Отказ как основа теории надежности

Введение

 

Теория надежности – это одна из многочисленных научных дисциплин, появившихся вскоре после второй мировой войны, которая (вместе с последующей «холодной войной» и гонкой вооружений) дала мощный толчок развитию различных отраслей техники.

Принято выделять четыре основные причины появления теории надежности:

1) резкий рост сложности современных технических систем, а в частности значительное увеличение числа составляющих их компонент;

2) ужесточение режимов их функционирования (работа при высоких и низких температурах, значительные механические нагрузки и т. д.);

3) высокая цена отказа систем, связанных с выпуском дорогостоящей продукции или обеспечивающих нормальные условия жизни человека (например на космической станции);

4) полная или частичная автономность, то есть невозможность или ограниченность вмешательства человека при возникновении отказов (необитаемые подводные аппараты, искусственные спутники, безлюдное производство).

Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002-83).

Надежность – сложное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения представляет собой сочетание некоторых частных свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Частные свойства понятия "надежность"

Теория надежности изучает процессы возникновения отказов объектов и способы борьбы с этими отказами.

При анализе и оценке надежности конкретные технические устройства именуются обобщенным понятием "объект". Объект - это предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в периоды проектирования, производства, эксплуатации, изучения, исследования и испытаний на надежность. Объектами могут быть системы и их элементы, в частности технические изделия, устройства, аппараты, приборы, их составные части, отдельные детали и т.д.

В теории надежности для удобства решения задач часто различают системы и элементы. Под системой по­нимается совокупность совместно действующих элемен­тов с определенными связями, предназначенная для вы­полнения определенных функций. Термин «элемент» при­меняется для составной части системы. Обычно элемент не предназначается для самостоятельного практического применения, но должен обладать способностью выпол­нять определенные функции в системе.

Объекты могут находиться в двух состояниях: работо­способном и неработоспособном. Работоспособностью называется состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, установ­ленными требованиями технической документации.

Для правильной оценки надежности необходимо чет­ко сформулировать определение неработоспособного со­стояния.

Теория надежности позволяет определить качественные оценки, называемые показателями надежности. С их помощью можно объективно оценить надежность элементов, узлов, устройств, системы. Методы теории надежности являются вероятностными, поэтому они могут дать практические результаты, только если опираются на достаточный по объему статистический материал. Данные должны содержать информацию об отказах аппаратуры и ПО, а также о восстановлении работоспособности. Для ее получения ведутся наблюдения в течение длительного времени с документированием отказов и ремонтов.

Определение количества наблюдаемых объектов и длительности испытаний делается при помощи методов математической статистики, но общее правило гласит: чем больше статистики, тем достовернее результат.

Документальной формой сбора и накопления данных являются журналы статистического наблюдения, в которых фиксируются даты и причины отказов, время поиска и определения причин, время восстановления.

Как видно из определения, надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его пребывания может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенное сочетание этих свойств.

1.Безотказность- свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

2.Долговечность- свойство объекта сохранять работоспособное состояние при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

3.Ремонтопригодность- свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

4.Сохраняемость- свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

5.Работоспособность - такое состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, удовлетворяя требованиям нормативно-технической документации. Работоспособность - это характеристика состояния объекта в некоторый момент времени.

 

Для оценки надежности ИС находят применение дополнительные стороны надежности:

1. Живучесть - свойство объекта или системы сохранять работоспособность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий, не преду­смотренных нормативными условиями эксплуатации.

2. Сбой - кратковременное нарушение работоспособности системы, после ко­торого работоспособность восстанавливается оператором без проведения ремонта или самовосстанавливается.

3. Ошибка - проявление сбоя или отказа компонента ИС.

4. Достоверность информации - свойство системы выдавать достоверную информацию при возникновении в ней сбоев.

5. Отказоустойчивость - свойство системы продолжать выполнение задан­ных функций после возникновения одного или нескольких сбоев или отказов от­дельных элементов.

6. Конфигурация - совокупность и способ взаимодействия программных и аппаратных средств системы, направленных на выполнение рабочего задания.

7. Реконфигурация - изменение состава и способа взаимодействия программ­ных и аппаратных средств системы с целью исключения отказавших элементов.

8. Ремонт - восстановление работоспособности системы с помощью специа­листов.

9. Избыточность - дополнительные программные и аппаратные средства, возможности алгоритма для выполнения дополнительных функций, предназна­ченных для повышения надежности ИС.

Информационная избыточность - некоторое повто­рение информации в той или иной форме, позволяющее восстанавливать исход­ные данные в случае каких-либо нарушений в работе системы. Характерным спо­собом введения избыточности является резервирование - использование дополни­тельных средств и возможностей с целью сохранения работоспособности системы при отказе одного или нескольких ее элементов.

Различают статическую и дина­мическую избыточность. Статическая избыточность реализуется автоматически сразу после возникновения отказа: система построена так, что после отказа ее не­нарушенная часть позволяет продолжить выполнение задания. Динамическая избыточность реализуется только после некоторой перестройки работы системы, получившей сигнал об отказе от устройства контроля.

10. Отказ - событие, заключающееся в том, что система полностью или час­тично теряет свойство работоспособности.

Указанные важнейшие свойства надежности характеризуют определенные технические состояния объекта. Различают пять основных видов технического состояния объектов.

