Розділ 5 МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ

5.1 Заходи, що використовуються для підвищення надійності технічних засобів

Розглянуті в попередніх розділах питання дозволяють виділити основні напрямки робіт з підвищення надійності ТЗ. При цьому можна виділити чотири групи заходів щодо підвищення надійності ТЗ при їхньому проектуванні:

- системні;

- структурні (схемні);

- конструктивні;

- експлуатаційні.

До системних методів відносяться організаційно-економічні заходи щодо стимулювання підвищення надійності і ряд технічних заходів.

Одним із шляхів стимулювання підвищення надійності є включення у вартість ТЗ витрат на гарантійні ремонт і обслуговування. При цьому розроблювач враховує, що при підвищенні надійності зменшуються витрати на гарантійний ремонт і обслуговування, тобто прибуток стає найбільшим при певному значенні показника надійності, який перевищує максимально допустимий рівень. У цьому випадку розробники та виготовлювачі ТЗ прагнуть дізнатись цей рівень і досягти його. Отже, стимулюються точні оцінки надійності та її підвищення. Іншим шляхом стимулювання підвищення надійності є планування витрат на весь термін служби проектовного ТЗ.

Технічні заходи щодо оформлення показників надійності проектовних ТЗ необхідні при будь-якій системі взаємин замовника і розробника. До технічних заходів відносяться облік зовнішніх впливів на проектовні технічні засоби:

а) робочі (важкий ударно-вібраційний режим, температурний режим, агресивне хімічне середовище, ядерна реакція);

б) кліматичні (температура, вологість, домішки в повітрі);

в) біологічні (грибок або цвіль, комахи, гризуни).

Структурні (схемні) методи поєднують заходи щодо підвищення надійності ТЗ шляхом вдосконалювання принципів їхньої будови.

Ці методи відрізняються великою розмаїтістю й інтенсивно розвиваються. До них відносяться, наприклад, варіанти будови ТЗ, нечутливих до появи відмов, за рахунок введення надлишкових апаратурних і програмних засобів. При цьому можуть використовуватися і апаратні (наприклад, резервування) і програмні (наприклад, порівняння результатів надлишкових обчислень) засоби. У ряді випадків також можуть застосовуватися й апаратно-програмні засоби виявлення відмов елементів і відновлення ТЗ. Більш детально структурні (схемні) методи підвищення надійності будуть розглянуті далі.

До конструктивних методів відносяться заходи щодо створення та вибору елементів, вузлів або блоків ТЗ, створення сприятливих режимів роботи, вживання заходів щодо полегшення ремонтів і т. ін. При цьому звичайно виявляються більш надійними ті елементи, вузли або блоки ТЗ, що не мають деталей, тонких обмоток, ниток розжарення тощо.

Час усунення відмови можна істотно зменшити шляхом побудови ТЗ за блоко-вузловим способом. При цьому всі ТЗ розбиваються на окремі функціонально закінчені блоки, що в електронних системах з'єднуються між собою кабелями, а в механічних – зв'язуються кінематично. Блоки у свою чергу розбиваються на функціонально закінчені вузли, виконувані у вигляді легкознімних конструкцій. При такій будові ТЗ відновлення полягає в заміні несправних блоків або вузлів, що значно прискорює процес введення ТЗ у роботу. Здійснення блочно-вузлових конструкцій тісно позв'язано з уніфікацією елементів і систем, що виконується на основі відбору найбільш надійних варіантів. При цьому не тільки підвищується надійність ТЗ, але і знижується їх вартість, і спрощується виготовлення. У ряді випадків вдається створити дуже складні ТЗ з елементів двох-трьох типів.

Планування експлуатаційних заходів на стадії проектування ТЗ полягає в розробці системи експлуатаційного забезпечення. Проектування ТЗ при цьому повинно здійснюватися відповідно до номенклатури робіт з технічного обслуговування. Наприклад, для планування періодичного регулювання визначних параметрів ТЗ необхідно передбачити можливість контролю і прогнозування значень цих параметрів.

Як уже згадувалось, структурні (схемні) і конструктивні методи підвищення надійності безумовно є основними для забезпечення відповідного рівня надійності розроблюваних ТЗ.

Розглядаючи ці методи необхідно підкреслити таке.

У першу чергу надійність ТЗ досягається за рахунок використання високонадійних елементів. Впровадження напівпровідникових приладів замість електровакуумних дозволило, як відомо, підвищити надійність технічних засобів більш ніж на порядок за рахунок того, що фізичні процеси в напівпровідникових приладах забезпечують їх функціонування при менших живильних напругах, розсіювальних потужностях і, відповідно, температурах.

Подальший розвиток елементної бази полягав в створенні інтегральних мікросхем (ІМС). За останні 20–30 років ІМС розвивалися бурхливими темпами і послідовно були створені інтегральні схеми малого, середнього і великого (ВІС) ступеня інтеграції. В даний час створюються дуже великі ІМС, що містять тисячі, десятки тисяч навіть сотні тисяч елементів. Технологія ІМС безупинно вдосконалювалася, і це привело до того, що, незважаючи на різке збільшення числа елементів на одному кристалі, надійність окремого кристала залишалася такою ж, причому інтенсивність відмов схеми, розміщеної на кристалі, складала приблизно .

