура отдельных частей, выбирается интенсивность отказа и интенсивность восстановления элементов каждого устройства в соответствии с заданным уровнем надежности. В процессе создания системы производится постоянная переоценка способов достижения заданной надежности при минимальных затратах.

Главной идеей при проектировании системы является отыскание путей, позволяющих получить все важные параметры системы, при которых не было бы оснований к серьезным переделкам и система была бы оптимальной с точки зрения большинства требований.

Первой задачей при проектировании надежной системы является определение способов, с помощью которых требования по надежности будут выполнены наилучшим образом. Естественно, эти способы необходимо выбирать, рассматривая требования по надежности во взаимосвязи с другими важными характеристиками системы. Эти способы должны позволить выбрать надежные системы с наилучшей эффективностью, затем сделать заключение о необходимых усилиях при проектировании, помочь определить отказы, которые влияют на выбранную величину надежности. И, наконец, что также очень важно, они должны помочь достигнуть такого уровня надежности системы, который ограничен стоимостью проектирования. Выбор характеристик надежности производится исходя из названного круга вопросов.

Проектирование сложной системы включает в себя многочисленные проблемы, которые обычно находятся в тесной связи. Сложность проблем, возникающих при проектировании систем уменьшается по мере конкретизации задач, четкого определения ограничений и наличия исчерпывающей информации о разработанных ранее более простых системах.

Один из основных параметров ЭВМ - надежность - зависит как от надежности используемой элементной базы, так и от принятых схемотехнических и конструкторских решений. Учитывая значимость современной ЭВМ в хозяйственной деятельности человека, требования к ее надежности постоянно повышают. Это связано с тем, что от правильной работы ЭВМ зависят ход выполнения технологического процесса, достоверность получения результатов расчетов, жизнеобеспечение космического аппарата и т. д. Поэтому вопросам повышения надежности ЭВМ на всех этапах ее проектирования и производства уделяется самое большое внимание.

Терминологические определения не являются ведущими в надежности, однако, изложение теории надежности необходимо начать с определения основных понятий.

Элемент—один или несколько однотипных устройств, предметов, испытуемых образцов, имеющих количественные характеристики надежности, учитываемые при расчете надежности всего соединения. Следует отличать данное понятие от подобного, принятого в АСУ и вычислительной технике (ВТ). Если в теории надежности элементом могут быть и деталь, и узел, и прибор в зависимости от того, какая количественная характеристика надежности учитывается самостоятельно при расчете надежности, то в ВТ под элементом понимается простейшая запоминающая, логическая или нормализующая схема, не имеющая самостоятельного функционального назначения. Элементы схем ЭВМ состоят из радиоэлектронных приборов (радиоламп, транзисторов и т. д.), деталей (резисторов, конденсаторов, трансформаторов, дросселей, панелей, разъемов) и вспомогательных материалов (проводов, припоев, крепежа и т. д.).

Ячейка—отдельная механическая конструкция, не имеющая самостоятельного функционального назначения.

Узел (блок)—несколько деталей, ячеек, объединенных для выполнения определенной функции, но не имеющих как целое самостоятельного эксплуатационного назначения. Примером узлов в ВТ могут служить регистр команд, счетчик циклов, дешифратор операций, сумматор адреса, программный датчик, блок выработки признаков и др.

Устройство—соединение деталей, узлов, имеющее самостоятельное эксплуатационное назначение [блок питания, арифметическое устройство (АУ) и т.д.].

Прибор—группа блоков, имеющая конструктивно самостоятельное назначение. Установка—группа приборов.

Система—устройство, состоящее из нескольких, установок. Надежность его имеет самостоятельное значение. Различают системы восстанавливаемые (после отказов их можно ремонтировать) и невосстанавливаемые. Системы могут быть однократно и многократно использованы. Электронная вычислительная машина может представлять собой самостоятельную систему, полностью выполняющую определенные задачи, или входить в качестве одного из объектов в более сложные системы.

Надежность ЭВМ—свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах в течение требуемого промежутка времени, и возможность возобновления функционирования, утраченного по тем или иным причинам.

В любой момент времени ЭВМ может находиться в исправном или неисправном состоянии. Если ЭВМ в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение вычислительных процессов (точность, быстродействие и др.), так и в отношении второстепенных параметров, характеризующих внешний вид и удобство эксплуатации, то такое состояние называют исправным состоянием. В соответствии с этим определением неисправное состояние— состояние ЭВМ, при котором она в данный момент времени не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, установленных в отношении как основных, так и второстепенных параметров.

