Міністерство науки і освіти України
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра комп'ютерних інтелектуальних систем і мереж
Реферат на тему:
"Основні характеристики і параметри надійності"
Виконала:
ст. групи ЗАМ-051
Лисенко О.А.
Шифр: 005552
Одеса 2009
Зміст
1. Введення
2. Основні показники надійності
3. Параметри надійності
4. Висновок
Список літератури
1. Введення
Один з основних параметрів ЕОМ - надійність - залежить як від надійності використовуваної елементної бази, так і від прийнятих схемотехнічних і конструкторських рішень. Враховуючи значимість сучасної ЕОМ у господарській діяльності людини, вимоги до її надійності постійно підвищують. Це пов'язано з тим, що від правильної роботи ЕОМ залежать хід виконання технологічного процесу, вірогідність отримання результатів розрахунків, життєзабезпечення космічного апарату і т. д. Тому питанням підвищення надійності ЕОМ на всіх етапах її проектування і виробництва приділяється найбільша увага. Одна з найважливіших завдань , що стоять перед конструкторами, - розробка ЕОМ і систем, які мають високу економічну і технічною ефективністю, яка в значній мірі визначається їх надійністю.
Надійність ЕОМ - властивість виконувати задані функції, зберігаючи експлуатаційні показники в допустимих межах протягом необхідного проміжку часу, і можливість відновлення функціонування, втраченого з тих чи інших причин.
2. Основне показники надійності
У будь-який момент часу ЕОМ може перебувати в справному або несправному стані. Якщо ЕОМ в даний момент часу задовольняє всім вимогам, встановленим як щодо основних параметрів, що характеризують нормальне виконання обчислювальних процесів (точність, швидкодію та ін), так і відносно другорядних параметрів, що характеризують зовнішній вигляд і зручність експлуатації, то такий стан називають справним станом. Відповідно з цим визначенням несправний стан - стан ЕОМ, у якому вона у даний момент часу не задовольняє хоча б одному з цих вимог, встановлених у відношенні як основних, так і другорядних параметрів.
Проте не кожна несправність призводить до невиконання ЕОМ заданих функцій у відносин основних параметрів. Наприклад, утворення вм'ятин або іржі на корпусі машини, вихід з ладу лампочок підсвічування не можуть перешкоджати експлуатації ЕОМ. Тому для оцінки надійності систем введено поняття "працездатність" і "відмова".
Працездатність - стан ЕОМ, у якому вона у даний момент часу відповідає всім вимогам щодо основних параметрів, що характеризують нормальний перебіг обчислювальних процесів. Відмова - подія, яке у повній або частковій втраті працездатності системи. Так як не всяка несправність призводить до відмови, то на практиці розрізняють несправності основні та другорядні. Основні несправності призводять до відмови. Другорядні несправності не призводять до відмови, однак створюють незручності в експлуатації і псують зовнішній вигляд ЕОМ. Тому другорядні несправності доцільно своєчасно усувати.
Виникнення відмови у часі - випадкова подія, що дозволяє для оцінки надійності ЕОМ використовувати методи теорії ймовірності та математичної статистики.
Щоб визначити вплив на характеристики ЕОМ відмов різного виду, доцільно провести їх класифікацію.
За характером зміни параметрів до моменту виникнення відмови ділять на раптові і поступові. Раптові (катастрофічні) відмови виникають в результаті миттєвої зміни одного або кількох параметрів елементів, з яких побудована ЕОМ (обрив або коротке замикання). Усунення раптової відмови виробляють заміною елемента, що відмовив (блоку, пристрої) справним або його ремонтом. Поступові відмови виникають в результаті поступової зміни параметрів елементів до тих пір, поки значення одного з параметрів не вийде за деякі межі, що визначають нормальну роботу елементів (старіння елементів, вплив навколишнього середовища, коливання температури, вологості, тиску, рівня радіації і т. п. ), механічні дії (вібрації, удари, перевантаження). Усунення поступової відмови пов'язано або з заміною, ремонтом, регулюванням параметрів елемента, що відмовив, або з компенсацією за рахунок зміни параметрів інших елементів.
