Учебное пособие для студентов

5.Надёжность резервированных систем

5.1.Методы и средства повышения надёжности РЭО

Методы и средства повышения надёжности носят комплексный характер и зависят от стадии жизненного цикла РЭО.
На первой стадии жизненного цикла, исследования и проектирования РЭО, надёжность увеличивают за счёт использования высоконадёжных элементов и узлов, за счёт схемных и за счёт конструктивных методов.
Повышение надёжности за счёт использования высоконадёжных элементов и узлов РЭО достигается:

• 
  при замене электромеханических элементов и узлов и элементов с механическим управлением на электронные элементы и узлы (например, при замене электромагнитных реле на оптоэлектронные или тиристорные переключающие устройства, при замене конденсаторов переменной ёмкости на варикапы и т.д.);
  
• 
  использование интегральных схем ИС позволяет получить интенсивность отказов изделия на 2…3 (и более) порядка меньше чем в аналогичных изделиях на дискретных электронных компонентах; выигрыш в надёжности при этом тем больше, чем больше элементов в одной ИС (т.е. чем больше степень интеграции); в настоящее время интенсивность отказов ИС λ_ИС = 10^-8 1/ч, а в ближайшее время может составить 10^-9 … 10^-11 1/ч [1, 4];
  
• 
  использованием высокостабильных электронных элементов и узлов, у которых велика наработка до появления износовых отказов; при этом следует помнить, что, как правило, высокостабильные электронные элементы и узлы имеют большую стоимость, чем обычные.
  

Повышение надёжности за счёт за счёт схемных методов достигается [1,4, 7]:

• 
  упрощением схемы; предпочтение отдаётся схемам с наименьшим числом элементов, имеющим минимальное число органов регулировок;
  
• 
  заменой аналоговой обработки цифровой;
  
• 
  созданием схем с ограниченным пос­ледствиями отказов;
  
• 
  созданием схем, работоспособных при использовании элементов с широкими допусками и в широком интервале дестабилизирующих факторов;
  
• 
  отработкой схем мето­дами граничных, матричных и статистических испытаний;
  
• 
  использованием в схемах многофункциональных ИС, позволяющих при минимальном их наборе проектировать аппаратуру, выполняющую максимальное количество функций;
  
• 
  резервиро­ванием, то есть способом обеспечения надёжности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения тре­буемых функций.
  

Совокупность дополнительных средств и (или) возможностей, используемых для резервирования называют резервом. Основной элемент - это элемент объекта, необходимый для выполне­ния требуемых функций без использования ре­зерва. При резервировании основной элемент называют резервируемым, так как на случай его отказа в объекте предусмотрены один или несколько резервных элементов, предназначенных для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего.
Повышение надёжности за счёт за счёт конструктивных методов достигается:

• 
  созданием благоприятного (облегчённого) режима работы элементов; оптимальные электрические нагрузки не должны превышать 40…60 % от номинальных;
  
• 
  правильным подбором параметров и допусков элементов;
  
• 
  мерами по обеспече­нию ремонтопригодности и контролепригодности; должны быть предусмотрены контрольные гнёзда, лёгкий доступ ко всем блокам РЭО, удобство конроля его состояния, настройки и смены блоков, меры, обеспечивающие безопасность персонала и т.д.; желательно не использовать крупноблочные конструкции, неудобные при контроле и ремонте;
  
• 
  унификацией и стандартизацией элементов схемы и конструкции; использованием унифицированных и стандартных конструктивных и схемотехнических решений; при создании микросборок (МСБ) следует повторять типовые, хорошо отработанные и оптимизированные схемно-топологические конфигурации;
  
• 
  учётом возможностей оператора (потребителя) и требований эргономики;
  
• 
  микроминиатюризацией - чем плотнее ИС и дискретные компоненты схемы и конструкции упакованы в аппаратуре, тем аппаратура устойчивее к ударным и вибрационным нагрузкам и тем легче защитить её от дестабилизирующих факторов, таких как влажность, радиация и т.п.
  

На второй стадии жизненного цикла, изготовления РЭО, надёжность увеличивают:

• 
  за счёт совершенствования технологии производства;
  
• 
  за счёт автоматизации производства;
  
• 
  за счёт входного контроля элементов схемы и конструкции;
  
• 
  за счёт тренировки элементов и систем;
  
• 
  за счёт использования прогрессивных методов достижения точности выходных параметров, например, метода полной взаимозаменяемости;
  
• 
  за счёт проведения выходного контроля и приёмосдаточных испытаний.
  

