ЛЕКЦИЯ 12 -13

 Методы повышения надежности сложных технических систем

1. Требования, предъявляемые к надежности сложных технических систем

Низкая надежность сложных ТС приводит к увеличению времени их простоя, увеличению эксплуатационных расходов, гибели дорогостоящей аппаратуры. Для гражданской техники это означает увеличение себестоимости и понижение производительности труда, для военной техники – это понижение ее боевой эффективности.

 Важность решаемых современными сложными ТС задач, с одной стороны, и дороговизна таких систем, с другой стороны, требуют их высокой надежности.

Современные методы позволяют спроектировать и изготовить систему сколь угодно высокой надежности. Однако такая система будет иметь большой все, габариты и стоимость.

Очевидно, по множеству показателей техническая система должна иметь некоторую оптимальную надежность. Для установления оптимальности необходимы критерии качества или оптимальности. Такими критериями, например, для военной аппаратуры могут быть критерий максимальной боевой эффективности, а для гражданской – критерий минимальной стоимости.

Согласно критерию максимальной боевой эффективности боевая система будет наилучшей, если ее боевая эффективность максимальна. Количественными характеристиками боевой эффективности могут быть: необходимое количество средств для выполнения задачи; вероятность нанесения заданного ущерба определенной цели и определенным числом средств, или другие подобные характеристики.

Боевая эффективность также зависит от точности, надежности и живучести. Чем выше точность, надежность и живучесть, тем выше боевая эффективность.

Высокая точность наиболее часто достигается усложнением системы управления. Усложнение же ТС, если это делается не в целях повышения надежности, приводит, при прочих равных условиях, к понижению ее надежности. Поэтому для достижения боевой эффективности необходимо разумно устанавливать соотношение между точностью и надежностью.

В некоторых случаях критерий максимальной боевой эффективности оказывается недостаточным при разработке тактико-технических требований на надежность военной аппаратуры. Необходимо дополнительно учитывать важность выполняемых задач с помощью ТС, разрушительное действие современного оружия, а также стоимость ТС.

Все это исключительно усложняет оптимизацию военных ТС. Задача усложняется еще тем, что не существует е д и н о й количественной характеристики надежности. Обычно требуется большое число характеристик, позволяющих достаточно полно оценивать надежность любой ТС , в том числе и военных систем.

Рекомендуемые материалы

Согласно критерию минимума стоимости , используемому для оптимизации обычных ТС, ТС является оптимальной, если при прочих равных ее качествах суммарная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации минимальна.

Повышение надежности при проектировании и изготовлении ТС требуют привлечения дополнительных средств. Это обусловлено тем, что высоконадежная ТС состоит из более дорогих элементов, требует дополнительной затраты времени на проектирование, специальной технологии изготовления и т.п.

Однако высоконадежная ТС имеет меньшее число отказов, чем ТС, имеющая низкую надежность. Это уменьшает время вынужденного простоя ТС, необходимое число запасных деталей и узлов, позволяет уменьшить число высококвалифицированного и технического персонала, а следовательно, снизить эксплуатационные расходы.

Таким образом, с увеличением надежности аппаратуры растет стоимость проектирования и изготовления, но уменьшается стоимость эксплуатации.

В случаях когда ,критерия минимума стоимости для гражданской ТС так же, как и критерия максимальной боевой эффективности для военной, бывает недостаточно при оптимизации ТС по надежности используют многокритериальную оптимизацию.

 2. Методы повышения надежности сложных систем

Оценить аналитически эффективность того или иного метода повышения надежности возможно только тогда, когда известно, как влияют основные характеристики этого метода на количественные характеристики надежности метода.

 В общем случае методы повышения надежности принципиально могут быть сведены к следующим основным:

· резервированию системы;

· уменьшению интенсивности отказов системы;

· сокращению времени непрерывной работы;

· уменьшению среднего времени восстановления.

