Стартовая >> Книги >> Учеба >> Волоконно-оптические системы передачи данных

Расчет показателей надежности микропроцессора - Волоконно-оптические системы передачи данных

Оглавление
Волоконно-оптические системы передачи данных
Анализ выходной информации и требований технического задания
Обзор аналогичных конструкций
Конструкторско-технологический анализ изделия
Проектирование и выбор конструкции модуля
Расчет показателей надежности микропроцессора
Проектирование ТП сборки платы микропроцессора

3 РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРА

 

Надежность - это свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах в течение требуемого промежутка времени, и возможность возобновления функционирования, утраченного по тем или иным причинам.
В любой момент времени модуль МПЦ может находиться в исправном или неисправном состоянии. Если модуль в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение вычислительных процессов (точность, быстродействие и др.), так и в отношении второстепенных параметров, характеризующих внешний вид и удобство эксплуатации, то такое состояние называют исправным состоянием. В соответствии с этим определением неисправное состояние МПЦ, при котором он в данный момент времени не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, установленных в отношении как основных, так и второстепенных параметров.
Однако не каждая неисправность приводит к невыполнению МПЦ заданных функций в отношении основных параметров. Например, образование вмятин или ржавчины на корпусе модуля, выход из строя индикаторов не могут препятствовать эксплуатации МПЦ. Поэтому для оценки надежности введены понятия «работоспособность» и «отказ».
Работоспособность - состояние, при котором она в данный момент времени соответствует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное протекание вычислительных процессов.
Отказ - событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности. Так как не всякая неисправность приводит к отказу, то на практике различают неисправности основные и второстепенные. Основные неисправности приводят к отказу. Второстепенные неисправности не приводят к отказу, однако создают неудобства в эксплуатации и портят внешний вид модулей. Поэтому второстепенные неисправности целесообразно своевременно устранять.
Возникновение отказа во времени - случайное событие, что позволяет для оценки надежности системы использовать методы теории вероятности и математической статистики.
Основными характеристиками надежности являются:
- вероятность безотказной работы Р(t);
- интенсивность отказов l(t);
- средняя наработка до первого отказа Тср.
Цель расчета является определение среднего времени безотказной работы, и вероятности безотказной работы, в течение определенного интервала времени.
Среднее время безотказной работы является одним из основных критериев правильности выбора элементной базы, так как в общем, случае при ее определении учитываются основные параметры элементов, режимы работы схемы (коэффициенты нагрузки), а так же условия эксплуатации прибора [12].
При определении надежности блока Рc(t) через известные показатели надежности ее элементов вводят следующие допущения: отказы элементов статистически независимы; отказ любого элемента приводит к отказу системы. Принятые допущения позволяют использовать теорему умножения вероятностей.
Приближенный расчет надежности по внезапным эксплуатационным отказам выполняют по формуле [13]:

Pc(t)=exp(-tSlOJNJ) (5.1)

где lOJ - интенсивность отказов J-й группы, 1/ч;
NJ - число элементов J-й группы, шт.
При уточненном расчете надежности учитывают внешние воздействия, влияние тепловых и электрических нагрузок элементов устройства. Расчет проводят по формуле [13]:
PC(t)=exp(-kltSlJNJ) (5.2)
lJ=aJlOJ, (5.3)
kl= kl1´ kl2´ kl3, (5.4)

где lJ - интенсивность отказов элементов при эксплуатации в заданных условиях, 1/ч;
lOJ- интенсивность отказов элементов при эксплуатации в номинальном режиме, 1/ч;
aJ - поправочный коэффициент интенсивности отказов, учитывающий влияние температуры окружающей среды и электрическую нагрузку;
kl - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации РЭС;
kl1- поправочный коэффициент, учитывающий воздействие механических факторов (вибрации, ударные нагрузки);
kl2 - поправочный коэффициент, учитывающий воздействие климатических факторов (температура, влажность);
kl3 - поправочный коэффициент, учитывающий условия работы при пониженном давлении;
kH - коэффициент нагрузки.
На основе изложенного подготовим необходимые для расчета исходные данные [12; 14].
Поправочный коэффициент, учитывающий воздействие механических факторов при лабораторных условиях эксплуатации ударных воздействиях равен: kl1=1 [14].
Поправочный коэффициент, учитывающий воздействие климатических факторов при влажности 90-98% и температуре 30-40°С равен: kl2=1,5 [14].
Поправочный коэффициент, учитывающий условия работы при пониженном давлении при высоте 0-1 км равен: kl3=1,0 [14].
Таким образом, kl=1,0´1,5´1,0=1,5.
В таблице 5.1 представлены данные для окончательного расчета надежности по внезапным отказам.
Таблица - 5.1 Данные для окончательного расчета надежности по внезапным отказам.


