Вопросы надежности и организации эксплуатации технических средств оказывают существенное влияние на эффективность их функционирования.
Под надежностью понимается свойство технических средств сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях.
Общее свойство надежности является сочетание следующих свойств:
- Безотказность — это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Наработка — это продолжительность или объем работы объекта. Наработка может измеряться в единицах времени или объема выполненной работы (длины, площади, массы, числа срабатываний и пр.), например: для автомобилей наработка может измеряться километражем пробега, для реле — количеством переключений на некотором временном интервале
- Ремонтопригодность — это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.
Близким к ремонтопригодности понятием является восстанавливаемость. Ремонтопригодное изделие становится восстанавливаемым, если при его применении допускаются вынужденные перерывы в работе всего изделия или его составных частей, имеются необходимая контрольно-измерительная аппаратура, запасные части и обслуживающий персонал соответствующей квалификации. Из сказанного следует, что не каждое ремонтопригодное изделие является восстанавливаемым. Более того, одно и то же изделие в различных ситуациях может быть либо восстанавливаемым, либо невосстанавливаемым. С другой стороны, не каждое восстанавливаемое изделие ремонтопригодно. Примером может служить изделие, в котором отказ возникает вследствие резкого ухудшения условий функционирования. Его работоспособность восстанавливается без вмешательства персонала сразу же после возвращения к нормальным условиям функционирования. Работоспособность может восстанавливаться и путем реконфигурации технических и программных средств без проведения ремонта или замены отказавшего модуля.
- Сохраняемость — это свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и/или транспортирования.
Сохраняемость характеризует поведение объекта в условиях, весьма существенно отличающихся от условий эксплуатации. Прежде всего во время хранения и транспортирования объект находится в выключенном состоянии. Кроме того, есть различия в температуре окружающей среды, влажности, других климатических условиях, механических нагрузках.
- Долговечность — это свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Предельное состояние — это такое состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Предельное состояние возникает вследствие старения, износа или существенного снижения эффективности применения объекта. В технической документации обычно указывают, какое состояние объекта следует считать предельным.
В процессе функционирования технических средств могут происходить отказы и сбои, связанные:
• Во-первых, с внутренними причинами – нарушением контактов в разъемных соединениях и в местах пайки, появлением микротрещин в печатном монтаже, выходом из строя микросхем, электрорадиоэлементов, механических и электромеханических частей устройств и т.д.;
• Во-вторых, с внешними причинами – нарушением условий эксплуатации по температуре и влажности окружающей среды, повышенный уровень вибрации, кратковременные перебои и наличие помех в системе электропитания.
Под отказом понимают нарушение работоспособного состояния. Такое нарушение может быть полным (выход из строя центральных устройств, например, процессора или оперативной памяти ЭВМ) или частичным (выход из строя одного из периферийных устройств). При обнаружении отказа необходимо проведение ремонта, замены или регулировки неисправных элементов, узлов, блоков или устройств. Продолжительность работы оборудования от окончания восстановления работоспособного состояния после отказа до появления следующего отказа называют наработкой между отказами.
Сбой – это кратковременное самоустраняющееся нарушение процесса нормального функционирования.
Сбой не нарушает работоспособного состояния оборудования, но может вызывать искажение информации.
Поэтому последствия сбоев устраняются путем восстановления достоверности информации (например, повторным пуском программы или ее части на ЭВМ).
Рассматриваемые технические средства относятся к обслуживаемым, восстанавливаемым и ремонтируемым средствам, то есть для них предусматривается возможность технического обслуживания, восстановления работоспособного состояния и проведения ремонтов.
Надежность может характеризоваться следующими основными показателями:
для оценки безотказности – вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ, интенсивность отказов;
Средняя наработка на отказ объекта (наработка на отказ) определяется как отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к числу отказов, происшедших за суммарную наработку:
, (2.13)
где ti – наработка (это продолжительность или объем работы объекта.) между i-1 и i-м отказами, ч; n(t) - суммарное число отказов за время t.
для оценки долговечности – средний срок службы;
для оценки ремонтопригодности – среднее время восстановления работоспособного состояния;
для комплексной оценки – коэффициент готовности и коэффициент технического использования.