За характером усунення відмови ділять на стійкі і самоусувається. Для усунення стійких відмов оператор, що обслуговує ЕОМ, повинен відрегулювати або замінити відмовив елемент. Самоусуваються відмови зникають без втручання оператора і проявляються у формі збою або переміжною відмови. Збій - одноразово виникає самоусуваються відмову. Якщо кілька збоїв слідують один за одним, то має місце перемежовується відмову. Відмова типу збою особливо характерний для ЕОМ. Поява збоїв обумовлюється зовнішніми і внутрішніми факторами. До зовнішніх факторів відносяться коливання напруги живлення, вібрації, температурні коливання. Спеціальними заходами (стабілізації живлення, амортизація, термостатування та ін) вплив цих чинників може бути значно послаблено. До внутрішніх факторів належать флуктуаційні коливання параметрів елементів, несинхронність роботи окремих пристроїв, внутрішні шуми і наводки.
Якщо в ЕОМ виникає відразу кілька відмов, то за їх взаємного зв'язку розрізняють незалежні відмови (виникнення їх не пов'язане з попередніми відмовами) і залежні (поява їх викликаний відмовою в попередній момент часу).
За зовнішніми проявами відмови ділять на явні і неявні. Явні відмови виявляються при зовнішньому огляді, а неявні відмови - спеціальними методами контролю.
Введене вище поняття "відмова" дозволяє розглянути основні експлуатаційні властивості ЕОМ: безвідмовність, ремонтоспособность, довговічність, збереженість. Безвідмовність - властивість ЕОМ безупинно зберігати працездатність в заданих режимах і умовах експлуатації без вимушених простоїв. Це властивість характеризує функціонування системи до першої відмови і використовується при оцінці надійності ЕОМ одноразового застосування. Ремонтоспособност' - властивість ЕОМ, що полягає у пристосуванні до попередження, виявлення та усунення відмов і несправностей шляхом проведення технічного обслуговування і ремонтів. Довговічність - властивість ЕОМ зберігати працездатність до граничного стану з необхідними перервами для технічного обслуговування і ремонтів. Необхідно відзначити, що граничний стан визначається технічною непридатністю ЕОМ через зниження ефективності чи вимог техніки безпеки і обумовлюється в технічної документації. Збереженість - властивість виробу зберігати експлуатаційні показники протягом заданого терміну зберігання і після нього. Це властивість характеризує безпеку ЕОМ в режимі зберігання.
Надійність як поєднання властивостей безвідмовності, ремонтоспособность, довговічності і зберігання і самі ці якості кількісно характеризуються різними функціями і числовими параметрами. Правильний вибір кількісних показників надійності ЕОМ дозволяє об'єктивно порівнювати технічні характеристики різних обчислювальних систем як на етапі проектування, так і на етапі експлуатації (правильний вибір системи елементів, технічні обгрунтування роботи з експлуатації та ремонту ЕОМ, обсяг необхідного запасного майна та ін.)
При визначенні надійності ЕОМ необхідно знати: а) процес виникнення відмов пристроїв ЕОМ; б) конфігурацію системи, яка описує характер з'єднання пристроїв і правила їх роботи; в) порядок обслуговування та ремонт пристроїв ЕОМ.
Процес виникнення відмов в ЕОМ зазвичай описується складними імовірнісними законами. Тому в інженерній практиці для оцінки надійності ЕОМ вводять кількісні характеристики, для визначення яких зазвичай використовують експериментальні дані і подальшу їх обробку. Вибір кількісних характеристик надійності залежить від виду ЕОМ (відновлювані та невідновлювані ЕОМ).
Невідновлювані ЕОМ - ЕОМ, які в процесі виконання своїх функцій не допускають ремонту. Якщо відбувається відмова будь-якого пристрою, то виконувана операція буде зірвана і її необхідно починати знову в тому випадку, якщо можливо усунення відмови. До таких пристроїв відносять як пристрої одноразової дії, так і пристрої багаторазового дії (системи ППО, системи управління повітряним рухом, системи управління хімічними, металургійними та іншими відповідальними технологічними процесами).
