Об обеспечении требований к единичным показателям надёжности электронной системы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Ступак В.В. ОБ ОБЕСПЕЧЕНИИ ТРЕБОВАНИЙ К ЕДИНИЧНЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ

Рассматриваются восстанавливаемые электронные системы (ЭС). Анализируются работы, проводимые на этапах проектирования по обеспечению требований к надёжности ЭС. Предлагаются методы, направленные на обеспечение требований к единичным показателям надёжности: наработке на отказ и среднему времени восстановления работоспособного состояния. При обеспечении требований к наработке на отказ анализируется метод по установлению требований к безотказности составных частей ЭС. Метод по обеспечению требований к среднему времени восстановления работоспособного состояния предусматривает анализ отдельных составляющих данного показателя и влияющих на их значения факторов, установление необходимости разработки комплектов ЗИП

Введение

На этапах проектирования, производства и зксплуатации ЭС предусматриваются мероприятия, направленные на обеспечение их надёжности и эффективного использования [1]. Частью данных работ является обеспечение требований к единичным показателям надёжности на этапах проектирования ЭС. Ниже рассматриваются два показателя: наработка на отказ и среднее время восстановления работоспособного состояния.

При обеспечении требований к наработке на отказ важными являются задачи по по установлению требований к безотказности составных частей ЭС. Предлагаемый метод применим для одно и многофукциональных систем.

Метод по обеспечению требований к среднему времени восстановления работоспособного состояния первоначально предусматривает оценку данного показателя, анализ отдельных составляющих данного показателя и установление необходимости разработки комплектов ЗИП.

Обеспеченик требований к наработке на отказ электронной системы

При обеспечении требований к наработке на отказ будем исходить из того, что в эксплуатации ЭС имеют место производственные отказы. В виду этого в процессе проектирования необходимо обеспечить значение наработки на отказ Т^§ , причём должно иметь место Т0С)5 > Т0* , где Т0* - заданное значение

показателя наработки на отказ Т0 . Далее рассмотрим простейший поток отказов ЭС. Тогда можно записать:

Лоэ — 0 ~ УР) Т0* , (1)

где Лрз - значение параметра потока отказов системы, которое должно быть получено в процессе проектирования, ур - коэффициент, характеризующий долю производственных отказов в общем потоке отказов ЭС в эксплуатации.

При выборе способа построения системы, обеспечивающего выполнение (1), первоначально необходимо

установить требования к безотказности её составных частей (блоков, узлов и пр.). Данные мероприятия

проводятся на ранних стадиях проектирования, когда имеется, как правило, структурная схема ЭС. Для указанных целей может быть применён метод аналогов, однако при этом должны выполняться условия в части определённого соответствия разрабатываемой системы и её серийно - выпускаемого аналога.

В случае невыполнения указанных условий или при отсутствии аналога, имеется возможность исходя из структурной схемы системы, имеющейся в распоряжении элементной базы и предполагаемых схемноконструктивных решений, выделить ряд категорий элементов (например, резисторы непроволочные, транзисторы низкочастотные, микросхемы аналоговые и др. ), из числа планируемых к применению в ЭС. Для каждой из категорий элементов определяют (с учётом справочных данных, информации о результатах эксплуатации элементов в составе выпускаемых ЭС) их интенсивности отказов, а по ним интенсивности отказов отдельных составных частей л®, и параметр потока отказов системы Л5 . Тогда требуемое значение

интенсивности отказов / - й составной части, которое необходимо получить в процессе проектирования,

можно определить из выражения

= ^3'ЛЭ ЛОЭ . (2)

Значение достигается соответствующими схемными решениями, подбором элементной базы, режимов

работы (тепловых, электрических), а также, при необходимости, и использованием различного рода избыточности.

При обеспечении требований к наработке на отказ также необходимо учитывать и влияние разрежения потока отказов, которое может осуществляться путём использования предусмотренных в ЭС для данных целей средств (схемных, программных). Операция разрежения возможна в виду того, что уход отдельных параметров за допуск компенсируется практически без нарушения процесса использования ЭС по назначению. Считая, что доля данных отказов в общем потоке отказов равна Р , для значения параметра потока отказов, которое следует в данном случае распределить между элементами системы, получим

Л03-\ = ЛОБ(1 + рЖ*) , (3)

где Ж* - вероятность разрежения рассматриваемых отказов.

