книги / Надежность судовой электронной аппаратуры и систем автоматического управления

Особо сложно создание системы управления беспилотными объектами. Например, система управления американской меж­ континентальной баллистической ракеты «Атлас» содержит около 300000 элементов/ а система приборов управляемого снаряда «Найк» состоит более чем из полутора миллионов отдельных эле­ ментов.

Рис. 1. График, характеризующий рост сложности электрон­ ной аппаратуры (кривая *А) и повышение средней надежности элементов (кривая Б).

Основное противоречие современной техники заключается в том, что если не приняты специальные меры по повышению надежно­ сти, то чем сложнее и точнее аппаратура управления, тем менее она надежна.

2. Рост количества элементов, используемых в электронной аппаратуре, вызвал необходимость повысить их качество.

Данные, приведенные на рис. 1, показывают, что увеличение надежности элементов резко отстает от роста сложности электрон-

ной аппаратуры. Возникновение проблемы надежности связано, с тем, что повышение качества элементов электроники резко от­ стает от их количественного применения.

3. Ответственность функций, выполняемых электронной аппа­ ратурой, в ряде случаев имеет исключительно важное значение. В связи с комплексной автоматизацией производственных про­ цессов на управляющие устройства возлагаются исключительно ответственные задачи, которые должны решаться б е з о т к а з н о в течение всего периода работы аппаратуры.

НаприМер, перерыв в работе искусственного сердца во время операции на сердце может привести к непоправимому исходу — гибели оперируемого больного. Отказ электронной аппаратуры автоматической линии, или аппаратуры автоматического управ­ ления производственным процессом, не только может привести к прекращению изготовления продукции, но может вызвать серьезную аварию.

Особую остроту приобретает требование безотказной работы аппаратуры в условиях комплёксной автоматизации процессов управления с применением'сложных многосвязных систем и элек­ тронных управляющих машин. Отказ подобных систем может привести к катастрофическим последствиям. Например, стоимость ущерба из-за отказа аппаратуры автоматического управления производственным процессом в сталелитейной или химической промышленности в сотни раз превышает стоимость самой аппара­ туры управления, а в ряде случаев приводит к гибели оборудования и людей. Нетрудно представить себе к каким последствиям могут привести отказы электронной аппаратуры военного назначения, выполняющей ответственные функции, особенно учитывая гигант­ скую разрушительную мощность современного атомного или водо­ родного оружия.

Вот почему такое внимание уделяется обеспечению безотказно­ сти работы радиоэлектронной аппаратуры ответственного назна­ чения в течение определенного срока ее действия: на время произ­ водства хирургической операции, на время полета самолета, на период управления каким-либо ответственным процессом и пр.

4. Выполнение аппаратурой своих функций в значительной мере, зависйт от полного или частичного исключения из процесса управления человека-оператора. Исключение оператора вызвано либо скоротечностью процессов, связанных с работой аппаратуры, либо ограниченностью физиологических возможностей человека участвовать в протекающих процессах. (Примером таких процес­ сов могут служить у-излучения в атомном реакторе, агрессивные среды в химических процессах, высокая температура в металлур­ гии и т. д.)

Активное включение человека в процессы управления, наряду с отрицательными свойствами, связанными с допущением ошибок при выполнении тех или иных операций, имеет и положительное

значение. Важным фактором безотказности аппаратуры является способность человека принимать решения при управлении про­ цессом работы. Его знания и опыт позволяют предусмотреть или изменить возможные ситуации и компенсировать ухудшение условий.

Однако при скоротечных процессах оператор не может доста­ точно быстро принять решение, так как факторов, которые необхо­ димо учесть и проанализировать, слишком много и они, как пра­ вило, очень сложно взаимосвязаны, а процессы протекают исклю­ чительно быстро. Поэтому осуществление многих задач управле­ ния сложными объектами возможно только при полной их авто­

радиоэлектронной аппаратуры вызвана также сложностью усло­ вий, в которых она эксплуатируется.

Широкие пределы изменений температуры и давления окружаю­ щего воздуха, воздействие влажности и различных агрессивных сред, удары и вибрации и т. д.,— вот те факторы, в которых обычно должна действовать современная электронная аппаратура. Такие условия эксплуатации неизбежно приводят к появлению допол­ нительных отказов в работе. Так, например, испытания показали, что среднее время безотказной работы радиоэлектронного обору­ дования эсминца'США в условиях стендовых заводских испытаний составляет около 150 час., а на корабле в процессе боевой работы аппаратуры всего только 1,7 часа [84]. Нёобходимы очень большие усилия для того, чтобы обеспечитьнадежность современной радио­ электронной аппаратуры.

Вопросы надежности электронной аппаратуры имеют не только техническое значение, но являются весьма важной экономической проблемой. Эксплуатация сложного и ненадежного электрон­ ного оборудования сопряжена с большими расходами на содер­ жание высококвалифицированного обслуживающего персонала, на профилактические осмотры и ремонт.

В настоящее время все отрасли промышленности и объекты современной техники (корабли, самолеты и т. д.) интенсивно осна­ щаются электронным оборудованием, решающим ответственные задачи. Это оборудование необходимо непрерывно поддерживать в рабочем состоянии или в состоянии постоянной готовности к действию. Выполнение этого требования целиком зависит от надежности разработанной аппаратуры и от качества ее эксплуа­ тационного обслуживания.

