ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ. ЗАНЯТИЕ 10. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ. ЗАНЯТИЕ 10. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Чернышев С. Л. МАТИ, г. Москва Nature@front. ru

Определение надежности Надежность — это свойство объекта (системы) сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, определяющих способность выполнять требуемые функции, в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования Надежность системы зависит от большого числа разнообразных факторов, многие из которых являются случайными; Надежность трудно определить каким-либо одним числовым показателем (часто для этого требуется несколько различных количественных показателей); Экспериментально определить количественные показатели надежности во много раз сложнее, чем измерить или определить большинство других технических параметров Основное свойство, определяющее надежность – безотказность; отказ (событие, заключающееся в нарушении работоспособности) – важнейшее понятие теории надежности.

Обеспечение надежности Надежность объекта (системы) определяется в процессе (на этапе) разработки системы, реализуется на этапе производства и подтверждается в процессе эксплуатации. Для обеспечения надежности необходимо: 1. Определить параметры, определяющие способность системы выполнять требуемые функции. 2. Установить область работоспособности (область фазового пространства параметров системы). 3. Определить режимы и условия применения системы. 4. Описать последовательность смены состояний (функционирования, обслуживания, ремонтов, хранения, транспортирования).

Первые работы по теории надежности Теория надежности разрабатывается в конце 40 -х -начале 50 -х годов двадцатого столетия в связи с задачами управления, созданием вычислительных машин, развитием ракетной техники, усложнением бытовой техники Отечественные книги по надежности: Шор Я. Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности. – М. : Советское радио, 1962. Гнеденко Б. В. , Беляев Ю. К. , Соловьев А. Д. Математические методы в теории надежности. - М. : Наука, 1965. Переводы зарубежных книг: Ллойд Д. , Липов М. Надежность/ Пер. с англ. - М. : Советское радио, 1965. Вальд А. Последовательный анализ/ Пер. с англ. - М. : Физматгиз, 1960. Стандарты МЭК (ТК 56) Технический комитет МЭК «Надежность и ремонтопригодность» Надежность. Основные термины и математические формулы. Публикация МЭК, 271, 1974. Предварительные меры по обеспечению надежности. Публикация МЭК, 272, 1968. Испытания аппаратуры на надежность. Часть 1. Общие требования. Публикация МЭК, 605 -1, 1978. Результаты многочисленных работ по надежности отражены в справочнике «Надежность технических систем» . - М. : Радио и связь, 1985. Под ред. И. А. Ушакова с посвящением одному из основоположников теории надежности академику Борису Владимировичу Гнеденко.

Надежность – комплексное свойство (ГОСТ 27. 002 -83) Надежность — сложное, комплексное свойство, которое в зависимости от назначения системы и условий ее применения состоит из сочетаний свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Безотказность — свойство системы непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторой наработки или некоторого времени. Долговечность характеризует свойство системы сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при заданной системе технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность — это свойство системы, характеризующее ее приспособленность к предупреждению и обнаружению отказов и повреждений и восстановлению работоспособного и исправного состояний путем проведения технического обслуживания и ремонта. Сохраняемость — это свойство системы сохранять требуемые значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в период и после хранения и (или) транспортирования.

Основные понятия теории надежности Восстанавливаемый объект – объект, работоспособность которого подлежит восстановлению в случае возникновения отказа. Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспособности. Критерий отказа – совокупность признаков, согласно которым устанавливают факт наступления отказа. Предельное состояние – это состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению должно быть прекращено из-за: неустранимого нарушения требований безопасности и неустранимого отклонения заданных параметров за установленные пределы; недопустимого увеличения эксплуатационных расходов или необходимости проведения капитального ремонта. Иногда применяют выражение: « надежность и долговечность системы» . Вопрос 1. Корректно ли это выражение? Рассмотрим в качестве невосстанавливаемого объекта – ПЛИС. Вопрос 2. Определяется ли надежность такого объекта только его безотказностью?

Показатели надежности, имеющие смысл среднего значения (средняя наработка до отказа Т , наработка на отказ, среднее время восстановления (ремонта), средний ресурс (средний срок службы), средний срок хранения) Параметр потока отказов l = 1/T Показатели надежности, имеющие смысл вероятности (вероятность безотказной работы P(t), вероятность восстановления) Комплексный показатель надежности – коэффициент готовности – вероятность того, что восстанавливаемый объект будет работоспособным в произвольный момент времени при установившемся процессе эксплуатации. Кг=Т/(Т+Тв).

