Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

9.1 Основные вопросы

- понятие надежности конструкции;

- отказ, виды отказов;

- оценка безотказности;

- законы распределения, применяемые в теории надежности;

- методы обеспечения надежности.

Текст лекции

 

9.2.1 Понятие надежности – до 40 мин

Надежность изделия – свойство изделия сохранять значения установленных параметров функционирования в определенных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортировки в течение определенного срока времени.

Основными понятиями в теории надежности являются работоспособность и отказ.

Работоспособность – состояние ЭВМ, при котором она способна выполнять заданные функции с параметрами, установленными в технической документации.

Отказ – событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности ЭВМ.

Понятие отказа надо отличать от понятия неисправности. Неисправное состояние – состояние ЭВМ в данный момент времени, при котором она не удовлетворяет хотя бы одному из требований, установленных как в отношении основных параметров (характеризующих нормальное выполнение заданных функций), так и в отношении второстепенных параметров (характеризующих внешний вид и удобство эксплуатации). Это понятие не используется для оценки надежности ЭВМ, так как не каждая неисправность может привести к невыполнению ЭВМ заданных функций.

Отказы по характеру изменения параметров аппаратуры до момента их возникновения делятся на внезапные (катастрофические) и постепенные.

По взаимосвязи между собой различают отказы независимые и зависимые.

По наличию внешних признаков отказы бывают явные, т.е. имеющие внешние признаки после их появления, и неявные (скрытые), для обнаружения которых следует провести некоторые действия.

По причине возникновения отказы бывают конструкционные, производственные и эксплуатационные, вызванные нарушениями при конструировании, производстве и эксплуатации, соответственно.

По характеру устранения отказы делят на устойчивые и самоустраняющиеся.

Устойчивый отказ устраняется заменой отказавшего элемента.

Самоустраняющийся отказ исчезает сам, но может повториться. Однократно возникающий самоустраняющийся отказ называется сбоем. Многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера называется перемежающимся отказом.

Надежность – комплексное свойство, которое в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации может включать такие свойства, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость, причем как по отдельности, так и в определенном сочетании этих свойств.

Безотказность – способность ЭВМ непрерывно сохранять заданные функции в течении установленного в технической документации времени.

Долговечность – свойство ЭВМ сохранять при выполнении технического обслуживания и ремонтов работоспособность до наступления предельного состояния (полного выхода из строя).

Календарную продолжительность эксплуатации изделия до полного выхода из строя называют сроком службы.

Сохраняемость – способность ЭВМ сохранять свои показатели в период хранения и транспортировки.

Ремонтопригодность – приспособленность ЭВМ к предупреждению и обнаружению причин отказов и их устранению путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Возникновение отказов происходит как из-за внутренних свойств аппаратуры, так и из-за внешних воздействий, и носит случайный характер. Для количественной оценки отказов используют вероятностные методы.

Все изделия делятся на восстанавливаемые (ремонтируемые) и невосстанавливаемые (неремонтируемые). Невосстанавливаемые ЭВМ в процессе выполнения своих функций не допускают ремонта; восстанавливаемые – в процессе выполнения своих функций допускают ремонт.

Безотказность характеризуется:

· вероятностью безотказной работы P( t) или вероятностью отказа q( t) = 1 – P( t);

· частотой отказов f( t);

· интенсивностью отказов λ( t);

· средней наработкой на отказ T_ср.

Вероятность безотказной работы P( t) – это вероятность того, что в определенных условиях эксплуатации (испытаний) в течение заданного времени t не произойдет ни одного отказа.

Вероятность безотказной работы и частоту отказов можно найти статистически по данным об отказах эксплуатируемых изделий:

,

где N – число испытаний, n – число изделий, отказавших за время испытаний t. При большом N вероятность P совпадает с вероятностью P( t), а частота отказов f – с f( t).

Функция f( t) характеризует скорость снижения надежности во времени:

Интенсивность отказов λ( t) – вероятность того, что в промежутке времени t+Δ t произойдет отказ (при условии, что в момент времени t отказов в системе не было). Т.е. это число отказов в единицу времени, отнесенное к среднему числу изделий, безотказно функционирующих в указанный промежуток времени. Интенсивность отказов характеризует надежность ЭВМ в любой момент времени.

, , ,

где Δ n_i – число отказов в i–ый интервал времени; N_ср – среднее число работоспособных изделий; N_i и N_i+1 – количество работоспособных изделий в начале и в конце промежутка времени Δ t_i.

Интенсивность отказов связана с вероятностью безотказной работы следующим соотношением:

.

Наработка на отказ – объем или продолжительность работы изделия до наступления отказа. Выражается в единицах времени, цикла и т.п. Средняя наработка на отказ называется еще средним временем безотказной работы изделия:

.

Данные показатели характеризуют надежность невосстанавливаемых ЭВМ. Для восстанавливаемых изделий определение этих параметров более сложное. Восстанавливаемые изделия описываются характеристиками потока отказов w( t), наработкой на отказ T, параметром потока восстановления μ ( t), коэффициентом готовности К_г, коэффициентом вынужденного простоя К_п.

Широкое распространение получили простейшие потоки отказов, которые характеризуются тремя свойствами:

· ординарностью;

· стационарностью;

· отсутствием последствий.

Ординарность случайного потока – это вероятность появления только одного отказа в единичном интервале времени.

Стационарность потока заключается в том, что в единицу времени появляется среднее постоянное число отказов.

Отсутствие последействия – вероятность появления отказов в единичном интервале времени не зависит от возникновения отказов в другие моменты времени.

 

9.2.2 Законы распределения, применяемые в теории надежности – до 25 мин

Показатели надежности являются вероятностными характеристиками и для их описания используют разные законы распределения.

