CC BY
72
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
ЛИТЕРАТУРА
1. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н. Методика выявления скрытых дефектов интегральных схем и аппаратуры // Надежность и контроль качества. Ежемесячное приложение к журналу "Стандарты и качество". 2013. № 11. С. 19-31.
2. Увайсов С. У., Иванов И. А., Гольдберг О. Д., Иванов О. А. Обеспечение качества характеристик источников бесперебойного питания в условиях помех, вызванных нелинейной нагрузкой // Технологии электромагнитной совместимости. 2013. № 3. С. 55-64.
3. Аминев Д. А., Козырев А. А., Кудрявцев Д. Ю., Увайсов С. У. Алгоритм определения наличия аварийного электрического разряда в сетях электропитания // Датчики и системы. 2013. № 2. С. 4951.
4. Абрамешин А.Е., Аминев Д.А., Лисицын И.Ю., Увайсов С.У. Испытания бортовой спутниковой навигационной системы на виброклиматические воздействия. // Innovative Information Technologies: Materials of the International scientific - ргас^са1 conference. Part 3. - Прага. -2013. - С. 18-23.
5. Увайсов С. У., Иванов И. А., Увайсов Р. И. Показатели контролепригодности радиоэлектронной аппаратуры // Мир измерений. 2008. № 3. С. 47-51.
6. Увайсов С. У., Иванов И. А. Обеспечение контролепригодности радиоэлектронных средств в рамках CALS-технологий // Качество. Инновации. Образование. 2011. № 1. С. 43-46.
7. Увайсов С. У., Аминев Д. А., Лисицын И. Ю. Защита бортовой спутниковой навигационной системы от кратковременного пропадания электропитания и электромагнитных помех // Технологии электромагнитной совместимости. 2013. № 3(46). С. 45-49.
8. Увайсов С. У., Аминев Д. А., Лисицын И. Ю. Система регистрации бортовой спутниковой навигационной системы при испытаниях на виброклиматические воздействия // В кн.: Надежность и качество - 2013: труды Международного симпозиума Т. 2. Пенза : Издательство ПГУ, 2013. С. 377-379.
9. Лисицын И. Ю. Анализ современного состояния и проблем проектирования импульсных источников питания // Конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, -Москва. -17-28 февраля 2013.
10. Лисицын И. Ю. Обзор современных отечественных микросхем управления питанием бортовых высокопроизводительных микропроцессоров // Конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, -Москва. -17-28 февраля 2014.
11. Акбашев Б. Б., Балюк Н. В., Кечиев Л. Н. Защита объектов телекоммуникаций от электромагнитных воздействий. М. : Грифон, 2013.
12. Кечиев Л. Н., Балюк Н. В., Степанов П. В. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на электронные средства и методы защиты. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.
УДК 629.7.054.07
Свиридов А.С., Колганов А.А., Лисицын И.Ю., Увайсов С.У.
Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАЛОШУМЯЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ ПРЕСЕЛЕКТОРА СИГНАЛА СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ДИСКРЕТНОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ
Введение
Проектирование малошумящего усилителя пресе-лектора сигнала спутниковых навигационных систем является сложной и трудоёмкой задачей, с которой сталкивается разработчик радиоаппаратуры. Использование матриц рассеяния, состоящих из набора S-параметров, позволяет решить большинство теоретических и практических задач при проектировании ВЧ и СВЧ электроники. Элементы матрицы рассеяния многополюсника формально связаны с такими измерениями, как
- коэффициент отражения по входу - параметр Б11;
- коэффициент отражения по выходу - параметр Б22;
- коэффициент передачи в прямом направлении - параметр S21;
- коэффициент передачи в обратном направлении - параметр S12.
