Annotazione: Vengono presi in considerazione due tipi di mezzi per mantenere un'elevata disponibilità: garantire la tolleranza ai guasti (failover, sopravvivenza) e garantire sicurezza e recupero rapido dopo guasti (manutenibilità).
Il sistema informativo fornisce ai propri utenti un determinato insieme di servizi (servizi). Si dice che il livello desiderato di disponibilità di questi servizi sia fornito se i seguenti indicatori rientrano nei limiti specificati:
In sostanza, si richiede che il sistema informativo operi quasi sempre con l'efficienza desiderata. Per alcuni sistemi critici (ad es. sistemi di controllo) tempo non disponibile dovrebbe essere zero, senza alcun "quasi". In questo caso si parla di probabilità che si verifichi una situazione di indisponibilità e si richiede che tale probabilità non superi un determinato valore. Per risolvere questo problema, speciale sistemi tolleranti ai guasti che di solito sono molto costosi.
La stragrande maggioranza dei sistemi commerciali è soggetta a requisiti meno rigorosi, tuttavia, la vita aziendale moderna impone qui restrizioni piuttosto severe, quando il numero di utenti serviti può essere misurato in migliaia, il tempo di risposta non deve superare alcuni secondi e tempo non disponibile- poche ore all'anno.
Il compito di fornire alta disponibilità deve essere risolto per configurazioni moderne integrate nella tecnologia client/server. Ciò significa che l'intera catena deve essere protetta, dagli utenti (possibilmente remoti) ai server critici (inclusi i server di sicurezza).
Le principali minacce all'accessibilità sono state considerate da noi in precedenza.
In conformità con GOST 27.002, sotto rifiutoè inteso come un evento che consiste in una violazione dell'operatività del prodotto. Nel contesto di questo lavoro, un prodotto è un sistema informativo o un suo componente.
Nel caso più semplice, si può considerare che i guasti di qualsiasi componente di un prodotto composito portino a un guasto totale e la distribuzione dei guasti nel tempo è un semplice flusso di eventi di Poisson. In questo caso, il concetto tasso di fallimento e , che sono legati dalla relazione
dove è il numero del componente,
– tasso di fallimento,
– .
Tassi di fallimento componenti indipendenti si sommano:
UN tempo medio tra i fallimenti per un prodotto composito è dato dal rapporto
Già questi semplici calcoli mostrano che se c'è un componente, tasso di fallimento che è molto più del resto, allora è lui che determina tempo medio tra i fallimenti Tutto sistema informativo. Questa è la giustificazione teorica del principio di rafforzare prima l'anello più debole.
Il modello di Poisson permette di sostanziare un'altra proposizione molto importante, ovvero che l'approccio empirico ai sistemi costruttivi alta disponibilità non può essere implementato in un ragionevole lasso di tempo. Con un tradizionale ciclo di test/debug sistema software secondo stime ottimistiche, ogni correzione di errore porta a una diminuzione esponenziale (di circa mezzo decimale) tasso di fallimento. Ne consegue che per verificare con l'esperienza che il livello di disponibilità richiesto sia stato raggiunto, indipendentemente dalla tecnologia di test e debug utilizzata, si dovrà impiegare un tempo quasi pari a tempo medio tra i fallimenti. Ad esempio, per raggiungere tempo medio tra i fallimenti 10 5 ore richiederanno più di 10 4,5 ore, ovvero più di tre anni. Ciò significa che sono necessari altri metodi di costruzione dei sistemi. alta disponibilità, metodi la cui efficacia è stata dimostrata analiticamente o praticamente in oltre cinquant'anni di sviluppo informatica e programmazione.
Il modello di Poisson è applicabile nei casi in cui il sistema informativo contenga single point of failure, cioè componenti il cui guasto porta al fallimento dell'intero sistema. Un diverso formalismo viene utilizzato per studiare i sistemi ridondanti.
In accordo con la formulazione del problema, assumeremo che esista una misura quantitativa dell'efficacia dei servizi informativi forniti dal prodotto. In questo caso, i concetti indicatori di prestazione singoli elementi e l'efficienza del funzionamento dell'intero sistema complesso.
Come misura dell'accessibilità si può assumere la probabilità di accettabilità dell'efficacia dei servizi erogati dal sistema informativo nell'arco di tempo considerato. Maggiore è il margine di efficienza del sistema, maggiore è la sua disponibilità.
Se c'è ridondanza nella configurazione del sistema, la probabilità che nel periodo di tempo considerato efficienza dei servizi informativi non scenda al di sotto del limite consentito dipende non solo dalla probabilità di guasto dei componenti, ma anche dal tempo durante il quale questi rimangono inoperativi, poiché in questo caso l'efficienza totale diminuisce e ogni successivo guasto può diventare fatale. Per massimizzare la disponibilità del sistema, è necessario ridurre al minimo i tempi di inattività di ciascun componente. Inoltre, va tenuto presente che, in generale, gli interventi di riparazione possono richiedere una diminuzione dell'efficienza o anche un fermo temporaneo di componenti sani; anche questo tipo di influenza deve essere ridotta al minimo.