Відновлюваними ЕОМ називають ЕОМ, які в процесі виконання своїх функцій допускають ремонт. Якщо відбудеться відмова такий ЕОМ, то він викличе припинення функціонування вироби тільки на період усунення відмови.
3. Параметри надійності
Показники надійності невідновлюваних ЕОМ - щільність розподілу часу безвідмовної роботи f (t), ймовірність безвідмовної роботи P (t), ймовірність відмови Q (t), інтенсивність відмов λ (t), середнє напрацювання до першої відмови Т СР
Найбільш точна кількісна міра надійності кожного виробу - його індивідуальна наробіток до моменту виникнення відмови. На практиці ж досить повна характеристика надійності - щільність розподілу часу безвідмовної роботи даного типу виробів f (t) та інтенсивність відмов λ (t). Для визначення функцій f (t) і λ (t) використовують експериментальні дані по випробуванню виробів на надійність. При цьому досвід ставиться таким чином: випробуванню піддають велику партію виробів N 0, час спостереження розбивають на n невеликих відрізків Δ t, на кожному з цих відрізків визначають число відмовили виробів Δ N i. Відмовили вироби або не замінюють новими (при визначенні f (t) і λ (t) невідновлювальних елементів), або замінюють новими (для відновлюваних елементів). За отриманими результатами значення ймовірності безвідмовної роботи виробу в момент часу t, що характеризує його надійність, може бути визначена з таких міркувань.
Якщо в даний момент часу t = t x є N x працюють виробів, am x = N 0-N x вийшли з ладу, то досвідчена статистична ймовірність безвідмовної роботи P * = N X / N 0, а досвідчена статистична ймовірність відмов Q * = (N 0 - N x) / N 0 = m x / N 0, де Р * і Q * характеризують частоту відмов у даному досвіді і є оцінками відповідних "математичних" ймовірностей, які визначаються як межі:
"Математичні" ймовірності характеризують не окрему вибірку, а всю генеральну сукупність виробів.
Визначимо залежність Р * від часу, для чого розглянемо прирощення Δ m х на обмеженому відрізку часу Δ t. Число елементів Δ m х, яке вийде з ладу за обмежений проміжок часу Δ t, буде пропорційно відрізку часу Δ t і кількістю наявних у роботі виробів N x, тобто де λ 1-коефіцієнт пропорційності, який приймається постійним на обмеженому відрізку часу.
Переходячи до нескінченно малим збільшення dm x та враховуючи dm x =-dN x, отримаємо
Інтегруючи останній вираз і маючи на увазі, що при t = 0 N X = N 0 знайдемо, In або, якщо звільнитися від логарифмів,
Значення λ 1, рівне
називають інтенсивністю (небезпекою) відмов. Таким чином, інтенсивність відмов в момент часу t є ймовірність відмов в одиницю часу за умови, що до моменту часу t відмов не було.
Залежність інтенсивності відмов від часу може бути визначена експериментально (рис. 7.1). Аналізуючи отриману криву I, зняту, допустимо, при випробуваннях в нормальних умовах, можна відзначити три тимчасових інтервалу: 1) від 0 до t 1 - час підробітки (1-1,5%) всього часу випробувань, 2) від t 1, до t2 - час нормальної роботи, 3) від t 2 до ° ° - час старіння. Час підробітки характеризується підвищеним числом відмов і визначається проявом технологічних і виробничих дефектів, час нормальної роботи - високою надійністю випробовуваних виробів (інтенсивність відмов на цьому інтервалі практично постійна).
При ослабленні (крива 2) або посилення (крива 3) умов випробувань залежність λ (t) зміниться, але три характерних тимчасових інтервалу збережуться.
Отримані раніше залежності ймовірності безвідмовної роботи P (t) від інтенсивності відмов λ (t) називають експоненціальним законом зміни P (t), тобто або
, Якщо λ = const. Цей закон має місце у випадку обліку раптових відмов.