Во время эксплуатации аппаратуры выделяются несколько периодов, характеризующихся разной зависимостью интенсивности отказов во времени (см. рис. 9.1).

В начальный период работы (так называемый период приработки) отказы аппаратуры происходят из-за выхода из строя элементов, имевших скрытые производственные дефекты. Продолжительность периода приработки не превышает нескольких процентов от продолжительности периода нормальной эксплуатации ЭВМ.

 

 

Интенсивность отказов в период приработки постепенно снижается до некоторого минимального уровня (λ_min) и остается относительно постоянной в течении второго периода эксплуатации аппаратуры (периода нормальной работы).

В конечный период эксплуатации аппаратуры (период старения и износа) износ элементов идет за счет необратимых физико-химических процессов.

Наиболее часто используемой статистической моделью надежности является экспоненциальная модель распределения. Эта модель основана на предположении о постоянной во времени интенсивности отказов.

Характеристики надежности при этом распределении выглядят следующим образом:

P( t) = e^{- λt} ;

f( t) = λ e^{- λt} ;

λ(t) = Const;

T_ср = 1 / λ.

Экспоненциальная модель распределения хорошо применима при расчетах надежности аппаратуры одноразового применения, содержащей большое число неремонтируемых компонентов. Также данная модель используется для расчета надежности аппаратуры в основной период эксплуатации, исключая начальный период приработки и конечный период старения.

При длительной работе ЭВМ при планировании ее ремонта важно знать не вероятность возникновения отказов, а их число за определенный период эксплуатации. В этом случае применяют распределение Пуассона, позволяющее подсчитать вероятность появления любого числа случайных событий за некоторый период времени.

Вероятность отсутствия отказа за время t составляет:

P₀ = e ^-λt .

Вероятность появления i отказов за время t:

Pi = λⁱ tⁱ e^{- λt} / i!.

Для оценки надежности в период приработки аппаратуры используют закон Вейбулла. Это двухпараметрический закон (два параметра – λ₀ и α), при α=1 переходит в экспоненциальный закон распределения:

P(t) = exp(-λ₀ t^α), t 0, λ₀ > 0, α > 0;

f(t) = λ₀ α t ^α-1 exp(-λ₀ t^α);

λ(t) = λ₀ α t ^α-1;

T_ср = λ₀^{-1 / λ} Г (1 + 1/ α).

В период старения и износа отказы зависят от большого числа факторов, влияние каждого из которых однородно. Поэтому для оценки надежности в этот период используют нормальный закон распределения и распределение Релея.

Для распределения Релея (С – параметр распределения):

P(t) = exp(-t² / 2C²);

f(t) = (t/C²) exp(-t² / 2C² );

λ( t) = t/ C²;

T_ср = C .

Для нормального закона распределения:

.

где  – среднеквадратичное отклонение, а  – матожидание.

 

9.2.3 Методы обеспечения и повышения надежности – до 15 мин

Методы обеспечения надежности делятся на общие и специальные.

Общие методы обеспечения надежности реализуются на стадиях проектирования и производст­ва путем: максимального упрощения принципиальной схемы с одновременным уменьшением числа элементов с невысокой надежностью; ослабления влияния внешних воздействий гер­метизацией, амортизацией, охлаждением и т. д.; использования унифици­рованных блоков, проверенных и отработанных в условиях массового про­изводства и имеющих высокую надежность.

Специальные методы реализуются путем облегчения режима работы элементов схем и конструкции, предварительной тренировки элементов, резервирования и др.

Облегчение режима работы схемных элементов сни­жает интенсивность отказов. Для учета нагрузки и тепловых режимов эле­ментов используют коэффициент нагрузки К_Н, представляющий собой от­ношение рабочих мощностей, напряжений или токов к их номинальным значениям. При проектировании ЭВМ и систем для транзисторов и диодов коэффициенты нагрузки К_Н должны находиться в пределах 0,3…0,5; для резисторов – 0,4…0,6; для конденсаторов – 0,3…0,5; для реле, переключателей, выключателей – 0,5…0,8.

Для сокращения этапа приработки используется предварительная тренировка элементов.

Резервирование является наиболее эффективным методом повышения надежности, оно осуществляется внесением в конструкцию ЭВМ дополнительных элементов, блоков, узлов и устройств, вклю­чаемых в работу при отказе основных. Резервирование может быть общим (дублируются целые блоки или вся ЭВМ) и поэлементным (дублирование осуществляется на уровне микросхем или отдельных элементов). Отношение числа резервных элемен­тов к числу основных называется кратностью резервирования.

Различают резервирование замещением и постоянное резервирование.

При резервиро­вании замещением резервный блок включается в работу переключением вручную или автоматически. При постоянном резервировании резервные элементы включены одновременно с основными и функционируют в тех же режимах, а при отказах нагрузка перераспределяется между оставшимися работоспособными элементами (например, при резервном последовательном включении конденсаторов и параллельном включении резисторов).

Применение резерви­рования ограничивается габаритными размерами изделия, мощностью источ­ников питания, необходимостью разработки дополнительных схем по обнаружению отказов и переключению с отказавших элементов на резервные.

Для повышения надежности ЭВМ часто используют информационные методы, которые реализуются в виде корректирующих кодов, позволяющих обнаруживать и исправлять ошибки без прерывания работы устройства.

Корректирующие коды предусматривают введение некоторой избыточности. Избыточность бывает временной и пространственной.

Временная избыточность связана с увеличением времени решения задачи (задача решается несколько раз) и вводится программным путем, являясь основой программного способа обнаружения и исправления ошибок.

Пространственная избыточность заключается в удлинении кодов чисел, в которые вводят дополнительные (контрольные) разряды.