Дискретные распределения вероятностей (случайные величины: событие, число событий, число испытаний) Распределение вероятностей Среднее Дисперсия Примечание 1. Биномиальное Определяет вероятность k np(1 -p) событий при n испытаниях. Вероятность одного события равна р; k=0, 1, 2, …, n. 2. Распределение Паскаля Определяет вероятность n (отрицательное биномиальное) k(1 -р)/p k(1 -p)/p 2 испытаний до появления k событий. Вероятность одного события равна р; n=0, 1, 2, … 3. Геометрическое (1 -р)/p (1 -p)/p 2 Частный случай распределе- ния Паскаля при k=1; n=0, 1, . . . 4. Распределение Пуассона a Определяет вероятность появления k событий, если среднее число событий равно а; k=0, 1, 2, … 5. Равномерное (n+1)/2 (n-1)2/12 Определяет вероятность k–го события из n равновероятных событий; k=1, 2, …, n.

Непрерывные распределения вероятностей (случайные величины: наработка до отказа, время восстановления, ресурс) Наименование и плотность Среднее Дисперсия Область значений 1. Нормальное a s 2 (-¥, ¥) 2. Гамма-распределение a/b 2 (0, ¥) 3. Экспоненциальное 1/l 2 (0, ¥) f(t)=lexp(-lt) 4. Распределение Вейбулла (0, ¥) f(t)= lbtb-1 exp(-ltb) 5. Равномерное (a+b)/2 (b-a)2/12 (a, b) f(t)=1/(b-a)

Программы обеспечения надежности Выбор показателей надежности Анализ качества комплектующих изделий, режимов и условий их применения Построение оптимальной структурной схемы с учетом резервирования Выполнение расчетов показателей безотказности, ремонтопригодности, долговечности, сохраняемости Выбор оптимальных методов и планов проведения испытаний Анализ причин и предвестников отказов. Прогнозирование надежности Построение оптимальных стратегий технического обслуживания

Выбор показателей надежности Средние затраты в единицу времени функционирования системы определяются по формуле: где с1 — удельные затраты, обусловленные функционированием неработоспособной системы (после возникновения скрытого отказа); C 2 — затраты, связанные с восстановлением системы (после явного отказа). Показатели надежности T, имеющие смысл среднего значения выбирают, если с1 << C 2 Показатели надежности P(t), имеющие смысл вероятности выбирают, если с1 >> C 2 Если с1 ≈ C 2, то нужно учитывать показатели Т и P(t).

Анализ качества комплектующих изделий Основной показатель надежности – интенсивность отказов L микропроцессора определяется по формуле L= l 0(t) Kс Kт Kэ Kв Kк Kки+ lпо(t) Kпи Здесь l 0(t) — базовая интенсивность отказов кристалла; lпо(t) — базовая интенсивность отказов программного обеспечения; коэффициенты вида Ki учитывают соответственно: Kс - уровень сложности (степени интеграции); Kт - влияние теплового режима работы системы; Kэ - влияние климатических и механических нагрузок; Kв - количество выводов и контактных соединений; Kк - материал и конструкция корпуса, технология герметизации; Kки - сложность технологии изготовления; Kпи - степень использования стандартного программного обеспечения

Построение оптимальной структурной схемы с учетом резервирования 1. В исходной схеме элементы 2 и 3, а также элементы 4 и 5 и элементы 6 и 7 образуют попарно параллельные соединения. Заменим эти пары элементов их прототипами А, В и С соответственно. Учитывая, что P 2=P 3=PA=P 4=P 5=PB и P 6=P 7=PC получим PA=PB=1 -q 2 q 3=1 -q 22=1 -(1 -P 2)2 и PС=1 -q 6 q 7=1 -q 62. 2. Элементы PВ, P 8 и P 9 соединены последовательно и их прототип PD=PBP 8 P 9, аналогично элементы PA и PC соединены последовательно и их прототип PE=PAPC. 3. С учетом параллельного соединения элементов PD и PE для их прототипа получаем PF=1 -q. Dq. E=1 -(1 -PD)(1 -PE). 4. Окончательно для всей схемы получаем: P=P 1 PF=P 1(1 -(1 -PD))(1 -PE)= P 1(1 -(1 -PBP 8 P 9 ))(1 -PAPC)=P 1(1 -(1 -(1 -q 22)P 8 P 9 ))(1 -(1 -q 22)(1 -q 62)). Интенсивности отказов элементов даны в 10 -61/ч. P=exp(-lt); q=1 -exp(-lt).

