Надежностные схемы электронных устройств. Оценка надежностинадёжности. Методы повышения надежностинадёжности.

При расчете надежности реализации методов диагностики и предсказания отказов используются в основном статистические методы расчета. Статистические методы расчета надежности подразделяются на апостериорные и априорные. Апостериорные методы используют в основном для оценки надежности ЭУ по результатам их испытаний или эксплуатации. Априорные методы применимы для расчета проектной надежности и могут использоваться для предсказания отказов при эксплуатации устройств (SMART- технологии).

Рассмотрим применение статистических методов для расчетарасчёта структурной надежности. Для расчета надежностинадёжности нужно предварительно разработать (составить) функциональную в отношении надежности схему изделия - схему из элементов расчетарасчёта надежностинадёжности. В основу построения такой схемы могут быть положены принципиальная электрическая схема изделия и его конструктивно- технологическое исполнение, где элементы схемы заменяются элементами расчета надежности. Причем соединения между элементами расчетарасчёта надежностинадёжности должны соответствовать нормальному функционированию изделия с учетомучётом вида отказов. Применительно к ЭУ функционально- надежностная схема представляет собой структурнуюсхему из элементов конструкции, соединенныхсоединённых между собой таким образом, что при данном виде отказа ее функционирование осуществляется в соответствии с принципиальной электрическойсхемой. В качестве элементов конструкции понимают весь набор элементов, обусловливающих выполнение ЭУ требуемой функции в определенныхопределённых условиях эксплуатации. К ним относятся: ИС, транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, межблочные соединения, элементы коммутации и корпуса, внешние выводы и др., для которых известны количественные показатели надежностинадёжности. При этом структурная надежностьнадёжность устройства – результирующая надежностьнадёжность изделия при заданной структуре устройства и известных значениях надежностинадёжности всех входящих в него частей и элементов конструкции.

В функционально- надежностной схеме различают последовательное, параллельное и параллельно- последовательное соединения элементов.

Если отказ устройства наступает при выходе из строя любого одного из его элементов, то схема устройства имеет основное (последовательное) соединение элементов.

При расчете предполагается, что отказ элемента является событием случайным и независимым, а наработка на отказ распределена по экспоненциальному закону. Надежность безотказной работы устройства равна произведению вероятностей безотказной работы его элементов:

При параллельном соединении элементов в условии независимости отказов отдельных элементов, вероятность отказа схемы равна произведению вероятностей отказа ее элементов

,

где , отсюда вероятность безотказной работы устройства

Для устройства, состоящего из равнонадежных элементов

Причем, при экспоненциальном распределении интенсивности отказов отдельных элементов, результирующая вероятность не будет соответствовать экспоненциальному закону.

Используя эти соотношения, можно рассчитать вероятность безотказной работы для любого типа параллельно- последовательного соединения элементов. Из множества вариантов параллельно- последовательного соединения наиболее простыми и распространенными являются два варианта.

Если надежностная схема состоит из n последовательных цепочек по m элементов одинаковой надежности p(t), то надежность всей схемы

Если схема состоит из m параллельных цепочек по n элементов одинаковой надежности p(t), то надежность всей схемы

Можно отметить, что P^**>P^*>P. Это неравенство проявляется наиболее сильно при увеличении числа элементов в параллельных цепочках. Явление увеличения надежности системы при параллельном соединении элементов схемы называется параллелизацией.

Наиболее простым способом, позволяющим повысить надежность системы, является параллельное соединение деталей.

Мажоритарные системы. Для изделий электронной техники постепенные отказы элементов малохарактерны. Наиболее вероятны внезапные отказы любого из элементов. В таких случаях наиболее просто повышение надежности реализуется в мажоритарных системах. На рис. показаны расположенные параллельно три подсистемы, имеющие надежности Р. Подсистемы объединены мажоритарным элементом.

Поскольку в двух системах одновременно отказы вряд ли могут возникнуть, создаются такие условия, что система (в целом) не отказывает. При этом надежность

Р^*=3×Р²-2×Р³

Когда Р приближается к единице, Р* существенно больше Р.

