Проблеми визначення надійності пристроїв
Інтернет речей: футуристичні прогнози здійснюються
Сьогодні IoT-датчики затребувані та застосовні всюди: від фітнес-трекерів до складної електроніки на службі промисловості та сільського господарства. Зв'язки між пристроями ставатимуть усе складнішими, їх число — зростатиме в геометричній прогресії, а вплив на життя людей стане очевидним: інтернет речей зможе підвищити якість життя та економічну ефективність бізнесів.
Міжнародний форум «МЕМС сьогодні та завтра»
У 2014 р. у Казані пройшов четвертий щорічний МЕМС-форум, присвячений розробці, виробництву та застосуванню МЕМС-пристроїв, а також перспектив розвитку українського ринку МЕМС.
Аналіз підготовки фахівців для підприємств радіоелектроніки
Залишиться єдиний шлях цільової спеціалізації студента під конкретні місця для підприємств радіоелектроніки - починаючи з третього курсу навчання в університетах. У цьому випадку буде можливість задовольнити вимоги роботодавця до рівня підготовки молодого спеціаліста для роботи на підприємствах радіоелектроніки.
Реклама наших партнерів
У статті розглянуто основні поняття, пов'язані із розрахунком надійності. Наведено розрахунок напрацювання на відмову з наочним прикладом.
основні поняття
Надійність можна визначити як ймовірність того, що пристрій коректно функціонуватиме протягом зазначеного проміжку часу. Головне завдання полягає у розрахунку терміну служби, оскільки він має бути вказаний у документації до того, як пристрій перейде у користування. Визначення терміну служби експериментальним шляхом утруднено, інколи ж неможливо через великі тимчасові витрати. Як правило, термін служби пристрою чи системи становить кілька років.
Безвідмовність - властивість об'єкта безперервно зберігати працездатний стан протягом деякого часу.
Довговічність – властивість об'єкта зберігати працездатний стан при встановленій системі технічного обслуговування та ремонту.
Ремонтопридатність – властивість об'єкта, що полягає у пристосованості до підтримки та відновлення працездатного стану шляхом технічного обслуговування та ремонту.
Зберігається – властивість об'єкта зберігати в заданих межах значення параметрів, що характеризують його здатність виконувати необхідні функції під час зберігання, а також під час транспортування та після неї.
Перелічені найважливіші властивості надійності характеризують певні технічні стани об'єкта. Розрізняють п'ять основних видів технічного стану об'єктів.
Справний стан – стан об'єкта, у якому він відповідає всім вимогам нормативно-технічної та проектної документації.
Несправний стан - стан об'єкта, при якому він не відповідає хоча б одній із вимог нормативно-технічної та проектної документації.
Працездатний стан – стан об'єкта, у якому значення всіх параметрів, що характеризують здатність виконувати задані функції, відповідають вимогам нормативно-технічної та проектної документації.
Непрацездатний стан - стан об'єкта, при якому значення хоча б одного параметра, що характеризує здатність виконувати задані функції, не відповідає вимогам нормативно-технічної та проектної документації.
Граничний стан – стан об'єкта, у якому його подальша експлуатація неприпустима чи недоцільна, або відновлення його працездатного стану неможливе чи недоцільно.
Згідно з ГОСТ 27.002-89, для оцінки надійності використовується термін «напрацювання на відмову» – напрацювання з моменту відновлення працездатного стану після відмови до виникнення наступної відмови. Це визначення застосовно до ремонтопридатної продукції, при експлуатації якої допускаються відмови, що багато разів повторюються. В англійській літературі цей параметр позначається абревіатурою MTBF (mean time between failures) – середній час між відмовами.
У разі не підлягає ремонту продукції використовується термін «напрацювання до відмови» – напрацювання від початку експлуатації до виникнення першої відмови. Еквівалент у англійській літературі – MTTF (mean time to failures). Відмовлення – це важливий параметр для визначення терміну служби системи або пристрою.
Найчастіше виробник вказує гарантійний термін (lifetime warranty), протягом якого параметри виробу відповідають тим, що в документації. Середнє напрацювання на відмову визначається як відношення сумарного напрацювання пристрою, що відновлюється, до кількості відмов, що відбулися за сумарне напрацювання:
де ti - напрацювання між i-1 і i-м відмовами, год; n(t) – сумарна кількість відмов протягом t.