Измеренные Б-параметры могут легко быть импортированы в программы автоматизации разработки электронных устройств, высокочастотного моделирования и оптимизации. А современная тенденция интеграции программ моделирования радиоэлектронных устройств с измерительными приборами позволяет решать сложные задачи по проверке адекватности моделей устройств и создавать конечные решения, гарантирующие успешную разработку устройства с первой попытки. При этом из множества средств измерения необходим только анализатор электрических цепей, позволяющий измерять коэффициенты передачи и отражения.
Проектирование и оптимизацию разрабатываемого МШУ предлагается выполнять в четыре этапа, каждый этап содержит в себе последовательность действий, необходимых для достижения результата.
Этап 1
На первом этапе проектирования МШУ необходимо определить основные тактико-технические характеристики (ТТХ) проектируемого МШУ.
К основным ТТХ МШУ можно отнести:
- диапазон рабочих частот;
- коэффициент усиления (Gain);
- неравномерность АЧХ;
- коэффициент шума - NF;
- коэффициент стоячей волны (VSWR) по входу;
- коэффициент стоячей волны (VSWR) по выходу;
- входной импеданс;
- выходной импеданс;
- напряжение питания - Vcc;
- потребляемый ток - Icc;
- рабочий диапазон температур;
- предельный диапазон рабочих температур;
- интермодуляционные составляющие 3-го порядка - IIP3;
- точка однодецибельной компрессии - P1dB.
Опираясь на назначение и условия эксплуатации МШУ, из всего перечня ТТХ необходимо выбрать приоритетные параметры, по которым необходимо получить наилучший результат.
МШУ может быть реализован на СВЧ-транзисторе или на интегральной микросхеме (ИМС). По сравнению с ИМС, СВЧ-транзистор обладает меньшим коэффициентом шума, но подбор питающего напряжения, рабочей точки смещения, а также согласование входа и выхода, отнимает много времени и в большинстве случаев может привести к ухудшению ожидаемого результата и такого важного для МШУ параметра как коэффициента шума. Многие ИМС МШУ сигналов навигационных систем имеют внутри цепи согласования на линию с импедансом 50 Q, но, несмотря на это, для полного согласования и задания рабочей точки им всё же нужны некоторые внешние пассивные электронные компоненты. Коэффициент шума такой ИМС может быть не больше 1 dB.
Для большинства конечных решений использование микросхем МШУ предпочтительней, чем СВЧ-транзистора. Пассивные электронные компоненты -конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности,
могут быть производства любых фирм, но рассчитанных на работу в принимаемом диапазоне частот и конструктивно удовлетворяющие требованиям конечного изделия.
Этап 2
Второй этап - этап проектирования и оптимизации МШУ является самым сложным и продолжительным. Сначала надо разработать схему электрическую принципиальную, выбрать стек слоёв и материал печатной платы, подготовить топологию малошумящего усилителя, изготовить оснастку для калибровки анализатора цепей, выполнить калибровку анализатора цепей, измерить S-параметры схемы МШУ.
Топологию следует делать как можно компактней, так как маленькие размеры сделают МШУ более привлекательным для использования в новых проектах конечных изделий.
При разработке схемы электрической принципиальной необходимо на входе и выходе МШУ предусмотреть посадочные места для электронных компонентов, которые в процессе моделирования и оптимизации позволит установить одну из Г-образных согласующих цепей. Г-образная цепь позволяет согласовать любой комплексный импеданс с любым другим комплексным импедансом с помощью всего двух реактивных элементов: конденсатор и индуктивность. Эти два электронных компонента имеют всего восемь комбинаций.
МШУ является изделием высокочастотным, поэтому для решения потенциальных проблем наводок, а также упрощения процесса согласования линий передач и разводки топологии, актуально использовать только многослойные печатные платы с количеством слоев не менее четырех. Четыре стоя проводящего рисунка необходимы для создания стека слоев печатной платы с отдельными слоями заземления и питания. Для плат с высокочастотными цепями (более 2 ГГц) применяются специальные СВЧ-материалы. Наиболее известные, распространенные и доступные производству являются материалы фирм Rogers, Arlon, Taconic, Dupont. Для проектирования МШУ сигналов спутниковых систем определения координат, достаточным является использование материала FR4 High Tg или FR5.