Однако не каждая неисправность приводит к невыполнению ЭВМ заданных функций в отношении основных параметров. Например, образование вмятин или ржавчины на корпусе машины, выход из строя лампочек подсветки не могут препятствовать эксплуатации ЭВМ. Поэтому для оценки надежности систем введены понятия “работоспособность” и “отказ”.

Работоспособность—состояние, ЭВМ, при котором она в данный момент времени соответствует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих

Отказ— событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности системы. Отказ наступает всякий раз, когда устройство не сохраняет своих параметров в заданных пределах. Например, ухудшение точности ниже заданного предела есть отказ, хотя система работоспособна. Так как не всякая неисправность приводит к отказу, то на практике различают неисправности основные и второстепенные. Основные неисправности приводят к отказу. Второстепенные неисправности не приводят к отказу, однако создают неудобства в эксплуатации и портят внешний вид ЭВМ. Поэтому второстепенные неисправности целесообразно своевременно устранять.

Возникновение отказа во времени - случайное событие, что позволяет для оценки надежности ЭВМ использовать методы теории вероятности и математической cтатистики.

Чтобы определить влияние на характеристики ЭВМ отказов различного вида, целесообразно произвести их классификацию. По степеням воздействия— полные и частичные; по характеру воздействия—самовосстанавливающиеся, временные и перемежающиеся; по характеру и объему устранения—расстройки, повреждения и аварии. По характеру изменения параметров до момента возникновения отказы делят на внезапные и постепенные. Внезапные (катастрофические) отказы возникают в результате мгновенного (резкого, скачкообразного) изменения одного или нескольких параметров элементов, из которых построена ЭВМ (обрыв или короткое замыкание). Устранение внезапного отказа производят заменой отказавшего элемента (блока, устройства) исправным или его ремонтом. Постепенные отказы возникают в результате постепенного изменения параметров элементов до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов (старение элементов, воздействие окружающей среды, колебания температуры, влажности, давления, уровня радиации и т. п.), механические воздействия (вибрации, удары, перегрузки). Важной задачей надежности является прогнозирование отказов такого типа. Деление отказов на внезапные и постепенные является в некоторой степени условным, однако удобным при анализе систем. Характер отказа оказывает решающее влияние на методику расчета надежности, на способы построения надежных схем, на способы обнаружения места отказа. Устранение постепенного отказа связано либо с заменой, ремонтом, регулировкой параметров отказавшего элемента, либо с компенсацией за счет изменения параметров других элементов.

По характеру устранения отказы делят на устойчивые (окончательный) и самоустраняющиеся (перемежающий). Для устранения устойчивых отказов оператор, обслуживающий ЭВМ, должен отрегулировать или заменить отказавший элемент. Самоустраняющиеся отказы исчезают без вмешательства оператора и проявляются в форме сбоя или перемежающего отказа. Сбой - однократно возникающий самоустраняющийся отказ, возникающий в результате временно действующих причин.

Если несколько сбоев следуют друг за другом, то имеет место перемежающийся отказ. Отказ типа сбоя особенно характерен для ЭВМ. Появление сбоев обусловливается внешними и внутренними факторами. К внешним факторам относятся колебания напряжения питания, вибрации, температурные колебания. Специальными мерами (стабилизации питания, амортизация, термостатирование и др.) влияние этих факторов может быть значительно ослаблено. К внутренним факторам относятся флуктуационные колебания параметров элементов, несинхронность работы отдельных устройств, внутренние шумы и наводки.

Если в ЭВМ возникает сразу несколько отказов, то по их взаимной связи различают независимые отказы (возникновение их не связано с предшествующими отказами, не зависит от исправного или неисправного состояния других элементов аппаратуры) и зависимые (появление их вызвано отказом в предыдущий момент времени).

По внешним проявлениям отказы делят на явные и неявные. Явные отказы обнаруживаются при внешнем осмотре, а неявные отказы -специальными методами контроля.

Введенное выше понятие "отказ" позволяет рассмотреть основные эксплуатационные свойства ЭВМ: безотказность, ремонтоспособность, долговечность, сохраняемость. Безотказность- свойство ЭВМ непрерывно сохранять работоспособность в заданных режимах и условиях эксплуатации без вынужденных простоев. Это свойство характеризует функционирование системы до первого отказа и используется при оценке надежности ЭВМ одноразового применения. Ремонтоспособность - свойство ЭВМ, заключающееся в приспособлении к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Долговечность- свойство ЭВМ сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Необходимо отметить, что предельное состояние определяется технической непригодностью ЭВМ из-за снижения эффективности или требований техники безопасности и оговаривается в технической документации. Сохраняемость - свойство изделия сохранять эксплуатационные показатели в течение заданного срока хранения и после него. Это свойство характеризует безопасность ЭВМ в режиме хранения.