Перші методики прогнозування надійності з'явилися торік у 50-х гг. Вони закріплені у стандарті MIL-HDBK-217, який відтоді оновлювався лише шість разів (остання редакція датується 1995 р.). Нещодавні дослідження показали, що наявні методики не забезпечують точного результату через кілька причин, серед яких:
- довідкові дані, на основі яких проводиться розрахунок, швидко застарівають;
- прийняті до уваги не всі типи відмов;
- не враховано конструктивні особливості пристроїв.
Внаслідок прогнозування надійностіодержують коефіцієнт, що описує складну систему через ступінь інтенсивності відмов. Прогнозування доцільно використовуватиме попередньої оцінки надійності та експлуатаційних витрат, проте достовірних результатів воно забезпечує.
Табличні значення MILHDBK-217 не оновлювалися з 1995 р. До того ж оновлення, які були зроблені, не торкнулися роз'ємів. Таким чином, у стандарті передбачено лише моделі з'єднувачів, які були розроблені 35 років тому. Крім того, довідкові дані були зібрані з різних джерел, у різні періоди та за різних умов, про які немає інформації в цих довідниках.
Через перелічені причини довідкові дані відстають від технологічних. Таким чином, технології, що зароджуються, не будуть враховані навіть після оновлення даних.
Крива відмов
При оцінці надійності MIL-HDBK-217 передбачається, що інтенсивність відмов постійна. Проте в реальності це не так, і вона залежить від великої кількості факторів, зокрема від умов експлуатації і терміну служби компонента, що залишився.
На малюнку 1 наведено приклад кривої інтенсивності відмов для електронного пристрою. По вертикальній осі відкладено можливість виходу пристрою з ладу. По горизонтальній осі – час без дотримання масштабу. Ліва крива перед червоною кордоном відповідає часу, протягом якого більшість пристроїв виходить з ладу за наявності шлюбу. На цьому етапі проводиться відсівання бракованих пристроїв на заводі. Як правило, час виявлення шлюбу вбирається у 50 год, кількість піддослідних пристроїв невелика.
Мал. 1. Інтенсивність відмов Early life period – початковий період роботи; constant life period – період стабільного функціонування; wear out life period – періодзносу; burn in - нормалізація параметрів; hours – годинник; years – роки; time – час
На другому горизонтальному ділянці можливість відмови приблизно постійна. Тривалість цієї ділянки є напрацювання на відмову. Як правило, половина цього часу використовується виробником як орієнтир для визначення гарантійного терміну. Далі крива демонструє збільшення ймовірності відмов. Маються на увазі не лише поломки, а й відхилення параметрів роботи виробу від заявлених. Це збільшення обумовлено тим, що ряд елементів у пристрої досягає життєвої межі через технологію виготовлення, тобто. настає технологічне зношування елементної бази. Таким чином, час напрацювання на відмову статистично визначає час працездатного життя пристрою за умов експлуатації.
Розрахунок надійності
Найбільш простим способом розрахунку надійності є обчислення відношення загального часу роботи до загальної кількості відмов. Цей спосіб застосовується для оцінки масових продуктів, а також для оцінки надійності пристрою на основі оцінки роботи аналогічних пристроїв попереднього покоління. Найчастіше надійність визначається перших стадіях специфікації.
Альтернативним способом визначення надійності є обчислення відношення загального часу до загальної кількості пристроїв. Зазначимо, що обидва способи не забезпечують абсолютної точності.
Виробник, як правило, визначає напрацювання на відмову на підставі заявленої надійності використовуваних компонентів, результатів короткочасних інтенсивних випробувань партії виробів та розрахунків, що враховують безліч мінливих у часі причин, що впливають на надійність виробу. При розрахунках використовуються методики, які застосовуються для пристроїв військового призначення. Стандартом передбачається, щобчас напрацювання на відмову було наведено у годинах, а не у роках.
Розглянемо приклад. Протягом року тестувалося 1000 виробів. За час випробувань 10 виробів вийшло з ладу. Звідси напрацювання на відмову складає 1 рік × (1000 шт/10 шт) = 100 років = 876 580 год. Виробник округлить цей показник до 900 тис. год, тому що продавець все одно надасть гарантію 2-3 роки. Отже, 900 тис. год - це термін, після якого існує висока ймовірність того, що виріб конкретної серії вийде з ладу. У той самий час спиратися однією величину, характеризує надійність, годі було. Нижче розглянуто приклад, в якому надійність пристрою залежить від умов встановлення та експлуатації.