При разработке печатной платы необходимо придерживаться золотого правила разработчика: если есть возможность, нужно обеспечить запас по технологическим нормам и стараться избегать узких мест с предельными значениями технологических параметров печатной платы [0].
При разработке печатной платы рекомендован следующий подход [0]:
[■ort
Port 1
50 Ом
1. Предварительно выбрать класс точности проектируемой платы, проанализировав элементную базу, электрические и сигнальные параметры схемы, типогабаритные показатели платы, допуски на контур, отверстия, технологические пазы и прочее.
2. Убедиться, что предполагаемое производство может изготовить печатную плату данного класса точности (как образцы, так и промышленную серию).
3. Ознакомиться с технологическими нормами (ограничениями) данного производителя.
4. В случае возникновения вопросов обязательно связаться с техническим отделом производителя и заранее детально обсудить их.
5. Задать в используемом для трассировки разводчике (PCAD, OrCAD, Altium и др.) правила проектирования (Desing Rules).
6. Выполнить трассировку печатной платы, соблюдая правила проектирования [0].
Используя исходные данные, полученные на предыдущих этапах проектирования, была разработана отладочная плата МНУ, рисунок 1.
Рисунок 1 - Топология печатной платы МНУ
Для достоверного измерения электротехнических параметров схемы МШУ смонтированной на представленной топологии, необходимо изготовить набор калибровочных мер векторного анализатора электрических цепей с аналогичным стеком слоёв как у отладочной платы МШУ.
Набор калибровочных мер должен содержать следующий комплект нагрузок:
- нагрузка согласованная (LOAD);
- нагрузка короткозамкнутая (SHORT);
- нагрузка холостого хода (OPEN);
- перемычка (THRU).
Схема электрическая принципиальная нагрузок представлена на рисунке 2, практическая реализация топологии печатной платы показана на рисунке 3.
Port 1
Port !
. Port 2
LOAD SHORT OPEN THRU
Рисунок 2 - Схема электрическая принципиальная набора калибровочные: мер
Рисунок 3 - Набор калибровочный мер
До начала проведения калибровки рекомендуется определить конфигурацию векторного анализатора цепей: выбрать требуемые кабели и переходы для последовательного подключения калибровочных мер. После калибровки любое изменение конфигу-
рации приводит к расширению пределов погрешности измерении.
Калибровка выполняется за несколько шагов. На каждом шаге к измерительным портам векторно-
го анализатора цепей подключаются некоторые меры, рисунок 4.
Первый шаг: калибровка частотной неравномерности (измерение параметров отражения) с использованием мер OPEN (ХХ) / SHORT (КЗ) и ка-
либровка изоляции с использованием меры LOAD (Нагрузка).
Второй шаг: калибровка частотной неравномерности (измерение параметров передачи) с использованием меры THRU и калибровка изоляции с использованием меры LOAE) (Нагрузка) .
\ Порт 1 Г" V ч- L. □ □ □ и КЗ XX Нагрузка н КЗ I—1 . } 1_Г : Порт 2 / XX Q-j-H. Нагрузка j |___
Рисунок 4 - Подсоединение мер при калибровке
По завершению процесса двухпортовой калибровки программное обеспечение векторного анализатор цепей рассчитает и запомнит в памяти калибровочные коэффициенты.
Измерение S-параметров топологического решения МШУ проводится без установленных элементов согласующих цепей, это позволит узнать входной и выходной импеданс схемы, зная который можно выбрать один из типов согласующей схемы. Значение элементов этих Г-образных цепей могут быть найдены графическими методами практическим расчетом по книге [0] или с использованием электронной диаграммы Смита [0] которые использует множество программ, например Smith Chart [0].