Реализация указанных методов может осуществляться либо при проектировании, либо при изготовлении, либо в процессе эксплуатации

А.Роль проектирования

Наиболее эффектными и многочисленными методами повышения надежности ТС являются методы, которые применяются при их проектировании. К таким методам относятся:

· резервирование,

· упрощение системы,

· выбор наиболее надежных элементов,

· создание схем с ограниченными последствиями отказов элементов,

· облегчение электрических, механических, тепловых и других режимов работы элементов,

· стандартизация и унификация элементов и узлов,

· встроенный контроль,

· автоматизация проверок.

Эффективность этих методов в том, что они позволяют из малонадежных элементов строить надежные системы. Эти методы позволяют уменьшить интенсивность отказов системы, уменьшить среднее время восстановления и время непрерывной работы системы.

Б.Роль изготовления

При изготовлении ТС надежность можно повысить, совершенствуя технологию производства, осуществляя автоматизацию производственных процессов, применяя статистический контроль качества продукции, осуществляя тренировку элементов и систем. Все эти методы позволяют уменьшить интенсивность отказов ТС.

В.Роль эксплуатации

Повысить надежность ТС в процессе ее эксплуатации чрезвычайно трудно. Это объясняется тем, что надежность системы в основном закладывается при ее проектировании и изготовлении, а при эксплуатации надежность только расходуется. Скорость ее расхода зависит от методов эксплуатации, квалификации обслуживающего персонала, условий эксплуатации.

Задача инженеров-эксплуатационников состоит не в повышении надежности системы, а в том, чтобы как можно дольше сохранить надежность аппаратуры, заложенную в процессе ее проектирования и изготовления.

Научные методы эксплуатации включают в себя научно обоснованные способы проведения профилактических мероприятий и ремонтов. Сюда, в первую очередь, относятся частота и глубина проверок, условия хранения, регламентация времени непрерывной работы ТС и т.п.

Следует, также отметить , что в процессе эксплуатации не только расходуется надежность. При правильной организации эксплуатации также удается повысить надежность аппаратуры. Действительно, если профилактические мероприятия предупреждают отказы, то это аналогично уменьшению интенсивности отказов системы. Разница состоит лишь в том, что здесь надежность элементов фактически не повышается, как при проектировании и изготовлении, а своевременно происходит смена или ремонт еще не отказавших элементов, но таких, вероятность отказов которых сильно возросла.

Итоговые данные экспериментов и эксплуатации оказывают влияние на проектирование и изготовление вновь разрабатываемой ТС. Это объясняется тем, что данные об отказах ТС, полученные при ее эксплуатации, характеризуют ее надежность и поэтому являются исходными данными при проектировании высоконадежных ТС подобного типа.

Эксплуатация может быть уподоблена громадному по объему эксперименту с реальными условиями работы ТС, который не может быть проведен ни в одной лаборатории. Поэтому сбор, научная обработка и обобщение статистических данных об отказах аппаратуры является одной из важных функций технической эксплуатации.

Для выделения целесообразности применения , эффективности, достоинств и недостатков рассмотрим более подробно основные характеристики перечисленных методов.

1) Резервирование как средство повышения надежности

1. Основное положительное свойство резервирования состоит в том, что оно позволяет из малонадежных элементов проектировать надежные системы. Это свойство резервирования выгодно отличает его от остальных методов повышения надежности.

,

,

в) резервирование как средство повышения надежности наиболее целесообразно применять для повышения надежности сложных систем, предназначенных для короткого времени непрерывной работы, часто требует высокой кратности резервирования. Это ограничивает его использование в системах, для которых существуют ограничения веса, габаритов или стоимости;

с) повышение надежности ТС путем ее резервирования осуществляется за счет ухудшения таких ее характеристик, как вес, габариты, стоимость, условий эксплуатации (увеличение частоты проверок, числа запасных элементов, узлов и отдельных приборов и т.п.).

 2 )Упрощение системы

Одной из главных причин возникновения проблемы снижения надежности является исключительная сложность современных технических автоматических систем. Уменьшение сложности системы (упрощение) может существенно повысить ее надежность. Причем этот эффект тем, больше, чем ниже надежность элементов и чем сложнее ТС.