Одним із факторів, який не враховується при розрахунку надійності, є вібропереміщення друкованої плати. Хоча компоненти на платах на малюнку 2 розташовані однаково, надійність цих пристроїв дуже різна. Причина очевидна: на одній платі є чотири гвинти, на іншій – шість.
Мал. 2. Порівняння профілів вібрації. (Зліва плата закріплена 4 гвинтами, праворуч – шістьма. Плата справа характеризується вищою надійністю)
На малюнку 3 розглядається розташування резистора, встановлений методом поверхневого монтажу. На першій платі резистор розташований в області, яка сильно вібрує, а на другій платі резистор розташований на краю, і термін його служби збільшується. Ці два приклади дозволяють виявити слабкість методики MIL-HDBK-217.
Апаратні відмови діляться на механічні та електронні. Прогнозування має бути проведено не лише щодо електронних компонентів, а й щодо моделей, технологічного процесу, зносу, програмної частини та зовнішніх факторів (обслуговуючий персонал тощо).
Мал. 3.Варіанти розміщення резистора на платі. (Плата праворуч характеризується вищою надійністю)
Отже, при розрахунку надійності не враховуються такі фактори як спосіб встановлення пристрою, власна частота коливань плати, розташування прогинів плати по відношенню до компонентів, температурний розподіл, вологість, вібрації, механічні та температурні на компоненти протягом життєвого циклу пристрою і т.д. Крім того, передбачається, що робоча температура та напруга не змінюються, хоча в деяких проектах компоненти працюють у нестандартних для них режимах. Це може спричинити непередбачені відмови. Наприклад, для силових модулів та біполярних транзисторів із ізольованим затвором двома основними причинами відмов є обрив дроту та відшарування кристала. Ці процеси можна розрахувати аналітично і точно визначити інтенсивність та термін відмови.
Альтернатива
Для отримання достовірної інформації про надійність пристрою необхідно зобов'язати постачальника провести оцінку надійності, яка складатиметься з двох етапів: аналіз моделі надійності (SRM – System Reliability Model) та An assessment of the contractor's planned reliability Activities.
SRM – це графічне уявлення системи та аналіз її надійності (Reliability Block Diagram (блок-схема надійності), Fault Tree (дерево відмов), Event Tree (дерево подій)). Аналіз дозволить визначити слабкості проектованої системи, які можуть призвести до втрати функціональності, безпеки тощо, або виявити компоненти, відмова яких призводить до збільшення витрат.
Модель SRM описує пристрій у найдрібніших деталях. Пристрій розбивається на атомарні функціональні елементи та взаємозв'язки між ними. Розглядається як апаратна, так і неапаратнікомпоненти пристрою, у т.ч. набуті готові стандартні компоненти, орендоване обладнання, програмне забезпечення, людські ресурси, виробничий процес.
Коли специфікацію системи закінчено, приступають до попередньої оцінки за стандартними критеріями (інтенсивність відмов, напрацювання на відмову тощо). Усі припущення, джерела даних та обґрунтування застосовуваних методів мають бути документально закріплені. Далі проводять оцінку ризиків та розробляють план дій, спрямованих на зниження ризику елементів та підвищення надійності системи. Для оцінки рекомендується використовувати програмний інструмент AMSAA Reliability Scorecard. Він представляє результати аналізу у наочній формі, що дозволяє швидко оцінити найуразливіші елементи та розробити стратегію підвищення надійності пристрою.
Висновок
Складність визначення надійності пов'язані з необхідністю обліку великої кількості чинників, і навіть з неможливістю отримати експериментальні результати. Час напрацювання на відмову не враховує умов експлуатації, тому до отриманого значення слід ставитись з обережністю.
На основі аналізу випадків повернення виробів виробник може визначити домінуючі механізми відмови, ідентифікувати відповідні моделі та використовувати їх для оцінки терміну служби компонентів, які будуть застосовуватись у конкретному додатку за певних умов. З практичної точки зору доцільно дослідити лише один, найбільш вразливий компонент системи, оскільки його вихід з ладу найшвидше призведе до відмови.
Слабкі місця системи визначаються під час аналізу дерева відмов чи аналогічного дослідження. Елементи дерева помилок оцінюються за відомими критеріями, а потім з'ясовується, чи потрібнододаткове тестування чи доопрацювання.