Подальший розвиток елементів автоматики і обчислювальної техніки буде спрямований шляхом підвищення ступеня інтеграції в ІМС, використання оптичних елементів, а також впровадження нових типів друкованих плат, у тому числі багатошарових плат, контактних з'єднань тощо.

При проектуванні ТЗ необхідно особливу увагу приділяти підбору стандартизованих і уніфікованих елементів, використання яких значно підвищує надійність, тому що ці елементи відпрацьовані найкращим чином в схемному, конструктивному і технологічному відношенні.

Другим шляхом підвищення надійності є забезпечення оптимальних режимів роботи елементів і, насамперед, електричних режимів. Досвід експлуатації елементів показує, що оптимальне значення коефіцієнта навантаження, при яких інтенсивність раптових відмов найменша, знаходиться в межах 0,2 – 0,4. Крім того, встановлено, що при цих же значеннях коефіцієнта навантаження параметри елементів повільніше відхиляються від номінальних значень. При цьому велике значення має вибір коефіцієнта навантаження за тепловим, механічним і радіаційним режимом. Зазначені режими значною мірою залежать від конструкції пристроїв, а також від прийнятих технічних рішень. Природно, що це повинно враховуватися в процесі проектування.

Одним з найбільш ефективних засобів підвищення надійності є резервування, тобто введення надлишку. Досвід використання різних методів резервування в ТЗ показує, що постійне резервування може використовуватися до окремих елементів або схем. Для складних ТЗ звичайно застосовується резервування заміщенням, що також використовується і для окремих пристроїв. Часто, наприклад, у системах автоматичного управління використовуються мажоритарне резервування і самокоригувальні коди.

Тимчасове резервування широко використовується в засобах обчислювальної техніки. Його конкретна реалізація, наприклад, здійснюється способом подвійного – потрійного підрахунку. Наприклад, певна задача розв’язується двічі, і порівнюються отримані результати. Збіг результатів означає, що відмова і збої відсутні і можна переходити до розв’язання наступних задач. У випадку розбіжності результатів, що означає відмову або збій у роботі пристрою, потрібно розв’язання повторити.

Тимчасове резервування використовується також при тестовому контролі, тобто періодичному розв’язанні спеціальних задач з відомими відповідями. Очевидно, що в цьому випадку на підставі порівняння отриманого результату з відомим можна судити про роботоздатність пристрою. Причому, чим більше часу виділяється на тестовий контроль і чим частіше він проводиться, тим з більшою вірогідністю можна судити про роботоздатність контрольованого пристрою.

Одним із спеціальних методів підвищення надійності є використання самонастроюваних і самоорганізуючих систем.

Особливо важливим є принцип самоорганізації. Для його реалізації створюються, наприклад, такі системи автоматичного керування, що здатні змінювати свою структуру в процесі функціонування.

Як уже згадувалось, ефективним методом підвищення надійності є відновлення несправних ТЗ. Тут основним питанням є виявлення факту відмови і пошук елементів, що відмовили. Така задача може бути вирішена за допомогою діагностування ТЗ, наприклад, при використанні автоматизованих систем контролю, де як основна центральна ланка застосовується ЕОМ, що забезпечує перевірку великого числа контрольних точок протягом невеликого проміжку часу.

Свої особливості при цьому має діагностування засобів обчислювальної техніки. Тут широке застосування знаходять методи діагностування, засновані на використанні різних логічних співвідношень, інформаційного та алгоритмічного резерву.

В даний час у засобах обчислювальної техніки все ширше використовується сигнатурний аналіз, що заснований на стиску інформації і поданні її масивів у вигляді їхніх спеціальних образів – сигнатур.

Аналіз сигнатур при обробці різних масивів інформації дозволяє зробити висновки про працездатність засобів.

Крім того, час відновлення значно скорочується за рахунок забезпечення доступності всіх вузлів ТЗ для огляду, тобто визначається ремонтопридатність розроблювальних конструкцій.

Зокрема, наприклад, у засобах обчислювальної техніки прийнято чотири конструктивних рівні:

- ІМС і радіоелементи;

- типові елементи заміни (ТЕЗ), що являють собою друковані плати з розміщеними на них ІМС;

- рами, у яких розміщаються ТЕЗ;

- шафи, у яких кріпляться рами.

При такій конструкції засобів заміна елементів, що відмовили, здійснюється шляхом заміни ТЕЗ, а несправні ТЕЗ надходять у ремонт.

Велике значення для забезпечення надійності, як уже неодноразово

згадувалося, має якість виготовлення ТЗ, що визначається технологічною дисципліною, організацією контролю на всіх стадіях проектування, виробництва, проведення випробувань та якістю комплектуючих і матеріалів. Тут також має велике значення якість експлуатації, прийнята система технічного обслуговування, підготовленість обслуговуючого персоналу і ряд інших факторів.

Аналіз надійності ТЗ показує, що приблизно 40–45% усіх відмов виникає в апаратурі через помилки на етапі проектування, 20% – від помилок, допущених при виробництві, 30% – від неправильної експлуатації, 5–10% – від природного зносу і старіння.

Таким чином, як видно з викладеного матеріалу, існує досить велика кількість напрямків підвищення надійності ТЗ і їхніх складових частин.

Однак із усіх перерахованих вище напрямків і шляхів необхідно підкреслити важливість, а також певну специфіку методів резервування, які розглянемо більш детально.