Системы с ненагруженным и нагруженным резервом. Работу параллельной высоконадежной системы можно организовать так, что в рабочем состоянии, при всех исправных элементах системы, избыточные элементы будут находиться либо в рабочем, либо в нерабочем состоянии – система с нагруженным и ненагруженным резервом. В параллельных системах повышения надежности с нагруженным резервом функционируют более двух одинаковых элементов. При этом происходит "бесполезное" расходование ресурса резерва, но время переключения между элементами равно нулю.

В системе с ненагруженным резервом при случайном отказе одного из элементов необходимо, во-первых, произвести диагностирование отказа, во-вторых, произвести переключение резервируемых элементов. Надежность переключателя должна намного превышать надежность резервируемых элементов. Дополнительные требования предъявляются и к скорости переключения и характеру переходных процессов при переключении и включении под нагрузку самих резервируемых элементов. Дополнительное снижение надежности происходит в режиме ожидания (хранения) резервных элементов, т.е. расходование резерва происходит и в системах с ненагруженным резервом, но по другому механизму, чем в системах с нагруженным резервом.

Система с нагруженным резервом	Система с ненагруженным резервом

По мере внедрения электронных средств управления необходимость в программных средствах будет возрастать. Разработке программного обеспечения необходимо уделять такое же внимание, как и проектированию самой машины.

Можно выделить два подхода повышения надежности программного обеспечения. Один направлен на то, чтобы на этапе программирования не допустить появления ошибок. Если с самого начала программа составлена без ошибок, то в дальнейшем работа программного обеспечения также будет безошибочна (без учета сбоев аппаратного обеспечения). Проверка программы может свидетельствовать о том, что в ней не существует ошибок, но лишь ошибок, на обнаружение которых настроен алгоритм проверки. Таким образом, проверка не может служить абсолютным доказательством того, что ошибок фактически нет. Процедурой проверки можно соответствующим образом организовать прохождение программы, а также разработать целесообразную структуру переменных. При этом цель программирования в тестовой процедуре можно выразить в более простой форме по сравнению с программой, т.е. исключить из проверки (сознательно или неосознанно) ряд ненадежных процедур. Таким образом, результат тестирования может быть преднамеренно смещенсмещён в положительном направлении (этот приемприём используется производителями программного обеспечения для ПК).

При программировании на любом языке невозможно совершенно исключить ошибки только процедурой лингвинистическойлингвистической и структурной проверки. В таком случае, если на этапе составления программы не удаетсяудаётся полностью исключить ошибки, то необходимо использовать проверки. В этом состоит суть второго подхода.

Проверка программы (программный тест) представляет собой понятие, которое существенно отличается от понятия отладки. Задача этого теста состоит в том, чтобы устранить ошибки (неполадки), содержащиеся внутри программы. При отладке с программой часто непосредственно работает тот, кто ее разрабатывал. Тестирование же является процессом, который объективно и систематически выполняется другими сотрудниками и аппаратурой, не связанной с субъективными факторами. При этом обнаруженные на месте ошибки не исправляются, а возвращаются обратно в программу.

К одному из первых свойств, которым должен обладать тест, следует отнести «детективность». Тестирование должно правильно обнаруживать ошибки, которые могут существовать в программе. Вторым важным свойством является «покрывающая способность», – характеризует, сколько возможных входных условий программы можно проверить тестированием (с их помощью меняется управление программой). Третье важное свойство – "воспроизводимость" (повторяемость). Воспроизводимость характеризует, в какой степени можно свободно задавать входные условия программы. Ошибки, обнаруженные в процессе тестирования, определяются в программе и исправляются. Для скорректированной программы это требует вторичного выполнения процесса тестирования. При этом необходимо провести соответствующие проверки для входных условий, при которых были обнаружены ошибки. Четвертым свойством является «модульность». С точки зрения покрывающей способности и воспроизводимости одноразовое тестирование всей программы неэффективно. Поэтому программу разбивают на модули и проводят тестирование каждого модуля отдельно. Проведение тестирования на модульных единицах требует обеспечения входной среды, необходимой для работы. При тестировании модулей низшего уровня необходимо выполнить замену управляющей программы верхнего уровня, т.е. необходим драйвер (формирователь). При выполнении тестов для модулей верхнего уровня следует использовать соответствующие макеты подпрограмм, которые приводятся в действие этими модулями.