Рассчитав номиналы электронных компонентов согласующей цепи, выбираем из стандартных рядов номиналов радиодеталей: Е3, Е6, Е12, Е24 и т.п. номинал элемента максимально близкий к расчетному значению и устанавливаем на заранее предусмотренное топологией печатной платы место. После утверждения номиналов элементов корректирующей цепи, проводится измерение технических параметров МШУ и сравнение с выдвинутыми требованиями.
В случае отрицательного результата, необходимо выполнить коррекцию схемы, например, настроить смещение по постоянному току, топологии МШУ, изменить стек слоёв или выбрать другой материал. Необходимо отметить, что внесение изменений в топологию печатной платы МШУ может потребовать новой топологии набора калибровочных мер.
Этап 3
Графически третий этап представлен на рисунке 5.
По результатам, полученным на втором этапе, необходимо выбрать топологические решения проектирования МШУ, которые удовлетворяют требования. Сравнить выбранные топологии между собой и выбрать несколько лучших вариантов. Из лучших
вариантов выбрать один, который будет использован в разработке конечного решения.
Рисунок 5 - Выбор оптимального решения
Этап 4
Этап принятия компромиссных решений. Компромисс присутствует на протяжении всего процесса разработки, моделирования и оптимизации. Из-за различных физических и производственных ограничений, сделать идеальный МШУ не представляется возможным. При увеличении приоритета одного параметра, неукоснительно будет ухудшен другой. Поэтому расстановка приоритетов является важным этапом в проектировании конечного устройства.
Для принятия решения, какому параметру отдать предпочтение, может помочь информация о целевом назначении проектируемого МШУ. В частности, если это портативное гражданское устройство, предпочтение отдается потребляемой мощности и коэффициенту шума. А если конечное устройство военное или специального назначения, то важными параметрами будет линейность и коэффициент шума.
Выводы
Таким образом, рассмотренный метод проектирования малошумящего усилителя позволяет разработать функционально законченный модуль для преселектора сигналов с заданными характеристиками. Были рассмотрены особенности разработки печатной платы для модуля и способы расчета согласующих цепей, а также необходимое для этого измерительное оборудование.
ЛИТЕРАТУРА
1. Памятка разработчику печатных плат - выпуск 1. - Минск: ООО «Нанотех». - 2 4 с.
2. Смит Ф. Круговые диаграммы в радиоэлектронике. (Линии передачи и устройства СВЧ). Пер. с англ. М.Н. Бергера и Б.Ю. Капилевича. - М: «Связь», 1976. - 144 с.
3. Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с использованием электронной диаграммы Смита. Под дер. д.т.н., проф. Б.Л. Когана. - М: изд. МЭИ, 2008. - 120 с.
4. Smith Chart. [Электронный ресурс]. URL: http://fritz.dellsperger.net/smith.html (дата обращения: 12.04.2015).
5. Варианты реализации входного тракта спутникового навигационного приемника / Д.А. Аминев, А.С. Свиридов, С.У. Увайсов // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - №3 - С. 76 - 82.
6. Свиридов А.С., Колганов А.А. Мультисистемный двухдиапазонный бортовой приёмник сигналов спутниковых радионавигационных систем для космических аппаратов // Труды Международного симпозиума "НАДЕЖНОСТЬ и КАЧЕСТВО" Т. 2. - Пенза: Издательство ПГУ. - 2014. С. 339 - 341.
7. Свиридов А.С., Колганов А.А. Преселектор сигнала спутниковых навигационных систем: обзор современного состояния и анализ перспектив развития в навигационных радиоприёмниках ответственного назначения // Труды Международного симпозиума "НАДЕЖНОСТЬ и КАЧЕСТВО" Т. 2. - Пенза: Издательство ПГУ. - 2014. С. 341 - 347.
8. Увайсов С. У. Обнаружение слабого сигнала на фоне помехи в случае распределения Рэлея // Измерительная техника. 2006. № 4. С. 55-58.
