Составляющие надежности

Основные понятия теории надежности

Надежность – это свойство объекта сохранять свои выход­ные характеристики в определенных пределах при данных условиях эксплуатации.

Работоспособным, называется такое состояние системы (элемента), при котором значения пара­метров, характеризующих способность системы выполнять за­данные функции, находятся в пределах, установленных норма­тивно-технической или конструкторской документацией.

Неработоспособным, называется состояние системы, при котором значение хотя бы одного параметра, характери­зующего способность выполнять заданные функции, не нахо­дится в пределах, установленных указанной документацией.

Например, система измерения температуры является неработо­способной, если основной параметр, характеризующий качество ее функционирования — погрешность измерения, превышает заданную величину.

Исправ­ное состояние – это такое состояние, при котором система соответствует всем требованиям нор­мативно-технической и конструкторской документации.

Не­исправное – при котором имеется хотя бы одно несоответствие требованиям.

Отличие между исправным и работоспособным состояниями заключается в следующем. Работоспособная система удовлет­воряет только тем требованиям, которые существенны для функционирования, и может не удовлетворять прочим требо­ваниям (например, по сохранности внешнего вида элементов). Система, находящаяся в исправном состоянии, заведомо рабо­тоспособна.

Предельное состояние – это состояние, при котором дальней­шее применение системы по назначению недопустимо или не­целесообразно. После попадания в предельное состояние может следовать ремонт (капитальный или сред­ний), в результате чего восстанавливается исправное состоя­ние, или же система окончательно прекращает использоваться по назначению.

Отказ– событие, заключающееся в нарушении работоспособности системы, т. е. в переходе ее из работоспособного в неработо­способное состояние.

Повреждением – событие, заключаю­щееся в переходе системы из исправного в неисправное но работоспособное состояние.

Восстановлением называется событие, заключающееся в пе­реходе системы из неработоспособного в работоспособное со­стояние.

К невосстанавливаемым относят систе­мы, восстановление которых непосредственно после отказа счи­тается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавли­ваемым – в которых проводится восстановление непосредственно после отказа.

Одна и та же система в различных условиях применения может быть отнесена к невосстанавливаемым (например, если она расположена в необслуживаемом помещении, куда запре­щен доступ персонала во время работы технологического агре­гата) и к восстанавливаемым, если персонал сразу же после отказа может начать восстановление. Само понятие «восста­новление» следует понимать не только как корректировку, на­стройку, пайку или иные ремонтные операции по отношению к тем или иным техническим средствам, но и как замену этих средств.

В принципе подавляющее большинство систем, применяе­мых для автоматизации технологических процессов, подлежит восстановлению после отказа, после чего они вновь продолжа­ют работу. То же относится к большей части технических средств; к числу невосстанавливаемых можно отнести только такие их элементы, как интегральные схемы, резисторы, кон­денсаторы и т. п.

Виды отказов

Отказы можно различать по нескольким признакам.

По характеру устранения различают окончательные (устойчивые) и перемежающиеся (то возникающие, то исчезающие) отказы. Отказ объекта — событие, заключающееся в том, что объект либо полностью, либо частично теряет свойство работоспо­собности. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной — частичный отказ. Понятия полно­го и частичного отказов каждый раз должны быть четко сформулированы перед анализом надежности, поскольку от этого зависит количественная оценка надежности. Требования к надежности изделия, а также количественная оценка надежности без указания признаков отказа не имеют смысла.

Отказы могут быть внезапными и постепенными. Эти отказы различны по природе возникновения.

Внезапному отказу может не предшествовать постепенное на­копление повреждений, и он возникает внезапно. Технология изго­товления современных элементов аппаратуры столь сложна, что не всегда удается проследить за скрытыми дефектами производст­ва, которые должны выявляться на стадии тренировки и прира­ботки аппаратуры. В результате в сферу эксплуатации могут про­никать следующие дефектные элементы: резистор с недостаточно прочным креплением токоотвода; полупроводниковый прибор, у которого толщина промежуточной области недостаточна; полупро­водниковый прибор, у которого на поверхности полупроводнико­вого материала застряла токопроводящая микрочастица; токопроводящий слой печатного монтажа, у которого толщина либо чрез­мерно малая, либо чрезмерно большая; интегральная схема, у которой соединение вывода с печатным монтажом недостаточно врочное, и т. д. В процессе эксплуатации случайно могут создать­ся условия, при которых скрытый дефект приводит к отказу изде­лия (пиковые нагрузки, тряска и вибрация, температурный скачок, помехи и т. д.). Но неблагоприятного сочетания неблагоприятных ^факторов может и не быть, тогда не будет и внезапного отказа. При большом уровне случайных неблагоприятных воздействий внезапный отказ может произойти даже при отсутствии скрытых дефектов.

Постепенный отказ возникает в результате постепенного накоп­ления повреждений, главным образом вследствие износа и старе­ния материалов.