Надежность как сочетание свойств безотказности, ремонтоспособности, долговечности и сохраняемости и сами эти качества количественно характеризуются различными функциями и числовыми параметрами. Правильный выбор количественных показателей надежности ЭВМ позволяет объективно сравнивать технические характеристики различных вычислительных систем как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации (правильный выбор системы элементов, технические обоснования работы по эксплуатации и ремонту ЭВМ, объем необходимого запасного имущества и др.).

При определении надежности ЭВМ необходимо знать: а) процесс возникновения отказов устройств ЭВМ; б) конфигурацию системы, которая описывает характер соединения устройств и правила их работы; в) порядок обслуживания и ремонт устройств ЭВМ.

Процесс возникновения отказов в ЭВМ обычно описывается сложными вероятностными законами. Поэтому в инженерной практике для оценки надежности ЭВМ вводят количественные характеристики, для определения которых обычно используют экспериментальные данные и последующую их обработку.

Рассмотренные определения позволяют сделать вывод о том, что надежность можно характеризовать как способность изделия работать безотказно в заданных условиях эксплуатации в течении требуемого промежутка времени. В наиболее общих случаях надежность АСУ и вычислительных машин определяется как сочетание безотказности, ремонтопригодности и долговечности. Безотказность (надежность в узком смысле) характеризуется закономерностями возникновения отказов, ремонтопри­годность—закономерностями их устранения и предупреждения, долговечность— продолжительностью действия этих закономерностей, их постепенным изменением на протяжении срока службы.

С точки зрения надежности различают следующие виды соединений элементов: основное или последовательное, резервное и смешанное. Если в состав соединения входят только необходимые элементы и при этом отсутствуют резервные, то отказ хотя бы одного элемента приводит к выходу из строя всей системы. Такое соединение элементов принято называть основным или последовательным. Если в системе имеются резервные элементы, узлы или блоки, то ее отказ наступает лишь тогда, когда выходит из строя не только основной, но и заменяющий его резервный элемент, узел или блок. В этом случае мы говорим о резервном соединении. Смешанное соединение элементов представляет собой сочетание основного и резервного соединений. Простые системы. Они при отказе элементов либо полностью теряют работоспособность, либо продолжают свои функции в полном объеме, если отказавший элемент зарезервирован. Такие системы могут находиться только в двух состояниях: рабочем и нерабочем.

Сложные системы. Они обладают способностью при отказе элементов продолжать выполнение своих функций, но с пониженной эффективностью, т. е. могут находиться в нескольких рабочих состояниях. К сложным системам обычно относят многоканальные комплексы с разветвленной структурой, состоящие из нескольких самостоятельных, но взаимосвязанных устройств, например автоматизированные системы управления ПВО, предприятиями и др.

В работе изделия существуют 3 периода.

1

2

3

t

Рисунок 1.

На рисунке 1 показан график зависимости интенсивности отказов от времени эксплуатации.

1 - период приработки, характеризуется приработочными отказами.

2 - период нормальной эксплуатации, характеризуется внезапными отказами.

3 - период износа - внезапные и износовые отказы.

Понятие надежности включает в себя качественные и количественные характеристики.

Качественные:

- безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течении некоторого времени или некоторой наработки

- ремонтопригодность - свойство изделия, приспособленность к :

предупреждению возможных причин возникновения отказа

обнаружению причин возникшего отказа или повреждения

устранению последствий возникшего отказа или повреждения путем ремонта или технического обслуживания

- долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния (состояние при котором его дальнейшее применение или восстановление невозможно)

- сохраняемость - сохранение работоспособности при хранении и транспортировке.

Количественные характеристики:

-t

- вероятность безотказной работы: Р = e

- средняя наработка на отказ: Тср. = 1/изд.

- интенсивность отказа: изд. = 1 + 2 + ... + n

- вероятность отказа: q = 1 - P.

Q, P

1

Q (t)

P (t)

t

Рисунок 2.

Интенсивность отказов зависит так же от коэффициента нагрузки (Кн) и от температуры окружающей среды (tокр), которая влияет на коэффициент α (коэффициент влияния).

Контрольные вопросы:

1. Что понимается под работоспособностью ЭВМ?

2. Что значат безотказность и надежность машины?'

3. Как оценивается производительность ЭВМ?

Соседние файлы в папке Лекции