Qualche osservazione terminologica. Di solito nella letteratura sulla teoria dell'affidabilità, invece della disponibilità, si parla prontezza(compresa l'elevata prontezza). Abbiamo preferito il termine "accessibilità" per sottolinearlo servizio informazioni non deve solo essere “pronto” da solo, ma essere disponibile per i propri utenti in condizioni in cui situazioni di indisponibilità possono essere causate da motivi che, a prima vista, non sono direttamente correlati al servizio (ad esempio, la mancanza di servizi di consulenza ).
Avanti, invece di tempo di indisponibilità di solito si parla fattore disponibilità. Volevamo prestare attenzione a due indicatori: la durata di un singolo downtime e la durata totale del downtime, quindi abbiamo preferito il termine " tempo non disponibile"come più capiente.
La base per le misure volte a migliorare l'accessibilità è l'uso di un approccio strutturato, incarnato in una metodologia orientata agli oggetti. La strutturazione è necessaria in relazione a tutti gli aspetti e componenti del sistema informativo - dall'architettura alle banche dati amministrative, in tutte le fasi del suo ciclo di vita - dall'avvio alla disattivazione. La strutturazione, di per sé importante, lo è allo stesso tempo condizione necessaria la fattibilità di altre misure di accessibilità. Solo i piccoli sistemi possono essere costruiti e gestiti come preferisci. I grandi sistemi hanno le proprie leggi, che, come abbiamo già indicato, i programmatori hanno realizzato per la prima volta più di 30 anni fa.
Quando si sviluppano misure per garantire alta disponibilità
La più conveniente per la descrizione analitica è la cosiddetta legge di affidabilità esponenziale (o esponenziale), espressa dalla formula
dove è un parametro costante.
Il grafico della legge esponenziale di affidabilità è mostrato in fig. 7.10. Per questa legge, la funzione di distribuzione del tempo tempo di attività ha la forma
e la densità
Questa è la legge di distribuzione esponenziale a noi già nota, secondo la quale viene distribuita la distanza tra eventi vicini nel flusso più semplice con intensità (vedi Sezione 4, Capitolo 4).
Quando si considerano questioni di affidabilità, è spesso conveniente pensare alla questione come se l'elemento fosse interessato dal più semplice flusso di guasti con intensità R; l'elemento fallisce nel momento in cui arriva il primo evento di questo thread.
L'immagine del “failure stream” acquista significato reale se l'elemento fallito viene immediatamente sostituito da uno nuovo (recuperato).
La sequenza di momenti casuali di tempo in cui si verificano guasti (Fig. 7.11) è il flusso di eventi più semplice e gli intervalli tra gli eventi sono variabili casuali indipendenti distribuite secondo la legge esponenziale (3.3),
Il concetto di “tasso di guasto” può essere introdotto non solo per l'esponenziale, ma anche per qualsiasi altra legge di affidabilità sulla densità, l'unica differenza sarà che con una legge non esponenziale il tasso di guasto R non sarà più un valore costante , ma una variabile.
L'intensità (o altrimenti "pericolo") dei guasti è il rapporto tra la densità di distribuzione del tempo di attività di un elemento e la sua affidabilità:
Spieghiamo il significato fisico di questa caratteristica. Si provi contemporaneamente un gran numero N di elementi omogenei, ciascuno fino al momento del suo cedimento. Indichiamo - il numero di elementi che si sono rivelati utili nel tempo , come prima, - il numero di elementi che si sono guastati in un breve periodo di tempo Il numero medio di guasti sarà per unità di tempo
Dividiamo questo valore non per il numero totale di elementi testati N, ma per il numero di elementi utilizzabili al tempo t. È facile vedere che per N grandi questo rapporto sarà approssimativamente uguale al tasso di guasto
Infatti, per il grande N
Ma secondo la formula (2.6)
Nei lavori sull'affidabilità, l'espressione approssimata (3.5) è spesso considerata come una definizione del tasso di guasto, cioè è definita come il numero medio di guasti per unità di tempo per un elemento operativo.
Alla caratteristica può essere data un'altra interpretazione: è la densità condizionale della probabilità di guasto dell'elemento in questo momento tempo t, a condizione che fino al momento t abbia funzionato perfettamente. In effetti, considera l'elemento di probabilità - la probabilità che l'elemento passi dallo stato "funzionante" allo stato "non funzionante" nel tempo, a condizione che abbia funzionato prima del momento t. Infatti, la probabilità incondizionata di guasto di un elemento sul sito è pari a Questa è la probabilità di combinare due eventi:
A - l'elemento ha funzionato correttamente fino al momento
B - l'elemento ha fallito nell'intervallo di tempo Secondo la regola della moltiplicazione delle probabilità:
Dato che otteniamo:
e il valore non è altro che la densità di probabilità condizionata della transizione dallo stato “operativo” allo stato “fallito” per l'istante t.