Что касается многофункциональных ЭС, то при проведении работ по достижению требований к наработке на отказ, наряду с вышеуказанным, возможно использовать возможность обесточивания элементов системы,

не участвующих в формировании используемой в определённый момент времени функции. Такую систему мож-

но представить работающей в кр (кр - число выполняемых системой функций) режимах, при этом доля

времени нахождения в / - м (/ = 1, к^ ) режиме равна ^ от суммарной длительности её пребывания в рас-

сматриваемых режимах. Остановимся на определении параметра потока отказов системы, считая, .что при работе в / - м режиме параметр потока отказов равен Л/ (/ = 1, кр ). В связи с этим рассмотрим её

возможные состояния: X - работоспособное и система используется в / - м режиме (подмножество Е ),

- восстановления работоспособного состояния. Описание функционирования ЭС проведём с помощью полумарковского процесса. Можно показать, что наработка на отказ может быть определена из выражения:

кр ґкр А

Т0 = ^ 1Iа! ^ ж\ Р!О

I=1 11=1

-1

где р/0 - вероятность перехода марковской цепи из состояния X/ в Х0 ; а, - среднее безусловное

время пребывания процесса в состоянии X , Щ - стационарная вероятность нахождения марковской цепи в состоянии X • Тогда для любого I (I = 1, к^ ) имеет место: кр

—аI = (^1 . (5)

I=1

Причём при известных, например, щ и а1 , получим:

кР

^ ч Щ| аи

2-а1 =-7^ ' (6)

і =1

0і , ті—

іа = Iа1~г , (і = 1, кР ). (7)

01

Далее рассмотрим случай, при котором длительности пребывания в X перед переходом в другие состояния подмножества Е1 распределены по экспоненциальному закону с параметрами, суммарное значение которых равно Z/ . Тогда можно показать, что

л,

р!0 = ^ • (8)

Учитывая (7) и то, что Щ = (Л ^ ) , для Р/о получим:

. —1 а1

Р,0 = ¿I^1~Чт • (9)

- ¿1

Подставляя (6) и (9) в (4), параметр потока отказов многофункциональной ЭС определим из выражения:

кр

Л = Х ¿1А1 • (10)

I =1

Обеспечение требований к среднему времени восстановления работоспособного состояния электронной системы

Первоначально остановимся на определении среднего времени восстановления [2,3]. Будем рассматривать случай, когда ЭС можно рассматривать состоящей из N последовательно в смысле надёжности соединённых компонентов (далее - элементов), непосредственно заменяемых при их отказе на работоспособные. Элементами в зависимости от предусмотренной технологии восстановления могут быть как и дискретные элементы, так и отдельные блоки и пр. Далее будем считать, что:

время безотказной работы элементов распределено по экспоненциальному закону со средним Я 1 ( Я -

интенсивность отказов / - го элемента);

время восстановления системы при отказе / - го элемента распределено по закону, отличающемуся от экспоненциального со средним ^ , (/ = 1, N );

имеет место ^ << Я 1 •

Среднее общее время восстановления ЭС с учётом [2,3] можно определить из выражения:

N 2

Т, =£ , (11)

/ =1 Л

+ р + О , (12)

где ^ , ,/Л/- , - составляющие ^ , имеющие место при отказе / - го элемента и характеризующие соответственно: ^ - время на доставку ЭС с места эксплуатации в орган, проводящий восстановле-

ние работоспособности, и обратно; - время ожидания в очереди на проведение восстановительных работ; ^ - время ожидания в очереди работоспособного элемента замены для проведения восстановления

работоспособности; , ■- оперативное время восстановления работоспособного состояния.

Составляющие среднего времени восстановления Т и Тк, представляющие собой соответственно среднее время на доставку ЭС с места эксплуатации в орган, проводящий восстановление работоспособности, и обратно ( Т ), и среднее время ожидания в очереди на проведение восстановительных работ ( Т ), не

являются функциями от номера отказавшего элемента, и зависят от целого ряда факторов. Тогда (11) можно представить в следующем виде:

Т, = Тп + + Трг + Тор, (13)

N Я

ТРГ =ТЛ*Р« , (14)

/=1 Л

^ Я.