Классификация испытаний на надежность Признак классификации Вид испытаний Цель проведения испытаний Контрольные Определительные Контролируемый (оцениваемый) Испытания на безотказность показатель надежности Испытания на ремонтопригодность Метод испытаний Одноступенчатые, двуступенчатые Последовательные Правило обслуживания отказавших объектов Испытания с заменами испытаний Испытания с восстановлениями Испытания без замен и восстановлений Критерий прекращения испытаний С ограничением по времени С ограничением по числу событий Сложное ограничение (по времени и по числу событий) Особенности контроля состояния Вероятности ошибок контроля состояния не испытуемых объектов учитываются (идеальный контроль) Вероятности ошибок контроля состояния учитываются (реальный контроль)

Оперативная характеристика плана контрольных испытаний на надежность Оперативная характеристика (ОХ) — это зависимость вероятности приемки изделий от значения контролируемого показателя надежности Т. Условную вероятность приемки аппаратуры, имеющей браковочный уровень показателя надежности Т=Тбр, называют риском заказчика β. Условную вероятность браковки аппаратуры, имеющей приемочный уровень показателя надежности, соответствующую разности единицы и значения ОХ при Т=Тпр, называют риском поставщика α.

План испытаний 4: 3 (Стандарт МЭК. Публикация 605 -7. 1980 г ) Правила принятия решений при испытаниях на надежность Количество Суммарное учитываемое время учитываемых испытаний отказов Бракуется (если Принимается (если равно или меньше) равно или больше) 0 - 1, 25 1 - 1, 80 2 0, 19 2, 35 3 0, 74 2, 90 4 1, 29 3, 45 Всегда бракуется, если число отказов 5 1, 84 3, 45 равно или больше 7. 6 2. 39 3, 45

Характеристики плана контрольных испытаний на надежность (4: 3) Оперативная характеристика Средняя продолжительность испытаний

Объем выборки, обеспечивающий заданную точность оценки Нормальное Распределение распределение Вейбулла Рн Значения параметра точности Кр 1, 0 2, 0 3, 0 4, 0 0, 80 3 11 24 43 3 10 24 42 0, 85 4 15 34 60 4 14 31 55 0, 90 6 23 51 90 5 20 44 77 0, 95 10 40 91 161 8 31 69 122 0, 96 12 47 106 188 9 35 78 138 0, 97 15 57 129 228 10 40 90 161 0, 98 19 73 164 292 13 49 110 194 0, 99 27 106 237 422 17 65 146 259 Здесь d=(1 -Pн)/(Pн. Кр).

Классификация отказов Признак классификации Вид отказа Характер изменении параметра до момента Внезапный возникновения отказа Постепенный Связь с другими отказами Независимый Зависимый Возможность использования системы Полный после возникновения отказа Частичный Характер проявления отказа Устойчивый Самоустраняющийся (сбой) Наличие внешних признаков отказа Явный (очевидный) Неявный (скрытый) Причина возникновения Конструкционный Производственный Эксплуатационный Отказ комплектующего изделия Условия возникновения Отказ при функционировании Отказ при хранении Отказ при испытаниях

Анализ причин отказов Признак отказа - несоответствие одного из параметров, определяющих работоспособность, заданным требованиям Критерий отказа - совокупность всех признаков, определяющих факт наступления отказа Механизм отказа - физические, химический или другой процесс, вызывающий отказ (например, коррозия, образование трещин и др. ) Предвестник отказа – наблюдаемые изменения параметров, определяющих работоспособность, на основе которых прогнозируется наступление отказа (увеличение температуры, увеличение тока, увеличение частоты) Причина отказа - обстоятельства, возникшие при проектировании, изготовлении или эксплуатации и вызвавшие отказ В зависимости от возникших обстоятельств некоторые отказы могут быть отнесены к виду неучитываемых отказов (при оценке показателей надежности). Например, отказы обусловленные нарушением условий эксплуатации или вызванные воздействиями, не предусмотренными НД, относятся к неучитываемым.