Усложнение аппаратуры управления, повышение требований точности и усложнение решаемых задач обусловили трудности эксплуатации. Очевидно, что чем сложнее аппаратура, тем труд­ нее обеспечить эксплуатационное обслуживание, тем больше аппа­ ратура подвержена расстройке и разрегулировке, тем вероятнее ее выход из строя.

Крупный русский ученый академик А. И. .Берг справедливо отмечает: «Не одно достижение "науки и техники, сколь бы эффек­ тивно оно ни было, не может быть полноценно использовано, если его реализация будет зависеть от «капризов» малонадежной аппа­ ратуры» [30].

Отсюда ясно, почему растет значение проблемы повышения надежности электронной аппаратуры и систем автоматического управления. От решения этой актуальнейшей проблемы во многом зависит дальнейшее развитие и прогресс наиболее важных отрас­ лей современной техники..

§ 2. Ф акторы, влияющие на надеж ность

Проблема обеспечения надежности охватывает все этапы со­ здания аппаратуры и весь период ее практического использования. Обеспечение надежности может быть достигнуто только работой всего коллектива специалистов, начиная от момента разработки тактико-технического задания и кончая работой личного состава, обслуживающего объект.

Все факторы, влияющие на надежность аппаратуры, можно рассматривать применительно к следующим трем этапам созда­ ния аппаратуры:

—проектирования;

—изготовления и

—эксплуатации.

Надежность аппаратуры обеспечивается в процессе разработки и конструирования системы; при проектировании устанавливается теоретическая, а в процессе изготовления — фактическая надеж­ ность каждого конкретного образца разработанной системы, ко­ торая зависит от качества комплектующих деталей и изделий и от качества сборки и монтажа. После изготовления надежность при­ боров должна поддерживаться на заданном уровне правильной организацией эксплуатации. На каждом из указанных этапов нужно принимать соответствующие меры повышения надежности.

1. Качество и количество применяемых элементов и деталей.' Выше уже отмечалось, что чем сложнее аппаратура, тем меньше ее надежность. Так как темпы роста надежности применяемых элементов схемы отстают от темпов роста их количества, то при выборе комплектующих элементов необходимо особо тщательно анализировать количественные параметры оценки надежности элементов.

На рис. 2 показана зависимость надежности аппаратуры от количества примененных в ней элементов, имеющих различную опасность отказов, рассчитанную по формуле P (t) = е~м , при t = 50 час.

Увеличение количества использованных элементов приводит к резкому ухудшению надежности аппаратуры. Так, если в аппа­ ратуре используется 100 элементов со средней опасностью отказов X = 2.Н Г5 1/час, то вероятность безотказной работы аппаратуры составляет .0,91, а если число этих элементов увеличится до 1000, то вероятность безотказной работы снижается до 0,4.

К ухудшению надежности аппаратуры приводит и применение менее надежных элементов. Например, как видно из рис. 2, ве­ роятность безотказной работы аппаратуры, состоящей из 500 эле­

ющиеся в неправильном применении выбранных элементов. (Осо­ бенно это касается применения электровакуумных приборов.) Обычно такие ошибки являются следствием недостаточной осве­ домленности в номенклатуре изготовляемых промышленностью элементов, об их свойствах и особенностях применения.

Для каждого элемента, в. процессе его разработки и принятия Государственной комиссией, устанавливаются частные технические условия (ЧТУ), в которых указываются рекомендуемые и пре­ дельно допустимые электрические, температурные и другие режимы работы. Применение элементов в режимах более тяжелых, чем пока­ зано в ЧТУ, приводит, как правило, к снижению их надежности.

На рис. 3 показана зависимость опасности отказов некоторых элементов от условий применения их в аппаратуре.

Надежность часто зависит не только от режимов работы выбран­ ных элементов, но и от варианта схемного решения и от конструк­ тивного оформления прибора. Приборы, спроектированные по одной и той .же принципиальной схеме, могут дать неодинаковый эффект по надежности, даже при использовании в схеме одних и тех же типов элементов, взятых в . одинаковых количествах.

и выключений значительно ниже, чем в режиме с небольшим чис­ лом включений и выключений за тот же отрезок времени.

Фактор времени также влияет на надежность аппаратуры. Продолжительность эксплуатации многих типов аппаратуры с мо­ мента выпуска с завода до капитального ремонта может исчис­ ляться несколькими годами. Аппаратура за этот период может проработать до 10—12 тыс. час. Систематические данные показы­ вают, что к концу этого периода повышается опасность отказов кабельных соединений, радиодеталей и узлов с подвижными ча­

аппаратуры показывает несколько другое удельное соотношение влияния различных факторов на надежность аппаратуры. Уста­ новлено, что 43 % общего количества повреждений в радиоэлектрон­ ной аппаратуре происходит от ошибок, допущенных при проекти­ ровании, 30% относятся к условиям эксплуатации, 20% — к про­ изводству и 7% — к прочим причинам (износ, старение и т. д.).

Общая классификация отказов радиоэлектронной аппаратуры по данным США ,[1 ] приведена в табл. 1.

Как следует из таблицы, неправильная эксплуатация дает около 18% повреждений, что является недопустимо высоким процен­ том и свидетельствует о низкой квалификации обслуживающего персонала.

В насыщенных участках схемы часто можно повредить монтаж­ ные соединения, особенно при замене ламп, и конструктор должен учитывать подобную опасность. Небрежно составленная инструк­ ция по эксплуатации также может быть причиной повреждения оборудования.

Более строгий контроль при производстве изделий мог бы сократить число отказов, но даже и в этом случае возможен ряд скрытых дефектов— плохая пайка или сварка, загрязнения,