9. Увайсов С. У., Иванов И. А., Увайсов Р. И. Показатели контролепригодности радиоэлектронной аппаратуры // Мир измерений. 2008. № 3. С. 47-51.
10. Увайсов С.У. Высокоточный транзисторный датчик температуры / Громов В.С., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // Датчики и системы - М.: 2010. № 11. С. 19 - 22.
11. Увайсов С. У., Иванов И. А. Информационная модель процесса проектирования контролепригод-ных радиоэлектронных средств // Информационные технологии. 2011. № 12. С. 41-45.
12. Иванов И. А., Увайсов С. У., Кошелев Н. А. Формирование наборов тестовых сигналов для контроля качества электронных средств космических аппаратов // Качество. Инновации. Образование. 2011. № 11. С. 84-88.
13. Увайсов С. У., Иванов И. А., Гольдберг О. Д., Иванов О. А. Обеспечение качества характеристик источников бесперебойного питания в условиях помех, вызванных нелинейной нагрузкой // Технологии электромагнитной совместимости. 2013. № 3. С. 55-64.
14. Иванов И. А., Увайсов С. У., Кошелев Н. А. Методика обеспечения диагностируемости электронных средств космических аппаратов по ранговому критерию на ранних этапах проектирования // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 1. С. 60-62.
15. Увайсов С. У., Аминев Д. А. Алгоритм распределения пропускной способности систем регистрации сигналов от многих датчиков // Датчики и системы. 2012. № 5(156). С. 26-29.
УДК 621.6-7
Петровский Э.А., Гагина М.В.
ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», Институт нефти и газа, Красноярск Россия ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАРКОВСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ И РИСКА ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА
В условиях повышенной аварийности и агрессивности среды надежность и безопасность технологических установок нефтегазового комплекса является существенной проблемой, для решения которой, в первую очередь необходимо комплексное прогнозирование появления отказов на всех стадиях жизненного цикла технологического оборудования.
Большинство аварий связано с поздним обнаружением отказов и дефектов или высокой вероятностью пропуска при планово-предупредительном осмотре и ремонте. В связи с этим необходима разработка и применение новых методов прогнозирования, диагностики и контроля оборудования нефтегазового комплекса.
Эффективность и непрерывность всей технологической цепи нефтегазопереработки в значительной степени зависит от надежной и бесперебойной работы насосных станций, частью которых являются насосные установки.
Анализ причин отказов (износ, коррозия и т.д.) насосного оборудования показывает, что значительное их число происходит вследствие неудовлетворительного обслуживания, контроля качества изготовления и сборки. Работоспособность и восстановление его основных технических характеристик достигаются благодаря системе технического обслуживания, ремонта и организации диагностического контроля в процессе эксплуатации.
Для рациональной организации ремонта и технического обслуживания насосных установок необходимо знать закономерности изменения параметров технического состояния по времени или количеству наработки и вариантов параметров технического состояния.
Одним из наиболее эффективных методов математического вероятностного моделирования процессов эксплуатации и технического состояния является применение методологии Марковского анализа надежности. В соответствии с ГОСТ Р 51901.15-2005 Марковский анализ является одним из аналитических методов анализа надежности и может использоваться для оценки и анализа вероятностных характеристик при оценке риска технических систем на этапе эксплуатации.
Марковский анализ является методом, ориентированным на оценку надежности систем с функцио-
нально сложной структурой, сложного ремонта и стратегий обслуживания и учитывает зависимость отказов и восстановлений отдельных компонентов, характеризующих состояние технологической системы в целом.
Практическая реализация предложенной методики осуществляется в соответствии с блок-схемой, приведенной на рис.1.
Рисунок 1 - Алгоритм применения методики Марковских процессов с дискретным состоянием и непрерывным для оценки и прогнозирования надежности насосных установок нефтегазового комплекса
При прогнозировании надежности насосных установок, их функционирование во времени рассматривается как случайный процесс перехода из состояния в состояние, обусловленного отказами