На третьей стадии жизненного цикла, хранения и транспортирования РЭО, надёжность поддерживают:

• 
  за счёт правильно выбранных режимов хранения и транспортирования;
  
• 
  за счёт технического обслуживания и контроля во время хранения и после транспортирования.
  

На четвёртой стадии жизненного цикла, эксплуатации РЭО, надёжность поддерживают и увеличивают:

• 
  за счёт соблюдения режимов эксплуатации при функциональном использовании;
  
• 
  за счёт правильно выбранной стратегии технического обслуживания (ТО), обеспечивающей минимальное значение коэффициента простоя;
  
• 
  за счёт модернизации РЭО при эксплуатации;
  
• 
  за счёт использования технической диагностики и управления состоянием РЭО;
  
• 
  за счёт использования автоматической подстройки и за счёт регулировки выходных параметров;
  
• 
  за счёт повышения квалификации работников эксплуатирующих РЭО;
  
• 
  за счёт сбора и обобщения опы­та эксплуатации;
  
• 
  за счёт грамотной комплектации РЭО запасным имуществом и принадлежностями (ЗИПом);
  
• 
  за счёт разработки мер по удобству ТО и эксплуатации;
  
• 
  за счёт поддерживания связи с производ­ителями и проекти­ровщиками аппаратуры.
  

На пятой стадии жизненного цикла, утилизации РЭО, запас надёжности исчерпывается, и восстановление РЭО становится невозможным или экономически нецелесообразным.
Роль процессов ТО и Р в повышении надёжности при эксплуатации удобно проследить при анализе графа перехода РЭО из одного состояния в другое, изображённого на рисунке 5.1. Действующие на систему деградационные процессы переводят РЭО в состояние, в котором оно испытывает потребность в воздействиях технического обслуживания, восстанавливающих исправное состояние. Для правильного выбора управляющих воздействий при техническом обслуживании необходима техническая диагностика, позволяющая с требуемой точностью определить состояние РЭО. Степень воздействия должна быть пропорциональна степени деградации. Ремонт производят чаще всего при внезапных отказах. Управляющие воздействия при ремонте позволяют перевести РЭО из нефункционирующего состояния в исправное.
Существуют две основные стратегии технического обслуживания: по наработке (стратегия ТОН) и по состоянию (стратегия ТОС). Структурные схемы алгоритмов процессов технического обслуживания по этим стратегиям изображены на рисунке 5.2 .
По стратегии ТОН РЭО с заданной периодичностью ТО выводится из функционального использования и демонтируется. Затем следуют операции контроля и диагностирования, позволяющие определить техническое состояние РЭО, после чего производят необходимые управляющие воздействия (замены, регулировки и восстановления). Вслед за этим вновь следуют операции контроля и диагностирования технического состояния с целью проверки пригодности РЭО к функциональному использованию. После всех этих операций следуют монтаж и функциональное использование РЭО. В настоящее время стратегия ТОН наиболее распространена при эксплуатации транспортного РЭО.
П
еречень и периодичность операций при стратегии ТОС определяется фактическим техническим состоянием РЭО в момент начала ТО. Контроль может быть непрерывным или периодическим. Если в результате контроля оказывается, что состояние РЭО S(t) лучше чем неработоспособное состояние или предшествовующее ему предельное (предотказовое) состояние S₀, то производится функциональное использование РЭО [S(t) > S₀]. Если состояние РЭО S(t) равно предельному (предотказовому) состоянию S₀ [S(t) = S₀], то проводится регулировка, меняющая состояние так, что выполнится условие S(t) > S₀, после этого осуществляют функциональное использование РЭО. Если произошёл деградационный или эксплуатационный от­каз и в результате контроля оказывается, что состояние РЭО S(t) хуже чем предельное (предотказовое) состояние S₀ [S(t) < S₀], то последовательно производятся: демонтаж, диагностирование, восстановление, контроль технического состояния, монтаж и, наконец, функциональное использование РЭО.
К
оличественно стратегии ТОН и ТОС можно сравнить путём вычисления и сравнения значений коэффициента технического использования - К_ТИ.
При стратегии ТОН с периодичностью ТО Т_ТО = Т и его длительностью τ_ТО восстановление РЭО, имеющего наработку на отказ ТО, в случае возникновения отказа производится за время τ_В.
Для этой стратегии и экспоненциального закона надёжности