Se il tasso di guasto è noto, l'affidabilità può essere espressa in termini di esso Considerando che scriviamo la formula (3.4) nella forma:
Integrando si ottiene:
Pertanto, l'affidabilità è espressa in termini di tasso di guasto.
Nel caso particolare in cui , la formula (3.6) dà:
cioè, la legge esponenziale dell'affidabilità a noi già nota.
Utilizzando l'immagine del "flusso di fallimenti", si può interpretare non solo la formula (3.7), ma anche la formula più generale (3.6). Supponiamo (in modo del tutto condizionale!) che un elemento con una legge di affidabilità arbitraria sia interessato da un flusso di guasti di intensità variabile, allora la formula (3.6) per esprime la probabilità che non si verifichino guasti nell'intervallo di tempo (0, t ).
Quindi, sia con l'esponenziale che con qualsiasi altra legge di affidabilità, il funzionamento dell'elemento, a partire dal momento dell'accensione, può essere immaginato in modo tale che il flusso di rottura di Poisson agisca sull'elemento; per la legge di affidabilità esponenziale, questo sarà un flusso con intensità costante, e per uno non esponenziale, con intensità variabile
Si noti che questa immagine è adatta solo se l'elemento guasto non viene sostituito da uno nuovo. Se, come abbiamo fatto prima, sostituiamo immediatamente l'elemento fallito con uno nuovo, il flusso di fallimento non sarà più Poisson. La sua intensità, infatti, dipenderà non solo dal tempo t trascorso dall'inizio dell'intero processo, ma anche dal tempo trascorso da momento casuale l'inclusione di questo particolare elemento; quindi, il flusso degli eventi ha un effetto collaterale e non è Poisson.
Se, tuttavia, durante l'intero processo in esame, questo elemento non viene sostituito e può fallire non più di una volta, allora quando si descrive un processo che dipende dal suo funzionamento, si può usare lo schema di un processo casuale di Markov, ma con una variabile piuttosto che un tasso di fallimento costante.
Se la legge di affidabilità non esponenziale differisce relativamente poco da quella esponenziale, allora, per semplificare, è possibile sostituirla approssimativamente con una esponenziale (figura 7.12). Il parametro di questa legge è scelto in modo da mantenere invariata l'aspettativa matematica dell'uptime, che, come sappiamo, è pari all'area delimitata dalla curva e dagli assi coordinati. Per fare ciò, dobbiamo impostare il parametro della legge esponenziale uguale a
dove è l'area delimitata dalla curva di affidabilità
Pertanto, se vogliamo caratterizzare l'affidabilità di un elemento in base a un tasso di guasto medio, dobbiamo prendere come intensità il reciproco del tempo di attività medio dell'elemento.
Sopra abbiamo definito il valore di t come l'area delimitata dalla curva, ma se hai solo bisogno di conoscere il tempo di attività medio dell'elemento, è più facile trovarlo direttamente dal materiale statistico come media aritmetica di tutti gli elementi osservati valori della variabile casuale T - il tempo dell'elemento al fallimento. Questo metodo può essere applicato anche nel caso in cui il numero di esperimenti sia piccolo e non consenta di costruire accuratamente la curva
Esempio 1. L'affidabilità di un elemento diminuisce nel tempo secondo una legge lineare (Fig. 7.13). Trova il tasso di guasto e il tempo medio tra i guasti di un elemento
Soluzione. Secondo la formula (3.4) sulla sezione ) si ha:
Secondo la data legge di affidabilità 4
L'affidabilità è la proprietà dei prodotti di eseguire le funzioni richieste, mantenendo le loro prestazioni entro limiti specificati per il periodo di tempo richiesto.
Vitalità - capacità sistema informatico svolgere le sue funzioni di base, nonostante il danno ricevuto e gli elementi guasti dell'attrezzatura.
Requisiti più severi sono imposti sull'affidabilità e la sopravvivenza di BUVM e BTsVS che sull'affidabilità e la sopravvivenza dei computer universali e personali. Se il computer di bordo si guasta, le prestazioni del sistema vengono interrotte e le attività assegnate non vengono eseguite, il che può portare a conseguenze irreparabili, comprese vittime umane.
Risolvere il problema dopo aver ripristinato il computer di bordo e il computer di bordo è spesso impossibile. Quindi, ad esempio, in caso di guasto nel funzionamento del sistema missilistico antiaereo, l'oggetto difeso verrà distrutto. E, se ripristini il sistema in breve tempo, la distruzione non può essere restituita allo stesso modo delle vite perse. Un guasto nell'avionica può portare a un incidente aereo o al lancio spontaneo di un missile. In questo caso, anche il ripristino del funzionamento del BCVS non consentirà di correggere le conseguenze dell'errore.
Garantire l'elevata affidabilità e sopravvivenza del BTsVS è complicato dalle condizioni operative delle apparecchiature a bordo con ampie fluttuazioni di temperatura, umidità, carichi meccanici e elevata polverosità. La stessa limitazione è imposta sulle dimensioni e sul peso dell'attrezzatura. Ciò vale principalmente per l'aviazione, ma è anche di grande importanza per il BCVS in altri settori.
