Методы обеспечения и повышения надежности

Методы обеспечения надежности делятся на общие и специальные.

Общие методы реализуются на стадиях проектирования и производства и осуществляются следующими путями: максимальным упрощением принципиальной схемы с одновременным уменьшением числа элементов с невысокой надежностью; ослаблением влияния внешних воздействий герметизацией, амортизацией, охлаждением и т. д.; использованием 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 тренировкой элементов, резервированием и др. Облегчение режима работы схемных элементов снижает интенсивность отказов. Для учета нагрузки и тепловых режимов элементов используют коэффициент нагрузки K_H, представляющий собой отношение рабочих мощностей, напряжений или токов к их номинальным значениям. Практика показывает, что при проектировании аппаратуры ЭВМ следует применять для элементов следующие коэффициенты нагрузки:

транзисторы и диоды 0,3—0,5

резисторы 0,4—0,6

конденсаторы 0,3—0,5

реле, переключатели, выключатели 0,5—0,8

Тренировка элементов обеспечивает сокращение этапа приработки, который характеризуется повышенной опасностью отказов.

Резервирование является наиболее эффективным методом повышения надежности дополнительных элементов, блоков, узлов и устройств, включаемых в работу при отказе основных. 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 и работают одновременно с основными, а при отказах нагрузка перераспределяется. Например, при резервном последовательном включении конденсаторов и параллельном включении резисторов.

Особенно целесообразно использовать резервирование в аппаратуре многократного применения, так как при этом среднее время работы аппаратуры повышается в сотни и даже в тысячи раз. Однако применение резервирования часто ограничивается габаритными размерами и мощностью источников питания.

Расчет надежности

Расчет надежности чаще всего сводится к определению числовых значений наработки на отказ и вероятности безотказной работы P(t) по известным интенсивностям отказов элементов. Методы расчета делят на две группы: приближенный или ориентировочный и полный или окончательный.

Для выполнения приближенного расчета необходимо знать усредненные значения интенсивностей отказов типовых элементов и число N_i элементов определенного типа в каждой группе. В группу объединяются элементы, которые имеют примерно одинаковую интенсивность отказов. Для полного расчета надежности необходимо иметь данные о реальных режимах работы элементов устройства и о зависимостях интенсивностей отказов элементов от температурных, электрических и других режимов и нагрузок.

В практике приближенный и полный расчет надежности обычно выполняют для периода нормальной эксплуатации аппаратуры, т. е. в предположении, что интенсивности отказов элементов и системы постоянны во времени.

При приближенном расчете надежности аппаратуры по среднегрупповым интенсивностям отказов в качестве исходных данных используются значения интенсивностей отказов элементов различных групп и число N_i элементов каждой группы, входящих в систему. Сущность расчета состоит в определении наработки на отказ и вероятности безотказной работы P(t).

Рекомендуется следующий порядок расчета:

1) Элементы проектируемой системы разбивают на группы с примерно одинаковыми интенсивностями отказов и подсчитывают число N_i элементов в каждой группе.

2) По таблицам устанавливают значения интенсивностей отказов элементов в каждой группе.

3) Вычисляют произведения , которые характеризуют долю отказов, вносимых элементами каждой группы.

4) Определяют общую интенсивность отказов системы

5) Вычисляют наработку на отказ Т_о= 1/λ_c.

6) Определяют вероятность безотказной работы

.

Для полного расчета надежности аппаратуры необходимо иметь данные об условиях ее эксплуатации и знать режимы работы всех элементов, составляющих аппаратуру, а также иметь зависимости поправочных коэффициентов а интенсивности отказов от условий эксплуатации
.

Экономичность

Экономичность конструкции ЭВМ определяется затратами на ее разработку, производство и эксплуатацию. При разработке решающим является время, так как изделие может оказаться устаревшим ранее, чем закончится разработка. В свою очередь быстро разработанная конструкция может потребовать большого времени и средств на освоение и производство.

Экономические характеристики сборочных единиц, блоков и всего изделия ВТ во многом зависят от схемы, так как она определяет взаимосвязь входящих в нее элементов и их параметров. Общие показатели функциональной схемы, влияющие на экономические характеристики ВТ, следующие:

а) возможность ее разделения на такие блоки, которые могут получиться конструктивными, технологичными и эксплуатационными автономно;

б) возможность использования недорогих материалов, полуфабрикатов и типовых изделий.

Влияние схемы блока и ее параметров на экономические характеристики определяется числом различных функций, выполняемых схемой; точностью выполнения заданных функций и их взаимосвязью; степенью всех взаимозависимостей элементов и их режимов.

Точность выходных параметров блока зависит от точности параметров первичных элементов. При увеличении точности параметров первичных элементов увеличиваются затраты на разработку и производство.

Наибольший экономический эффект получают при использовании хорошо проверенной схемы. Применение новых схем связано с дополнительными затратами, которые тем больше, чем сложнее схема и чем меньше сведений о ней имеется. Эти затраты могут увеличиться в 5—10 раз по сравнению с затратами при работе с известными схемами. Кроме того, экономические характеристики блока определяются условиями использования типовых изделий и их новизной (микросхемы, транзисторы, резисторы и т. д.). Дорогие и дефицитные типовые изделия и полуфабрикаты также влияют на увеличение стоимости блока, поэтому целесообразно их использовать только в том случае, если они дают заметные технические преимущества.

На экономические характеристики большое влияние оказывают конструктивные и технологические особенности ВТ. Если ВТ сложна, то применяют блочную конструкцию, которая имеет ряд особенностей:

а) возможна параллельная разработка, а это уменьшает время создания всего изделия ВТ;

б) упрощается защита от внешних воздействий;

в) можно широко использовать конструктивную преемственность;

г) усложняются межблочные соединения, увеличивается число деталей за счет соединительных элементов конструкции, а это уменьшает надежность изделия.

С технологической точки зрения блочная конструкция имеет ряд преимуществ, к которым можно отнести возможность параллельного выполнения сборочных работ, а, следовательно, упрощения процесса сборки; взаимозаменяемость и возможность улучшения технологичности всей конструкции.

Взаимозаменяемость влияет на экономические характеристики ВТ как при производстве, так и при эксплуатации. Взаимозаменяемость деталей, сборочных единиц, блоков уменьшает расходы на сборку, налаживание, регулировку и ремонт. В то же время она требует повышенной точности изготовления, что связано с дополнительными затратами. Однако эти затраты быстро окупаются в крупносерийном и массовом производстве.

Материал является основой любой конструкции. Качественные характеристики конструкции зависят в значительной мере от свойств материала. Чем более высокими качествами обладает материал, тем обычно выше его стоимость и он более дефицитен.

Стоимость ВТ зависит от материалов и полуфабрикатов как непосредственно (от стоимости), так и косвенным образом: от конструктивных, технологических, конъюнктурных факторов.

Конструкция зависит от многих материалов, так как ее функциональные показатели обеспечиваются не одним материалом, а сочетанием различных, что приводит к увеличению количества деталей и т. д.

Экономические характеристики технологического процесса зависят в большей степени от технологических свойств материалов, что определяет метод изготовления деталей, применяемое оборудование, инструмент и т. д.

Конъюнктура снабжения играет огромную роль в экономических показателях производственного процесса. Поэтому даже кратковременные срывы сроков получения материалов могут дезорганизовать производство и вызвать большие потери времени и материальных средств. Избежать этого можно только уменьшением номенклатуры применяемых материалов.