Тор =^Р, (15)

і=1

где T pr - среднее время ожидания в очереди работоспособного элемента замены для проведения восстановления работоспособности; T^ - среднее оперативное время восстановления работоспособности.

Значение Ttr определяется системой технического обслуживания прибора, которая может предусматривать наличие органа, проводящего восстановление работоспособности, как на месте эксплуатации, так и на определенном удалении от него, возможностями используемых средств транспортирования. Величина Tfr может быть оценена на основе указанной информации.

Значение величины T^ зависит от вида и параметров системы массового обслуживвания, описывающей функционирование органа, проводящего восстановление работоспособности, а также и от характеристик обслуживаемого парка ЭУ.

Значение времени Трг зависит от наличия или отсутствия запасов определённых элементов в ремонтном

органе, от количества ЭС, для которых предусмотрены запасы, от объёмов запасов и способов их пополнения.

Оперативное время восстановления Т^ , в свою очередь, состоит из двух частей. Первая часть - это время поиска места отказа (идентификации отказа), вторая - время, необходимое для устранения последствий отказа. На значение величины ^ оказывают влияние используемые способы восстановления работоспособности, конструкция ЭС (особенности средств встроенного контроля и др.), характериститки устройств технического диагностирования.

Будем считать, что в процессе проектирования необходимо достичь:

TtDS — Tt * , (16>

где Т* - заданное значение показателя Tt . Величина TtDS может быть определена по (13), составля-

ющая Tir в соответствии с вышеприведёнными рекомендациями, составляющая T/k по [2,3]. Значение T^ будем считать известным. Тогда требования к Tpr сформулируем в следующем виде:

Tpr — Tf - T1 , (17>

Tt1 = Ttr + Tlk + Top , (18>

Будем исходить из того, что T^ < Tf* , и остановимся на обеспечении требований к составляющей Tpr . Учитывая (17), следует определить целесообразность разработки комплекта ЗИП. С данной целью для

определённого способа восстановления работоспособного состояния находят величину T^ [2, 3] . При

выполнении (17) необходимость в комплекте ЗИП отсутствует. В противном случае следует провести работы по проектированию системы обеспечения элементами [4]. Данная работа при известных параметрах, характеризующих входящие в систему комплекты ЗИП, и номенклатуре закладываемых в комплекты элементов, заключается в определении количества рассматриваемых элементов в комплектах исходя из условий

прямой задачи оптимизации. Это предусматривает одновременно обеспечения (17) и условия F ^ min ( F - стоимость запасных элемнтов). При вполне определённых способе восстановления работоспособного состояния и номенклатуре входящих в комплекты ЗИП элементов следует выбрать тот вид системы обеспечения элементами, который характеризуется минимально возможными значениями величины F .

Таким образом предлагаемый метод обеспечения требований к наработке на отказ позволяет распределить требования по безотказности системы между составными частями. Учитываются доля производственных отказов в потоке отказов системы, а также и влияние разрежения потока отказов Метод применим для одно и многофукциональных систем.

Метод по обеспечению требований к среднему времени восстановления работоспособного состояния предусматривает оценку и отдельных составляющих данного показателя. Обосновывается необходимость разработки комплектов ЗИП.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ступак В. В. Оценка эффективности использования восстанавливаемых электронных устройств // Электроника и электротехника. - Каунас: Технология, ISSN 1392 - 1215, 2001. № 6(35) - С. 73 - 76 (на

литовском языке).

2. Ступак В. В. Анализ времени восстановления электронных устройств// Электроника и электротехника.- Каунас: Технология, 2004. -№.7(56) - С. 61 - 65 (на литовском языке).

3. Ступак В. В. О времени восстановления аппаратных средств информационной системы// Информационные системы и технологии. IST'2006. Материалы международной научной конференции. ISBN 985-4 85-67 6-5.

- Минск: Белоруский государственный университет, 2006. - С. 249 - 255.

4. Головин И. Н., Чуварыгин Б. В., Шура - Бура А. Э. Расчёт и оптимизация комплектов запасных элементов радиоэлектронных систем. - М: Радио и связь, 1984. - 176 с.