Pertanto, il problema dell'affidabilità e della sopravvivenza dei computer di bordo e dei computer di bordo presenta una serie di caratteristiche dovute alla particolarità della struttura del computer di bordo e alla natura delle funzioni che svolgono.
Il compito di fornire elevata affidabilità e sopravvivenza in un sistema complesso può essere molto costoso, complesso e richiedere molto tempo, sebbene le difficoltà di produzione e i problemi che sorgono durante il funzionamento dovuti alla necessità di garantire e mantenere il livello di affidabilità richiesto possono causare difficoltà ancora maggiori . .
Ad esempio, se l'affidabilità di un sistema missilistico viene ridotta del 10%, per garantire lo stesso grado di distruzione del bersaglio, sarà necessario un aumento di almeno il 10% del numero effettivo di missili da combattimento. Questi missili richiedono piattaforme di lancio aggiuntive, attrezzature di prova, attrezzature di lancio, personale di manutenzione e attrezzature di supporto, il che è molto costoso. Soldi E tempo.
Quanto più complessa è la struttura di un sistema informatico, tanto più difficile è garantire affidabilità e sopravvivenza. Va notato che la maggior parte dei guasti che si sono verificati nei lanci di missili guidati e satelliti artificiali negli Stati Uniti non sono stati causati dal malfunzionamento di alcun dispositivo esotico, la cui progettazione ha accelerato il progresso dello stato dell'arte. Al contrario, molti guasti sono stati causati dal cedimento di elementi funzionali e strutturali di un progetto precedentemente approvato. A volte gli elementi sono stati fabbricati in modo errato e in altri casi si sono verificati errori nel lavoro dei programmatori o del personale di manutenzione. Non esiste una sciocchezza che sarebbe troppo insignificante per non esserlo causa possibile fallimento. L'alto potenziale e l'affidabilità praticamente realizzabile sono in gran parte il risultato di una profonda e attenta attenzione ai dettagli.
Il problema di aumentare l'affidabilità e la tolleranza ai guasti è inerente non solo al BCVS, ma anche alle apparecchiature commerciali. Ad esempio, in un cluster Google, in media, 1 computer si guasta al giorno (ovvero, si verificano arresti anomali su circa il 3% dei computer all'anno). Naturalmente, a causa della ridondanza di dati e codice, questi errori sono invisibili agli utenti, ma per un programmatore sono un grosso problema.
Il caso in cui un sistema informatico o parte di esso è fuori servizio e l'ulteriore lavoro è impossibile senza riparazione, è chiamato guasto.
La teoria dell'affidabilità distingue 3 segni caratteristici di guasti, che possono essere inerenti alle apparecchiature e manifestarsi senza alcuna influenza da parte delle persone.
1. Errori di rodaggio. Questi guasti si verificano durante il primo periodo di funzionamento e nella maggior parte dei casi sono causati da una mancanza di tecnologia di produzione e difetti nella fabbricazione di elementi del sistema informatico. Questi guasti possono essere eliminati dal processo di scarto, rodaggio e collaudo tecnologico del prodotto finito.
2. Fallimenti difettosi o graduali. Si tratta di guasti che si verificano a causa dell'usura di singoli parametri o parti dell'apparecchiatura. Sono caratterizzati da un cambiamento graduale dei parametri del prodotto o degli elementi. All'inizio, questi guasti possono apparire come guasti temporanei. Tuttavia, con l'aumentare dell'usura, i guasti temporanei si trasformano in gravi guasti hardware. Questi fallimenti sono un segno dell'invecchiamento del BCVS. Possono essere parzialmente eliminati da corretto funzionamento, buona prevenzione e sostituzione tempestiva di elementi usurati dell'attrezzatura.
3. Fallimenti improvvisi o catastrofici. Questi guasti non possono essere eliminati né mediante il debug dell'apparecchiatura, né mediante un'adeguata manutenzione o manutenzione preventiva. I fallimenti improvvisi si verificano in modo casuale, nessuno può prevederli, tuttavia obbediscono a determinate leggi della probabilità. Quindi la frequenza di guasti improvvisi per un periodo di tempo sufficientemente lungo diventa approssimativamente costante. Questo accade in qualsiasi dispositivo. Un esempio di guasti casuali sono i circuiti aperti o in corto. Un tale errore di solito porta al fatto che l'output è permanentemente 0 o 1. Se si verificano errori casuali, è necessario sostituire gli elementi in cui si sono verificati. Per fare ciò, il sistema informatico deve essere manutenibile e consentire di svolgere rapidamente lavori preventivi sul campo.
In un gruppo separato, è possibile distinguere guasti o guasti intermittenti. Un guasto è un'interruzione a breve termine del normale funzionamento di un computer di bordo, in cui uno o più dei suoi elementi, quando eseguono una o più operazioni correlate, danno un risultato casuale. Dopo un guasto, il sistema informatico può funzionare normalmente per molto tempo.