Наименование

Кол-во, N, шт

Температура Т,°С

lOJ min, 10-6 1/ч

lOJ ср, 10-6 1/ч

lOJ max, 10-6 1/ч

kH

aJ

aJ´kl´
´N´lOJ min, 10-6
1/ч

aJ´kl´
´N´lOJ ср, 10-6
1/ч

aJ´kl´
´N´lOJ max, 10-6
1/ч

Конденсатор электролитический

2

50

0,003

0,035

0,513

0,4

0,28

0,002

0,029

0,43

Конденсатор керамический

3

50

0,042

0,15

1,64

0,5

0,5

0,094

0,337

3,69

Микросхема

17

60

0,01

0,02

0,03

0,5

0,4

0,102

0,204

0,306

Резистор металлопленочный

48

50

0,004

0,2

0,4

0,5

0.7

0,202

10,08

20,16

Диод кремниевый

1

50

0,021

0,2

0,452

0,6

1.0

0,0315

0,3

0,678

Кварц

1

50

0,02

0,2

0,45

0,5

0,6

0,02

0,18

0,405

Паяные соединения

445

50

0,01

0,01

0,01

0,3

0,4

2,167

2,167

2,167

Всего

 

 

 

 

 

 

 

3,122

13,8

28,339

Среднюю наработку до первого отказа без учета восстановлений определим из выражения [12]:

T0C=1/klSlJNJ, (5.5)

T0max=1/3,122´10-6=32007,5 ч.
T0ср.=1/13,8´10-6=72463б77 ч.
T0min=1/28,339´10-6=35287,06 ч.
Вероятность безотказной работы с учетом поправочных характеристик, при заданной в техническом задании наработке на отказ Т=50000 часов без учета восстановлении равна:
РС(t)min= exp (-5000´28,339´10-6) = 0.867;
РС(t)ср. = exp (-5000´13,8´10-6) = 0,94;
РС(t)max = exp (-5000´3,122´10-6) =0,99.
Среднее время восстановления модуля определяется по формуле [9]:

TB=(1/k)´STBI, (5.6)

где TBI - среднее время восстановления 1 -того модуля, ч;
k - число модулей в блоке. Время восстановления модуля рассчитывается по формуле [9]:

TBI=ТИ+ТЛ+ ТЗI+ТУI +ТPI, (5.7)

где ТИ - время, необходимое для установления факта неисправности блока РЭС, ч;
ТЛ - время, требуемое для локализации неисправности, т.е. установления, какой модуль вышел из строя, ч;
ТЗI - время для демонтажа неисправного модуля, ч;
ТУI - время для установки и электромонтажа исправного модуля, ч;
ТPI - время, необходимое для возможной регулировки РЭС после установки исправного модуля, ч.
Учитывая особенности конструкции, зададим:
ТИ=0,05 ч; ТИ=0,5 ч; ТЗI=0,3 ч; ТУI= 0,25 ч; ТPI=0,25 ч.
ТB= 0,05+0,5+0,3+0,25+0,25= 1,35 ч.
Вероятность восстановления РЭС за допустимое время восстановления tД, считая что моменты восстановления подчиняются распределению Эрланга, определяются по формуле [13]:
PB=1-(1+2tД/ТВ)exp(-2 tД/ТВ). (5.8)

Приняв tД=ТВ, имеем РB=1-(1+2)exp(-2)=0,59.
Среднюю наработку на отказ с учетом восстановления определяют по формуле [13]:

ТOB=TO/((1+2 tД/ТВ)exp(-2tД/ТВ)) (5.9)

ТOB = 50000/((1+2)exp(-2)) =121951 ч.
Вероятность безотказной работы с учетом предыдущих отказов и восстановлений для произвольного момента времени необходимо рассчитать по формуле [14]:

Р(t)=exp(-t´(1-РB)/TO). (5.10)

Приняв t=5000 ч, производим расчет вероятности безотказной работы с учетом восстановлении:
Р(t)=exp(-((1-0,59)´5000)/50000))=0.96.
По результатам выполненных расчетов можно сделать вывод, что средняя вероятность работоспособности блока за 5000 часов работы равна РC(t)ср.=0,91. Вероятность работоспособности блока за 5000 часов работы с учетом потока восстановления равна Р(t)=0,96.
Средняя наработка на отказ равна 50000 часов, что удовлетворяет нормам надежности для аппаратуры данного вида (таблица (2.9) [15]). Кроме того, расчет показателей надежности с учетом потока восстановлении дает возможность получить более конкретную оценку надежности проектируемого блока.



 
« Внутрицеховая система электроснабжения нефтеперерабатывающего завода   Вопросы и ответы по аккумуляторным батареям »
электрические сети