Однако создание простых схем является одной из наиболее трудных технических задач. Трудность этой задачи состоит в том, что упрощение системы дает ощутимый эффект лишь при значительном уменьшении числа элементов. Между тем сильное упрощение системы в большинстве случаев не позволяет обеспечить нужную точность и быстродействие автоматической системы.

Упрощение системы является, пожалуй, единственным методом повышения надежности при одновременном уменьшении веса. Уменьшение же веса, в свою очередь, может быть косвенным источником повышения надежности аппаратуры, так как высвободившийся за счет рационального проектирования вес может быть использован в качестве резерва надежности. Это обстоятельство позволяет заключить, что упрощение аппаратуры является весьма эффективным, но достаточно трудно реализуемым методом повышения надежности.

3)Выбор наиболее надежных элементов

При проектировании сложной системы ( когда нельзя её упростить )всегда необходимо стремиться выбрать наиболее надежные элементы. Следует, однако, иметь в виду, что чем выше надежность элемента, тем он часто имеет больше вес, габариты и стоимость. Поэтому выбирать тот ли иной тип элемента необходимо на основании анализа технических требований на надежность и по возможности предварительного расчета надежности проектируемой схемы.

4)Облегчение режимов работы элементов

Улучшить условия работы элементов можно, во-первых, уменьшая вредное влияние окружающей среды и внешних воздействий и, во-вторых, облегчая электрические режимы работы. Уменьшить вредное влияние окружающей среды и внешних воздействий можно, создавая искусственный климат и демпфируя ТС. Облегчить электрические режимы работы элементов можно снижением нагрузки и уменьшением температуры окружающей среды.

Облегчение режимов работы элементов практически означает, что в систему вводятся элементы, имеющие определенный запас по мощности (или напряжению, току, и т.д.). Следует заметить, что замена одних элементов другими, рассчитанными на большую мощность, не обязательно приводит к повышению надежности. Это объясняется тем, что элементы, рассчитанные на большую мощность, могут быть сами по себе менее надежными, чем маломощные.

 Выбирая за основной критерий качества системы ее надежность и вероятность безотказной работы, задачу о выборе режимов работы элементов формулируют таким образом ,чтобы при заданном численном значении вероятности безотказной работы системы , известной ее принципиальной схеме, (т.е. типе и числе элементов) так выбрать режим работы элементов , чтобы вероятность безотказной работы системы была не ниже заданного значения.

 

Надежность сложной системы, как правило, определяется ограниченным числом типов элементов. Это – либо наиболее многочисленные элементы системы, либо наименее надежные. В связи с этим режимы работы элементов лучше подбирать не для всех элементов, а лишь для тех, которые оказывают существенное влияние на надежность системы.

5)Отбраковка малонадежных элементов

Интенсивность отказов системы на начальном участке времени ее работы обычно значительно выше, чем на участке нормальной работы. Это объясняется тем, что при изготовлении системы в нее могут попасть элементы с внутренними , производственными или другими дефектами Подобные дефекты часто не удается выявить при заводских методах испытания в течение сравнительно короткого времени работы системы.

Отбраковать ненадежные элементы можно путем тщательной проверки элементов при тяжелых условиях их работы. Утяжелять условия работы элементов наиболее удобно, увеличивая либо коэффициент нагрузки, либо температуру окружающей среды. При этом возникают два важных вопроса: как долго необходимо испытывать элементы и при каких коэффициентах нагрузки (температуре окружающей среды).

6)Создание схем с ограниченными последствиями отказов элементов

Отказы элементов сложной системы не равноценны. Одни отказы приводят к потере работоспособности, другие лишь ухудшают характеристики системы, третьи нарушают контроль человека за работой системы и т.д.

Проектировать схемы с ограниченными последствиями отказов необходимо таким образом, чтобы отказ элементов не приводил к потере работоспособности или разрушению системы, а приводил, в крайнем случае, лишь к ухудшению характеристик.

7)Стандартизация( применение стандартов ) и унификация ( приведение к наименьшему числу типоразмеров )элементов и узлов

Унифицированные и стандартизованные схемы узлов всегда наиболее надежны. Это объясняется тем, что такие узлы, как правило, доведены до совершенства на основании богатого опыта эксплуатации.