I guasti possono essere causati da pickup elettromagnetici, impatti meccanici, ecc. Spesso i guasti non portano al guasto del complesso, ma cambiano solo il corso del funzionamento del software a causa dell'errata esecuzione di uno o più comandi, che possono portare a conseguenze catastrofiche. La differenza tra guasti e guasti è che quando vengono rilevate le conseguenze di un guasto, è necessario ripristinare non l'apparecchiatura, ma le informazioni distorte dal guasto.
Parlando di fallimenti, è necessario menzionare i cosiddetti Schrödinbugs. Uno Schrödinbug è un errore in cui un sistema informatico per molto tempo funziona normalmente, tuttavia, in determinate condizioni, ad esempio impostando parametri operativi non standard, si verifica un guasto. Analizzando questo fallimento, si scopre che Software il sistema informatico presenta un errore fondamentale, a causa del quale, in linea di principio, non avrebbe dovuto funzionare.
Uno Schrödinbug può essere formato da una complessa combinazione di errori di coppia (quando un errore in un punto è compensato da un errore dell'azione opposta in un altro punto). In determinate circostanze, l'equilibrio degli errori viene distrutto, il che porta alla paralisi del lavoro.
Pertanto, BCVS è caratterizzato da un'altra proprietà che ne determina l'affidabilità: il funzionamento senza errori o affidabile. Di conseguenza, l'affidabilità del BTsVS è una combinazione di affidabilità, affidabilità di funzionamento, sopravvivenza e manutenibilità.
I parametri di affidabilità sono:
1. Tasso di guasto -
2. MTBF -
3. Probabilità di funzionamento senza guasti entro un dato tempo - P
4. Probabilità di fallimento - D
Tasso di fallimento
Il tasso di guasto è la frequenza con cui si verificano i guasti. Se l'apparecchiatura è composta da più elementi, il suo tasso di guasto è uguale alla somma dei tassi di guasto di tutti gli elementi i cui guasti portano al guasto dell'apparecchiatura.
La curva del tasso di guasto, in funzione del tempo di funzionamento, è mostrata nella figura sottostante.
All'inizio dell'operazione (all'istante t = 0), il un gran numero di elementi. Questo insieme di elementi all'inizio può avere un alto tasso di fallimento, a causa di campioni difettosi. Poiché gli elementi difettosi si guastano uno per uno, il tasso di guasto diminuisce relativamente rapidamente durante il periodo di rodaggio e diventa approssimativamente costante durante il normale funzionamento (norme T), quando gli elementi difettosi si sono già guastati e sono stati sostituiti con altri funzionanti .
L'insieme di elementi che hanno superato il periodo di rodaggio ha il tasso di guasto più basso, che rimane approssimativamente costante fino a quando gli elementi iniziano a cedere per usura (usura T). Da questo punto in poi, il tasso di fallimento inizia ad aumentare.
MTBF
MTBF è il rapporto tra il totale delle ore lavorate e il numero totale di guasti. Durante il periodo di funzionamento normale, quando il tasso di guasto è approssimativamente costante, il tempo medio tra i guasti è il reciproco del tasso di guasto:
Probabilità di funzionamento senza guasti.
La probabilità di uptime è il numero probabile o previsto di dispositivi che funzioneranno senza guasti durante un determinato periodo di tempo:
Questa formula è valida per tutti i dispositivi rodati ma non soggetti ad usura. Pertanto, il tempo t non può superare il periodo di normale funzionamento dei dispositivi.
Di seguito è riportato un grafico che mostra la probabilità di funzionamento senza guasti in funzione del normale tempo di funzionamento:
Probabilità di fallimento.
La probabilità di guasto è il reciproco della probabilità di funzionamento senza guasti.
Tasso di fallimento nominale.
Gli elementi dell'apparecchiatura sono progettati in modo da poter resistere a determinati valori nominali: tensione, corrente, temperatura, vibrazioni, umidità e così via. Quando l'apparecchiatura è esposta a tali influenze durante il funzionamento, si osserva un certo tasso di guasto specifico. Si chiama tasso di guasto nominale.
Quando il carico di lavoro complessivo o alcuni carichi particolari o rischi ambientali aumentano oltre i livelli nominali, il tasso di guasto aumenta in modo piuttosto netto rispetto al suo valore nominale. Al contrario, il tasso di guasto diminuisce quando il carico scende al di sotto del livello nominale.
Ad esempio, se una cella deve funzionare a una temperatura nominale di 60 gradi, l'abbassamento della temperatura come risultato di un sistema di raffreddamento forzato può ridurre il tasso di guasto. Tuttavia, se una diminuzione della temperatura comporta un aumento eccessivo del numero di elementi e del peso dell'apparecchiatura, allora può essere più vantaggioso selezionare elementi con una temperatura nominale di esercizio maggiore e utilizzarli a una temperatura inferiore a quella nominale. In questo caso, l'attrezzatura può diventare più economica e la massa inferiore (cosa importante quando si lavora su un aereo) rispetto a quando si utilizza un sistema di raffreddamento forzato.