Відомі й інші закони зміни P (t): 1) нормальний закон, або розподіл Гаусса (для поступових відмов),
де σ - дисперсія середнього часу безвідмовної роботи; Т сер - середній час безвідмовної роботи; 2) закон Вейбулла (при визначенні надійності електромеханічних елементів) . 3) закон Ерланга (при визначенні надійності відновлюваних виробів)
.
Один з найважливіших числових параметрів надійності - середній час безвідмовної роботи, який визначається як математичне сподівання випадкової величини, тобто
,
де q (t) - щільність імовірності відмови. Перетворимо цей інтеграл до наступного вигляду, вирішивши його по частинах:
Або
У загальному випадку інтенсивність відмов λ 1, залежить як від часу t, так і від параметрів, що характеризують режим роботи (U, I, W) та умови експлуатації апаратури
.
Виходячи з аналізу фізичних та фізико-хімічних процесів, що є причинами виникнення відмов визначимо залежність λ 1, від режимів роботи.
Число відмов при переривистому режимі роботи елементів залежить як від часу їх дійсної роботи t р так і від числа циклів роботи N, тобто . Нескінченно мале збільшення кількості відмов визначимо як повний диференціал:
Так як m x = N 0 - N x і, отже dm x = - dN x, то після розподілу обох частин на N x маємо
. Позначаючи
і
і враховуючи, що при t = 0 N = 0 і N x = N 0, отримаємо
Звільнившись від логарифмів, маємо:
Якщо приймемо, що λ 1 = const і λ N = const, то
тут - Час, що минув з початку роботи виробу;
- Час циклу, f = N / t - частота циклів.
Так як під час пауз мають місце відмови, то ймовірність безвідмовної роботи під час пауз можна визначити як
де - Інтенсивність відмов.
Імовірність відсутності відмов за час t при переривчастої роботі
де
Інтенсивність відмов також істотно залежить від режиму використання елемента в конкретних функціональних блоках машини, умов навколишнього середовища і в загальному випадку дорівнює
де λ 0-значення інтенсивності відмов, отриманий в нормальних умовах; - Поправочні коефіцієнти, відповідно враховують залежність інтенсивності відмов від значення електричного навантаження;
- Поправочні коефіцієнти, що враховують інші фактори режиму використання та умов навколишнього середовища.
Значення інтенсивності відмов λ 0 визначається при температурі навколишнього середовища 15-35 ° С, атмосферному тиску (100 4) Па; відносної вологості
(65 15)%; природному фоні радіації; коефіцієнті електричного навантаження К н = 1. Для випадку, коли відомі інтенсивності відмов
, Окремих елементів, які складають конструкцію, інтенсивність відмов останньої визначається за формулою
,
де -Інтенсивність відмов і-го елемента; n - кількість елементів.
Розглянуті критерії надійності дозволяють досить повно оцінити надійність невідновлювальних пристроїв та відновлюваних пристроїв до першої відмови.
Більшість сучасних ЕОМ відносять до відновлюваних виробам, кількість елементів яких залишається постійним протягом усього терміну служби, адже кожен з відмовили елементів замінюють новим. Тому при визначенні показників надійності ЕОМ можна розглядати як працюючу безперервно, але в якій час від часу виникають відмови (час справної роботи до чергової відмови і час відновлення випадкові). На часовій осі чергування часу справної роботи і часу відновлення може бути представлено у вигляді відрізків, довжина яких випадкова. Критерії надійності відновлюваних ЕОМ - параметр потоку відмов w (t); напрацювання на відмову Т; параметр потоку відновлень μ (t); середній час відновлення Т в, коефіцієнт готовності До r; коефіцієнт вимушеного простою До n.
При оцінці надійності відновлюваних ЕОМ можна використовувати або статистичні характеристики випадкового часу роботи від моменту відновлення попередньої відмови до наступного, або статистичні характеристики числа відмов за обраний час напрацювання. Припустимо, що для визначення показників надійності апаратури спостерігають за експлуатацією N зразків ЕОМ протягом часу t, фіксуючи число m i, (t) відмов кожного зразка. Середнє число відмов за час
У число m i (t) входять як первісні відмови, так і відмови, що виникають після відновлення або заміни відмовили елементів. Поява відмов у кожному зі зразків апаратури можна розглядати як потік вимог до обслуговування, в даному випадку до відновлення. Характеристику цього потоку визначають як
.