1.Исправное состояние - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

2.Неисправное состояние состояние - объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

3.Работоспособное состояние - состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

4.Неработоспособное состояние - состояние объекта, при котором значения хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

5.Предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Переход объекта (изделия) из одного вышестоящего технического состояния в нижестоящее обычно происходит вследствие событий: повреждений или отказов.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Переход объекта из исправного состояния в неисправное не связан с отказом.

Безотказность (и другие составляющие свойства надежности) проявляется через случайные величины, наработку до очередного отказа и количество отказов за заданное время. Количественными характеристиками свойства здесь выступают вероятностные переменные.

Конечной целью расчета надежности технических устройств является оптимизация конструктивных решений и параметров, режимов эксплуатации, организация технического обслуживания и ремонтов. Поэтому уже на ранних стадиях проектирования важно оценить надежность объекта, выявить наиболее ненадежные узлы и детали, определить наиболее эффективные меры повышения показателей надежности. Решение этих задач возможно после предварительного структурно - логического анализа системы.

Большинство технических объектов являются сложными системами, состоящими из отдельных узлов, деталей, агрегатов, устройств контроля, управления и т.д.. Техническая система (ТС) - совокупность технических устройств (элементов), предназначенных для выполнения определенной функции или функций. Соответственно, элемент - составная часть системы.

Расчленение ТС на элементы достаточно условно и зависит от постановки задачи расчета надежности.

При определении структуры ТС в первую очередь необходимо оценить влияние каждого элемента и его работоспособности на работоспособность системы в целом. Очевидно, что при анализе надежности ТС включают в рассмотрение только элементы, отказ которых сам по себе или в сочетании с отказами других элементов приводит к отказу системы.

Отказ как основа теории надежности

Фундаментальным понятием теории надежности, который определяет остальные понятия, является отказ. Под отказом понимают случайное событие, в результате которого объект теряет работоспособность и переходит в неработоспособное состояние. Потерей работоспособности является утрачивание хотя бы одной выполняемой функции или уход за допустимые пределы хотя бы одного эксплуатационного показателя. Допустимые пределы указываются в документации на изделие. Примеры отказов: повреждение микросхемы, потеря дорожки на носителе и т.д. Для устранения отказов и восстановления работоспособности требуются действия для нахождения места отказа, определения его причины и устранения.

Различают внезапные (мгновенные) и постепенные (износовые) отказы. Внезапный отказ происходит в результате скачкообразного, практически мгновенного изменения какого-либо параметра. Примеры: пробой электронно-дырочного перехода полупроводникового прибора, повреждение микросхемы разрядом статического электричества. Постепенные отказы вызываются медленным накоплением изменений в течение длительного времени (деградация). Примеры: износ головок записи/считывания, высыхание ленты в принтере, потеря эмиссии в электронно-лучевой трубке экрана.

Разновидностью отказов являются сбои. Сбоем называют самовосстанавливающийся отказ, который вызывает кратковременное нарушение работы. После сбоя система продолжает нормально функционировать. Сбой – это очень неприятное и коварное явление, из-за кратковременности и нерегулярности трудно его локализовать и устранить

 

 

причину. В то же время, неприятностей при сбое может быть не меньше, чем при отказе, например, порча данных или микросхемы.

Согласно ГОСТ 27.002-89 отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

В ГОСТ 15467-79 введено еще одно понятие, отражающее состояние объекта - дефект. Дефектом называется каждое отдельное несоответствие объекта установленным нормам или требованиям. Дефект отражает состояние отличное от отказа. В соответствии с определением отказа, как события, заключающегося в нарушении работоспособности, предполагается, что до появления отказа объект был работоспособен. Отказ может быть следствием развития неустраненных повреждений или наличия дефектов: царапин; потертости изоляции; небольших деформаций.

В теории надежности, как правило, предполагается внезапный отказ, который характеризуется скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. На практике приходится анализировать и другие отказы, к примеру, ресурсный отказ, в результате которого объект приобретает предельное состояние, или эксплуатационный отказ, возникающий по причине, связанной с нарушением установленных правил или условий эксплуатации.

Основными показателями надежности являются:

интенсивностьотказов,

вероятностьбезотказнойработы,

вероятностьотказов,

средняянаработканаотказ,

среднеевремявосстановления.

Заключение

 

Основными показателями технической эффективности любой системы являются производительность и надежность. Проблема надежности включает вопросы поддержания физического (технического) состояния аппаратных и программных средств и обеспечения их работоспособности. Моменты появления отказов и сбоев, время поиска и устранения неисправностей, моменты появления ошибок в программах и продолжительность их поиска зависят от очень многих факторов и поэтому непредсказуемы, т.е. случайны. Неисправность мо­жет случиться через год, а мо­жет – через час. Поэтому невозможно предсказать точное время таких событий, а можно только прогнозировать их с большей или меньшей вероятностью.

В непосредственной связи с понятием «надежность» находится понятие «эф­фективность». Эффективностью системы называется свойство выдавать некото­рый полезный результат (эффект) при использовании ее по назначению.

Надежность и эффективность - взаимосвязанные понятия. Чем выше надеж­ность, тем выше и эффективность системы, но до определенного уровня, так как дальнейшее повышение надежности сопряжено с существенными экономически­ми затратами.