Metodi per determinare l'affidabilità di BTsVS.
Quando i nuovi prodotti sono progettati e costruiti mediante misurazioni meccaniche, elettriche, chimiche o di altro tipo, il valore del tasso di guasto non può essere determinato. I tassi di guasto possono essere determinati raccogliendo dati statistici ottenuti dai test di affidabilità di questo o prodotti simili.
La probabilità di funzionamento senza guasti durante qualsiasi periodo di prova è espressa dalla formula:
Il tasso di guasto è determinato dalla formula:
Quando si misura il tasso di guasto, è necessario mantenere un numero costante di elementi che partecipano al test sostituendo gli elementi guasti con elementi nuovi.
Pertanto, al fine di ottenere dati sulle caratteristiche quantitative dell'affidabilità dell'apparecchiatura, è necessario realizzare un campione speciale dell'apparecchiatura per i test di affidabilità. I test di affidabilità devono essere eseguiti in condizioni adeguate a condizioni reali funzionamento delle apparecchiature da influenze esterne, frequenza di accensione e modifica dei parametri di alimentazione.
Il tasso di guasto di un prodotto elettrico. Caratterizza sia i costi delle loro riparazioni sia l'ammontare del danno economico che si verifica a seguito di guasti dei prodotti elettrici. La funzione obiettivo 3 per risolvere il problema specificato è la seguente
L'affidabilità mostra la proprietà del prodotto di mantenere continuamente l'operabilità per un certo tempo o un certo tempo operativo, espressa nella probabilità di funzionamento senza guasti, tempo medio al guasto, tasso di guasto.
In generale, il tasso di guasto potrebbe non seguire una legge di distribuzione esponenziale. Quindi questa espressione prenderà la forma
Quindi, se il sistema consisteva di Nu elementi riparabili con un tasso di guasto Li ciascuno e Nd elementi di bassa qualità con un tasso di guasto di ciascun Arf, il tasso di guasto iniziale del sistema (Rc) nel primo periodo di messa in funzione dopo le riparazioni è uguale a
Con una sostituzione qualitativa degli elementi guasti, il tasso di guasto del sistema dopo la fine del periodo di rodaggio aumenta al valore
Il tasso di fallimento è trovato dalla formula
Un'analisi interessante, anch'essa basata su una grande quantità di materiale fattuale, è fornita nell'analisi di due gruppi di danni ai gasdotti che sono di natura di emergenza, vale a dire lacune nei giunti dei gasdotti e danni da corrosione. La dipendenza dell'entità del danno dalla qualità del lavoro è dimostrata in modo convincente, e quindi il numero di guasti sui gasdotti posati dopo il 1951 è significativamente inferiore rispetto ai gasdotti degli anni di posa precedenti. Tuttavia, alcune delle conclusioni dell'articolo sembrano eccessivamente categoriche. Pertanto, l'esclusione dalla considerazione, vale a dire, pari a zero, la probabilità di danni meccanici ai gasdotti, ... poiché si verificano durante lavori impropri o incuranti e possono essere prevenuti, nonché un completo rifiuto di prendere in considerazione i danni da corrosione nel determinare il tasso di guasti dei gasdotti sembra essere una sopravvalutazione irragionevole dell'affidabilità dei gasdotti. La probabilità di questi eventi è ridotta a seguito di una migliore qualità della protezione anticorrosione, una migliore supervisione dei lavori di sterro nell'area del gasdotto, ecc., ma non ancora esclusa. Appare discutibile anche l'affermazione secondo cui solo una completa rottura della giunzione del gasdotto può portare al fallimento. Con una rottura parziale, il cedimento sarà caratterizzato solo da una minore profondità. Considerando quanto sopra, nonché l'esperienza delle organizzazioni di Leningrado, è possibile tenere conto del valore di ay del 15-20% in meno rispetto a quanto raccomandato nel 1966. Naturalmente, è auspicabile che lo studio di questo problema continui.
E su n e A. A., Zhila V. A. Tasso di guasto delle sezioni dei gasdotti delle reti del gas urbano.- Industria del gas, 1972, n. 10,. s, 20-25.
Tasso di guasto K(t) - la proporzione di prodotti che si sono guastati per unità di tempo dopo un dato momento, calcolata in relazione al numero di prodotti testati che sono operativi in un dato momento.