Парадокс экспоненциального распределения Парадокс - справедливое, хотя и неожиданное утверждение: «Индивидуальный ресурс» конкретного объекта может быть представлен экспоненциальным распределением. Р(N) Р(N; a, b) l 0 L N 0 L N m=N Р(N; a, b)=b. N(1 -b) å [(1 - a)/b]m P(m) + a(1 -a )N[1 -å Р(m)]. m=0

Взаимосвязь надежности и качества Качество (объекта) — совокупность свойств, обусловливающих способность средства измерений выполнять требуемые функции в соответствии с его назначением. Понятие «Качество» охватывает функциональные, технологические свойства объекта (системы), а также надежность, живучесть, безопасность и. т. д. Основное содержание понятия "качество" — бездефектность. Пример дефекта (события, заключающегося в нарушении исправности — царапина). Эффективность функционирования — способность обеспечивать требуемое качество на протяжении заданного времени в определенных условиях взаимодействия с окружающей средой. Живучесть объекта (корабль) - способность противостоять воздействию окружающей среды (стихийных сил, оружия противника), а при повреждениях — сохранять и восстанавливать полностью или частично свои основные качества. Безопасный объект (автомобиль) – объект, конструкционные особенности которого способствуют предотвращению аварий (неблагоприятных воздействий окружающей среды ) либо снижают травматизм (водителя, пассажиров и пешеходов).

Обеспечение качества и надежности Качество и надежность средств измерений закладывается при разработке и конструировании, обеспечивается производством и поддерживается на определенном уровне в процессе эксплуатации. Каждый из указанных этапов в той или иной мере оказывает влияние на надежность аппаратуры как комплексное свойство. Существует ряд факторов (эти факторы можно разделить на четыре группы), которые в основном определяют качество и надежность средств измерений.

Конструктивные факторы, определяющие качество и надежность Моделирование и обоснование выбора структуры системы. Выбор варианта схемного решения. Определение элементной базы и обеспечение рациональных режимов работы комплектующих изделий. Анализ и выбор конструкции (компоновка элементов, крепление и т. д. ). Учет эргономических факторов. Учет производственно-технологического уровня изготовителя. Учет параметров технического обслуживания. Стандартизация и унификация технических решений. Обеспечение качества технической документации.

Производственные факторы, определяющие качество и надежность Качество входного контроля материалов и комплектующих изделий, поступающих от смежных предприятий. Соблюдение режима технологических процессов производства (технологической дисциплины), стабильность технологического процесса. Степень автоматизации и гибкости сложных технологических процессов. Организация пооперационного контроля, настройка, калибровка и отработка средств измерений. Организация выходного контроля готовой продукции. Степень соответствия (адекватности) условий испытаний реальным условиям эксплуатации.

Объективные эксплуатационные факторы, определяющие качество и надежность Режимы работы (переходные процессы). Коррозия (контактная, атмосферная). Излучения (электромагнитные и др. ). Механические воздействия (звуковое давление, удар, вибрация , ускорение). Климатические воздействия: биологическая среда (грибок, плесень, грызуны), температура (положительная, отрица- тельная, циклические изменения), влажность (повышенная), дождь, иней (роса), атмосферное давление (пониженное, повышенное), качка, солнечная радиация (инфракрасное и ультрафиолетовое облучение), примеси в воздухе (пыль, песок, соли, морской туман, промышленные газы). Процессы естественного старения и износа материалов.

Субъективные эксплуатационные факторы, определяющие качество и надежность Квалификация обслуживающего персонала. Качество эксплуатационной документации. Организация системы обслуживания и ремонта. Качество сервисной контрольно-измерительной и диагностирующей аппаратуры. Организация сбора и обработки информации об отказах.

Организационные факторы, определяющие качество и надежность Координация усилий в области повышения надежности разработчиков, изготовителей и потребителей систем. Организация и функционирование системы контроля качества. Создание система сбора информации об отказах в эксплуатации и оперативное доведение ее до разработчика и изготовителя; Организация действенных экономических, административных и правовых отношений между потребителями, разработчиками и изготовителями аппаратуры.

Робастное проектирование — путь обеспечения качества и надежности Обеспечение качества и надежности средств измерений предусматривается применение современного подхода на основе методов робастного проектирования. Данный подход заключается в создании робастных (т. е. устойчивых к неуправляемым воздействиям) систем путем минимизации вариаций показателей качества по объективному критерию. В качестве такого критерия может быть принято суммарная погрешность определения показателя качества или соотношение под названием «отношение сигнал/шум» (предложено Г. Тагути для конкретных задач управления качеством).

Методы робастного проектирования В международной практике методы обеспечения качества на основе робастного проектирования известны как методы Гениши Тагути (японский специалист в области обеспечения качества продукции). Основные идеи методов Г. Тагути можно кратко сформулировать так: 1. Разрабатываемые изделия, процессы, услуги должны обладать робастностью (устойчивостью) по отношению к возможным внешним воздействиям и иметь минимальный разброс показателей относительно номинала. 2. Минимизация функции потери качества и создание робастного продукта (процесса, услуги и т. п. ) осуществляется методами планирования комплексного эксперимента.