За значенням функції H (t) обчислюють параметр потоку відмов. Рівняння для цих обчислень має вигляд
На практиці використовують інше рівняння, що дозволяє визначити наближене значення параметра потоку відмов:
де Δ t - досить малий проміжок часу.
Для ЕОМ характерний так званий період підробітки, який закінчується на момент часу t 0. В. цьому випадку характеристика потоку відмов стає лінійною і рівняння кривої H (t) може бути записано таким чином:
де - Постійна величина.
Використовуючи (7.1), можна визначити параметр потоку відмов:
У ЕОМ потік відмов дорівнює сумі потоків відмов окремих пристроїв. Якщо кожен окремо потік робить на сумарний потік достатньо рівномірний і невеликий вплив, то сумарний потік буде найпростішим. Найпростіший потік повинен відповідати умовам стаціонарності, відсутності післядії і ординарности. Стационарность потоку означає, що ймовірність появи рівно k відмов за проміжок часу t 0 - (t 0 + t) не залежить від t 0 і є функцією змінних t і k.
Відсутність післядії потоку полягає в тому, що ймовірність появи k відмов протягом проміжку часу t 0 - (t 0 + t) не залежить від того, скільки було відмов і як часто вони виникали до цього проміжку часу. Ординарність потоку висловлює умова практичної неможливості появи двох або декількох відмов в один і той же момент часу.
Основний тип потоку відмов в ЕОМ, яка працює в стабільних умовах експлуатації, - найпростіший потік. Основний показник надійності відновлюваних виробів - напрацювання на відмову Т, обумовлена як середнє значення напрацювання ЕОМ між відмовами. У тих випадках, коли напрацювання на відмову виражена в одиницях часу, використовується і інший термін - середній час безвідмовної роботи. Для інтервалу часу від напрацювання t 1, до напрацювання t 2 точне рівняння для обчислення напрацювання на відмову Т має вигляд
де H (t) - характеристика потоку відмов.
Для практичних розрахунків зазвичай використовують наближене рівняння
Неважко переконатися, що після закінчення періоду підробітки, коли характеристика потоку стає лінійною, напрацювання на відмову не залежить від вибору значень напрацювання t 1, і t 2.
Уявімо, що . Використовуючи (7.2) і (7.3), отримаємо
де -Параметр потоку відмов.
Припускаючи незалежність напрацювання на відмову від часу, можна отримати співвідношення для обчислення величини Т за даними експлуатації однієї ЕОМ:
,
де t i - напрацювання між сусідніми відмовами; n - число відмов за спостережуваний період експлуатації.
Точність визначення часу напрацювання на відмову за наведеною вище формулою буде тим більше, чим більше число зафіксованих відмов.
Для підвищення достовірності можна використовувати дані про відмови декількох зразків апаратури, які експлуатуються в схожих умовах:
,
де t ik-напрацювання між сусідніми відмовами k-то зразка апаратури; n k - число відмов k-ro зразка апаратури; N-число спостережуваних зразків.
Для оцінки надійності роботи відновлюваної апаратури такий показник, як імовірність безвідмовної роботи, використовують рідко. Однак при оцінці ефективності роботи складних систем, куди входить ЕОМ, може виникнути необхідність в обчисленні ймовірності безвідмовної роботи за період між напрацюваннями t 1 і t 2. Рівняння для цього випадку має вигляд
Якщо характеристика потоку відмов H (t) лінійна, то ця формула спрощується, тобто
Середній час відновлення T восст - важливий показник якості відновлюваної апаратури, що є випадковою величиною, статистичні характеристики якої залежать від пристосованості апаратури до відновлення. Визначається середній час відновлення як середній час вимушеного нерегламентованої простою, викликаного відшукування і усуненням однієї відмови. Цей показник можна розраховувати за результатами експлуатації ЕОМ протягом великого інтервалу часу спостереження:
де - Час, витрачений на відновлення втрачених властивостей апаратури при і-му відмову; m - загальне число відновлень.