Кроме того, что унифицированные узлы сами по себе наиболее надежны, они значительно облегчают построение систем высокой надежности. Они позволяют применять такие эффективные методы повышения надежности, как скользящее резервирование. Они позволяют также логически перестраивать структуру автоматической системы при возникновении отказов.

Большое число стандартных унифицированных однотипных узлов в системе позволяет спроектировать сложную ТС кибернетического типа с самовосстановлением отказавших узлов.

Стандартизация и унификация узлов могут существенно уменьшить время, потребное на отыскание и устранение неисправностей. Это означает, что этот метод повышения надежности позволяет не только уменьшить интенсивность отказов системы, но также уменьшить среднее время восстановления, а значит, улучшить коэффициенты надежности системы.

8)Совершенствование технологии производства и его автоматизация

Совершенствование технологии производства и его автоматизация обеспечивают высокую однородность продукции, что повышает надежность продукции и уменьшает разброс ( дисперсию) времени возникновения отказов. Большая интенсивность отказов вначале эксплуатации аппаратуры объясняется скрытыми дефектами ее элементов. При ручном производстве таких элементов будет значительно больше, чем при совершенной технологии и полной автоматизации производства т.е. повышение надежности неразрывно связано с общим техническим прогрессом.

9)Статистический контроль качества

Статистический контроль качества, проводимый на производстве непрерывно, позволяет выявить эти причины, повлиять должным образом на технологический процесс и отбраковать дефектную продукцию. Этим самым он позволяет добиться высокой надежности и однородности продукции.

10)Профилактические мероприятия

Профилактические мероприятия, проводимые при эксплуатации ТС , направленные на предупреждение отказов, позволяют выявить слабые элементы и узлы, устранить их дефекты до появления полного отказа и тем самым уменьшить интенсивность отказов всей системы.

В процессе эксплуатации надежность аппаратуры расходуется. При проведении же профилактических мероприятий она может восстанавливаться.

Недостатком данного способа по сравнению с резервированием является незначительный выигрыш надежности по интенсивности и вероятности отказов.

 11) Сокращение времени непрерывной работы

Надежность, как свойство аппаратуры, проявляется в эксплуатации. С течением времени надежность ее теряется. Чем больше суммарное время работы системы, тем ниже становиться ее надежность. Уменьшая суммарное время работы системы, можно тем самым увеличить время ее существования в исправном состоянии.

Сокращение времени непрерывной работы ТС фактически не является методом повышения ее надежности, так как повысить надежность, изменяя время работы, не представляется возможным. Этот способ позволяет лишь разумно расходовать надежность.

Сократить время непрерывной работы ТС можно путем многократного ее включения и выключения. Это удается сделать всегда в тех случаях, когда для управления объектом регулирования нет необходимости включать систему в течение всего времени движения объекта.

 12) Уменьшение среднего времени восстановления

Время восстановления оказывает существенное влияние на коэффициенты надежности: коэффициент готовности, коэффициент вынужденного простоя, коэффициент профилактики. Уменьшить среднее время восстановления можно, уменьшив число отказов и сократив время, потребное на ремонт системы.

Уменьшить время, потребное на ремонт ТС , можно, во-первых, путем рационального ее конструирования (встроенный контроль, блочная конструкция и т.п.) и, во-вторых, используя научные методы эксплуатации.

Тестовые вопросы

Контрольные вопросы

1. Требования, предъявляемые к надежности сложных систем.

2. Условия надежности сложных систем.

3. Методы повышения надежности сложных систем.

4. Роль эксплуатации в системе надежности.

Бесплатная лекция: "8 Войны Рима во II в. до н. э." также доступна.

5. Резервирование, как средство повышения надежности

6. Влияние резервирования на работу сложных автоматических систем

7. Способы уменьшения интенсивности отказов систем

8. Сокращение времени непрерывной работы.

9. Уменьшение среднего времени восстановления.

10. Упрощение системы.