In pratica, il tasso di fallimento è stimato dalla formula
Il valore teorico del tasso di guasto è determinato dalla formula
L'indicatore del tasso di guasto si applica solo ai prodotti non riparabili.
| Riso. 9. Grafico della variazione dell'entità del tasso di guasto. | /info/35056 "> di un valore costante. Durante il II periodo - il periodo di normale funzionamento - il tasso di guasto rimane pressoché costante. Nel III periodo - il periodo di usura intensiva - il tasso di guasto aumenta notevolmente. Se il tempo di guasto di ciascun elemento è soggetto a una legge esponenziale con un tasso di guasto Ki, allora Affidabilità - la proprietà del prodotto di mantenere continuamente le prestazioni per un certo periodo di tempo senza interruzioni forzate. Gli indicatori di affidabilità sono , tempo medio al primo fallimento, tempo al fallimento, tasso di fallimento. Il livello di carico con cui lavorano gli elementi della macchina è uno dei fattori che dovrebbero essere presi in considerazione quando si analizza l'affidabilità del sistema, poiché determina l'entità del tasso di guasto degli elementi nel sistema. È l'interazione tra la resistenza dell'elemento, da un lato, e il livello di carico agente sull'elemento, dall'altro, che determina principalmente il tasso di rottura dell'elemento. È noto che con un aumento del carico totale o (alcuni carichi parziali, il tasso di guasto dell'elemento aumenta in modo piuttosto netto. La curva in Fig. 7 illustra la natura generale della variazione del tasso di guasto degli elementi elettrici ed elettronici di macchine a seconda delle condizioni ambientali Come si può vedere, il valore del tasso di guasto sulla curva data aumenta quasi linearmente con l'aumentare del carico. Il tempo medio tra i guasti è di diretta importanza per l'organizzazione del funzionamento delle apparecchiature, poiché consente di determinare il tasso di guasto previsto, che è importante quando si pianifica la riserva, il numero di apparecchiature e il personale di manutenzione. Il ripristino di vari blocchi di macchine dovrebbe essere eseguito tenendo conto del tempo medio tra i guasti specificati per loro. Tempo di funzionamento Fig. 13.2. Tasso di fallimento Il tunnel refrattario fallisce periodicamente, il che richiede una completa ricostruzione del forno. Questa procedura richiede 8 giorni e costa £ 5.800. Occorrono altri due giorni per portare il forno alla temperatura di esercizio, e il secondo giorno i rifiuti devono essere cotti per non distruggere il nuovo tunnel. A tavola. 13.2 mostra il tasso di fallimento del tunnel. Il tasso di guasto è una caratteristica conveniente dell'affidabilità di vari dispositivi e assiemi e determina Viene effettuata una classificazione dettagliata degli indicatori tecnici ed economici della qualità dei prodotti al fine di identificare quelli che, in misura maggiore o minore, influiscono sull'entità del fabbisogno. L'analisi degli indicatori di qualità ha mostrato che non è necessario tenere conto di tutti gli indicatori di qualità in evoluzione nei calcoli, poiché molti di essi hanno un effetto minimo o nullo sul cambiamento dell'entità del bisogno, o questo effetto è insignificante, o la possibilità di cambiare la necessità è in funzione di una serie di altri fattori. Il vero impatto sul cambiamento della domanda è esercitato da fattori quali la produttività (volume di lavoro) del prodotto, l'affidabilità e la durata. In ulteriori studi, ci limitiamo a considerare solo questi tre indicatori principali. Va notato che per diversi prodotti ci sono diversi indicatori che caratterizzano le caratteristiche principali selezionate. Ad esempio, produttività e volume di lavoro. Per turbogeneratori, compensatori sincroni superconduttori, commutatori, macchine elettriche sincrone e asincrone, idrogeneratori - questa è la potenza nominale per macchine variabili senza spazzole e azionamenti elettrici variabili - coppia per apparecchiature di illuminazione - flusso luminoso e potenza della lampada per apparecchiature di produzione di fibre ottiche - fibra ottica velocità di disegno per apparecchiature di commutazione - il numero di circuiti commutati per locomotive elettriche di linea e industriali - potenza per spazzole rotanti di macchine elettriche, - densità di corrente per apparecchiature di saldatura elettrica - velocità di saldatura (taglio), ecc. L'indice di affidabilità dei prodotti caratterizza tali proprietà dei prodotti come tempo tra guasti, guasti di intensità, probabilità di funzionamento senza guasti, fattore di disponibilità, ecc. Infine, la vita utile è caratterizzata dal numero di anni di funzionamento, dalla vita utile, dalla risorsa da revisionare, dalla periodo di revisione. Il rapporto nd/nu caratterizza l'aumento del tasso di guasto in stato stazionario derivante da una sostituzione di elementi di scarsa qualità, rispetto a una sostituzione perfetta. Pertanto, il fattore nd/nu è chiamato fattore del tasso di guasto incrementale. Ulteriori perdite causate da guasti di rodaggio risultanti dalla sostituzione di elementi di scarsa qualità, (Pn) sono determinate da Nella teoria dell'affidabilità, K significa tasso di fallimento. Con una legge esponenziale, K \u003d onst, ad es. non dipende dal tempo. Il chip di memoria di un computer è costituito da un gran numero di transistor, due per ogni bit. Un cristallo da 64 Kb contiene 128.000 transistor, un cristallo da 1 Mb ne contiene oltre 2.000.000 Se transistor separati fossero responsabili delle funzioni di memoria, il tasso di guasto sarebbe tale che un personal computer semplicemente non potrebbe funzionare. Se almeno 1 su 1.000.000 si guasta, il tasso di guasto di un chip con 64 Kb di memoria sarebbe del 12% e un chip con 1 Mb di memoria sarebbe dell'86%. Un indicatore della frequenza più probabile delle revisioni può essere la dinamica del tasso di guasto nel corso della vita di questo tipo di apparecchiature. Per la maggior parte dei prodotti e dei sistemi, assume la forma di una curva tZ, come mostrato in fig. 13.2. Un alto tasso di guasto all'inizio del funzionamento può essere causato da componenti difettosi o installati in modo errato, errori di installazione o operatori inesperti. Dopo l'eliminazione di queste carenze, si osserva un periodo di basso numero stabile di guasti. Verso la fine della loro vita utile, a causa dell'usura, la loro frequenza aumenta nuovamente. Ridurre l'intensità dei guasti di stato iniziale possibile eseguendo il prodotto, alla fine - per- |
Parte 1.