Выделять внезапные и постепенные отказы необходимо, пото­му что закономерности, которым они подчиняются, различны. Раз­личными поэтому должны быть и способы борьбы с этими отказа­ми. Для уменьшения числа внезапных отказов может быть реко­мендована предварительная тренировка и приработка изделий с целью выявления скрытых дефектов производства, а также вве­дение защиты от неблагоприятных воздействий типа помех, пере­грузок, вибраций и т. п. Уменьшению числа постепенных отказов может содействовать своевременная замена сменных блоков, вы­работавших технический ресурс.

Отказ может быть кратковременным самоустраняющимся. В этом случае он называется сбоем. Характерный признак сбоя — то, что восстановление работоспособности после его возникновения не требует ремонта аппаратуры. Причиной сбоя может быть либо кратковременный отказ аппаратуры (например, залипание контак­та), либо кратковременно действующая помеха, либо дефекты про­граммы, приводящие к неблагоприятным временным характеристи­кам работы аппаратуры. Опасность сбоев заключается в том, что их трудно и часто даже невозможно обнаружить в процессе рабо­ты аппаратуры, но они могут исказить информацию настолько, что приведут к отказу выполнения заданной функции.

Отказы в АСУ целесообразно подразделять на аппаратурные и программные.

Аппаратурным отказом принято считать событие, при котором изделие утрачивает работоспособность и для его восстановления требуется проведение ремонта аппаратуры или замена отказавше­го изделия на исправное.

Программным отказом считается событие, при котором объект утрачивает работоспособность по причине несовершенства программы (несовершенство алгоритма решения задачи, отсутствие про­граммной защиты от сбоев, отсутствие программного контроля за состоянием изделия, ошибки в представлении программы на физическом носителе и т. д.). Программный отказ устраняется путем исправления программы.

Для объектов ответственного назначения целесообразно выделять в отдельную группу отказы, которые могут приводить к катастрофическим последствиям (гибели людей и т. д.). В заданиях по надежности необходимо выделять в отдельную группу требования по обеспечению безопасности.

Составляющие надежности

Надежность является комплексным свойством, включающим в себя четыре основные составляющие: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность – свойство системы сохра­нять работоспособность в течение тре­буемого интервала времени непрерывно без вынужденных перерывов. Безотказность отражает способность дли­тельное время функционировать без отказов.

Долговечность – свойство системы сохранять работоспо­собность до наступления предельного состояния с необходи­мыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Долговечность системы зависит от долговечности технических средств и от подверженности системы моральному старению.

Ремонтопригодность является свойством системы, заключа­ющимся в ее приспособленности к предупреждению, обнаруже­нию и устранению причин возникновения отказов, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов, либо путем замены отказавших комплектующих эле­ментов. Ре­монтопригодность зависит от того, выполнены ли элементы в виде отдельных, легко заменяемых блоков, ис­пользуются ли в системе средства встроенного контроля работоспособности и диагностики а так же от квалификации обслуживающего персо­нала и от организации эксплуатации.

Сохраняемость характеризует свойство системы сохранять значения показателей безотказности и ремонтопригодности в течение и после срока хранения и транспортировки.

Перечисленные выше составляющие надежности являются общепризнанными и рекомендуются для широкого класса изделий. Однако для автоматизированных систем, информационных сетей и вычислительной техники этих свойств недостаточно. В практике создания и использования АСУ применяют следующие дополнительные частные свойства.

Живучесть – свойство объекта сохранять работоспособность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий, не предусмотренных нормальными условиями эксплуатации.

При задании требований к надежности объекта обычно указы­ваются нормальные условия его эксплуатации. Но к ряду объектов ответственного назначения могут предъявляться требования выпол­нить некоторые функции в условиях, существенно отличающихся от нормальных.

Главный смысл требования к живучести объекта состоит не только в том, чтобы он длительное время рабо­тал непрерывно без отказа в нормальных условиях эксплуатации и чтобы его можно было быстро отремонтировать, но также и в том, чтобы он в ненормальных условиях эксплуатации сохранял работо­способность, хотя бы и ограниченную.

Достоверностьинформации, выдаваемой объектом. При рабо­те вычислительной машины или канала передачи информации могут отсутствовать отказы. Поэтому объект может обладать высокой безотказностью, хорошей долговечностью, сохраняемостью и ремон­топригодностью. Однако в нем могут иметь место сбои, искажающие информацию. В изделии «ломается» не аппаратура, а информация. Это не менее опасная «поломка», но она не находит, отражения в перечисленных выше основных сторонах надежности изделия. Поэтому и вводится еще одна дополнительная сторона на­дёжности — достоверность.

В практике создания и использования технических систем воз­можно появление и других дополнительных сторон надежности. При этом необходимо следить, чтобы набор используе­мых частных свойств, с одной стороны, был достаточным для описания надежности объекта, с другой стороны не содержал ненужных для описания комплексного показателя надежности, а также таких, которые нельзя измерить или которые не имеют определенного ясного и понятного физического смысла.