Якщо з послідовності операцій зробити вибірку проміжків відновлень, то моменти відновлень утворюють потік вимог, аналогічних потоку відмов. Цей потік називають потоком відновлень. Його основна характеристика - параметр потоку μ (t). Іноді цей параметр називають інтенсивністю відновлення, яка статистично визначається як відношення числа відновленої ЕОМ за період спостереження до сумарного часу відновлення:
Зі співвідношення випливає, що інтенсивність відбудов - величина, зворотна середньому часу відновлення.
Порівнюючи такі характеристики, як напрацювання на відмову і середній час відновлення, необхідно зазначити, що перша з цих характеристик є апаратурної, тобто характеристикою, що залежить в основному від внутрішніх властивостей апаратури, а друга - характеристикою системи людина - машина, що залежить як від внутрішніх властивостей ЕОМ, так і від кваліфікації обслуговуючого персоналу. Ці показники пов'язані коефіцієнтом готовності К Г, визначеним ставленням часу справної роботи до суми часу відновлення і часу роботи (за умови, що період підробітки закінчився):
Цей коефіцієнт дозволяє знайти ймовірність справного стану апаратури в будь-який момент часу.
Коефіцієнтом вимушеного простою До п називають відношення часу вимушеного простою до суми часу справної роботи та вимушених простоїв ЕОМ, взятих за один і той же календарний строк:
До п = t n / (t p + t n).
Коефіцієнт готовності і коефіцієнт вимушеного простою пов'язані між собою залежністю
До n = 1 - До р.
4. Висновок
Надійність системи або окремих її елементів - властивість елементів виконувати задані функції, зберігаючи в часі значення встановлених експлуатаційних показників в необхідних межах, що відповідають заданим режимам та умовам використання, технічного обслуговування, ремонту, зберігання і транспортування. Система або ЕОМ може перебувати в одному з двох станів: справному та несправному. Якщо система відповідає всім вимогам нормативно-технічної документації (в тому числі і другорядним, що характеризує зовнішній вигляд і зручність експлуатації), то вона справна, при невідповідності хоча б одній вимозі - несправна.
Стан системи, при якому вона здатна виконувати задані функції, зберігаючи необхідні значення певних параметрів, називається працездатним. Система знаходиться в непрацездатному стані, якщо хоча б один параметр, що характеризує здатність системи виконувати задані функції, не відповідає вимогам нормативно-технічної документації.
Подія, що складається в часткової або повної втрати працездатності ЕОМ і призводить до невиконання або неправильного виконання тестів або завдань, називається відмовою.
Тимчасова втрата працездатності ЕОМ або системи, що характеризується виникненням помилки при виконанні тестів або завдань, визначається як збій. Розрізняють об'єкти невідновлювані та відновлювані. До невідновлюваних відносяться комплектуючі електрорадіоелементи і деякі спеціалізовані ЕОМ, до відновлюваних - ЕОМ загального призначення і більшість спеціалізованих. Для невідновлюваних об'єктів випадковою величиною є напрацювання до першої відмови, а для відновлюваних - час роботи між відмовами і час відновлення працездатності. Для відновлення працездатності ЕОМ при відмові потрібне проведення ремонту чи регулювання пристроїв, а при збої - повторне рішення тесту або завдань або повторних їх завантажень для вирішення.
Список використаної літератури
Майоров С. А. та ін Електронні обчислювальні машини (довідник з конструювання). Під ред. G. А. Майорова. М.
Пікуль М. І., Русак І. М., Конструювання та технологія виробництва ЕОМ. - Мн.: ВШ, 1996
Савельєв А. Я., Овчинников В. А. "Конструювання ЕОМ і систем"
Савельєв М.В. Конструкторсько-технологічне забезпечення виробництва ЕОМ: Навчальний посібник для вузів, М: 2001