Эти коэффициенты определяют долю времени нахождения ТС в работоспособном состоянии относительно рассматриваемого периода эксплуатации.
Повышение надежности может быть достигнуто применением следующих методов:
• Элементные методы. Надежность ТСИ определяется прежде всего надежностью комплектующих элементов. Поэтому традиционный способ повышения наработки между отказами (и сбоями) связан с использованием более надежной элементной базы и совершенствованием конструктивно-технологической основы. Надежность элементной базы существенно возрастает при переходе от одного поколения к другому, а показатели надежности современной элементной базы (интегральных схем различной степени интеграции) достаточно высоки.
Основным конструктивным звеном электронного наполнения компьютера является печатная плата типового размера с разъемом. Хотя при такой конструкции процесс ремонта сокращается до минимума, остается проблема обнаружения неисправности и ее локализация.
• Контрольно-диагностические методы. С целью поддержания высоких показателей ремонтопригодности и обеспечения достоверности информации на выходе вычислительной системы в их составе предусматриваются средства и системы автоматического контроля и диагностики.
Автоматический контроль приостанавливает выполнение операций в момент обнаружения ошибки и определяет причину ее появления (сбой, отказ). В случае сбоя система восстанавливает достоверность информации, обеспечивая возможность продолжения работы, а при отказе индицирует (указывает, выводит) ошибку, информируя о необходимости вмешательства обслуживающего персонала. Наличие такой системы препятствует распространению последствий ошибки в процессах сбора и обработки информации и гарантирует достоверность полученных данных и результатов.
Основное назначение систем автоматической диагностики заключается в снижении времени восстановления, в облегчении ремонта и обслуживания сложных технических средств. Система определяет место неисправности и выдает обслуживающему персоналу информацию, необходимую для быстрого устранения возникших неисправностей.
Контроль и диагностика реализуется с помощью оптимального сочетания аппаратных и программных средств.
• Структурные методы основаны на применении принципов дублирования, резервирования и реконфигурации систем, которые обеспечивают достоверность и надежность выполнения технологических процессов.
· Принцип дублирования сводится к организации одновременного и параллельного выполнения одних и тех же функций системой из двух однотипных устройств и сравнения получаемых промежуточных и выходных данных. При этом одно из них считается основным, другое – вспомогательным, а выдачу информации производит только основное.
· Если основное устройство выходит из строя, то его функции выполняет вспомогательное (без дублирования) или при повышенных требованиях к достоверности и надежности подключается дополнительное устройство, восстанавливая дублирование (принцип резервирования). Эти принципы облегчают диагностику неисправностей за счет возможности выполнения взаимной диагностики однотипных технических средств.
Рис.1. Схема контроля построенная на основе дублирования
· Принцип реконфигурации повышает живучесть и обеспечивает длительное функционирование системы без потери способности выполнять основные функции при отказах. Для его реализации требуется введение дополнительного оборудования (групп однотипных устройств, например, процессоров, модулей памяти и т.п.) и специальная логическая организация. Функции вышедших из строя устройств перераспределяются между работоспособными устройствами в случае отказов.
• Организационные методы. Надежность систем определяется не только принципами и качеством их разработки и изготовления, но и способами и качеством обслуживания. Поэтому еще один путь повышения показателей надежности связан с организацией их технического обслуживания, то есть с проведением профилактических и других организационно-технических мероприятий. Они выполняются с целью поддержания устройств в работоспособном состоянии, предупреждения и выявления отказов и сбоев, устранения их причин, повышения квалификации обслуживающего персонала. К основным мероприятиям относятся плановые профилактические работы, проводимые с определенной периодичностью по утвержденному графику. При составлении графиков объем работ зависит от технического состояния устройства и квалификации обслуживающего персонала. Поэтому эксплуатационные расходы тесно связаны с показателями надежности оборудования, а профилактические работы не только улучшают эти показатели, но и сокращают эксплуатационные расходы.
Таким образом, комплексное применение указанных способов обеспечивает высокую надежность современных вычислительных систем, повышает такие показатели, как средняя наработка на отказ или сбой, коэффициенты готовности и технического использования.