introduzione
Lo sviluppo di attrezzature moderne è caratterizzato da un significativo aumento della sua complessità. La complicazione provoca un aumento della garanzia di tempestività e correttezza nella risoluzione dei problemi.
Il problema dell'affidabilità sorse negli anni '50, quando iniziò il processo di rapida complicazione dei sistemi e iniziarono a essere messi in funzione nuovi oggetti. A quel tempo apparvero le prime pubblicazioni che definivano i concetti e le definizioni relative all'affidabilità [1], e fu creata una tecnica per valutare e calcolare l'affidabilità dei dispositivi utilizzando metodi probabilistico-statistici.
Lo studio del comportamento dell'apparecchiatura (oggetto) durante il funzionamento e la valutazione della sua qualità ne determinano l'affidabilità. Il termine "sfruttamento" deriva dalla parola francese "sfruttamento", che significa beneficiare o beneficiare di qualcosa.
L'affidabilità è la proprietà di un oggetto di eseguire le funzioni specificate, mantenendo i valori degli indicatori di prestazione stabiliti entro i limiti specificati nel tempo.
Per quantificare l'affidabilità di un oggetto e pianificare il funzionamento, vengono utilizzate caratteristiche speciali: indicatori di affidabilità. Consentono di valutare l'affidabilità di un oggetto o dei suoi elementi in varie condizioni e in diverse fasi di funzionamento.
Maggiori dettagli sugli indicatori di affidabilità sono disponibili in GOST 16503-70 - "Prodotti industriali. Nomenclatura e caratteristiche dei principali indicatori di affidabilità.", GOST 18322-73 - "Sistemi di manutenzione e riparazione per apparecchiature. Termini e definizioni.", GOST 13377 -75 - "Affidabilità in ingegneria. Termini e definizioni".
Definizioni
Affidabilità- proprietà [di seguito - (self-in)] dell'oggetto [di seguito - (OB)] di svolgere le funzioni richieste, mantenendone le prestazioni per un determinato periodo di tempo.
L'affidabilità è una proprietà complessa che combina il concetto di prestazioni, affidabilità, durata, manutenibilità e sicurezza.
prestazione- rappresenta lo stato dell'OB, in cui è in grado di svolgere le sue funzioni.
Affidabilità- la capacità dell'OB di mantenere le sue prestazioni per un certo tempo. Un evento che interrompe il funzionamento dell'OB è chiamato guasto. Un errore autoripristinante è chiamato errore.
Durata- la capacità dell'OB di mantenere le sue prestazioni allo stato limite, quando il suo funzionamento diventa impossibile per motivi tecnici, economici, condizioni di sicurezza o necessità di riparazioni importanti.
manutenibilità- determina l'adattabilità dell'OB alla prevenzione e alla rilevazione di malfunzionamenti e guasti e alla loro eliminazione effettuando riparazioni e manutenzioni.
Persistenza- Svo-in ON mantiene continuamente le proprie prestazioni durante e dopo lo stoccaggio e la manutenzione.
Indicatori chiave di affidabilità
I principali indicatori qualitativi di affidabilità sono la probabilità di funzionamento senza guasti, il tasso di guasto e il tempo medio prima del guasto.
Probabilità di tempo di attività
P(t)è la probabilità che entro un determinato periodo di tempo T, l'errore dell'OB non si verificherà. Questo indicatore è determinato dal rapporto tra il numero di elementi OB che hanno funzionato a colpo sicuro fino al momento T al numero totale di elementi OB che sono operativi al momento iniziale.
Tasso di fallimento io(t)è il numero di fallimenti n(t) Elementi OB per unità di tempo, riferiti al numero medio di elementi Nt OB operativo al momento DT:
l (t) \u003d n (t) / (Nt * D t)
, Dove
D
T- un determinato periodo di tempo.
Per esempio: 1000 elementi OB lavorati 500 ore. Durante questo periodo, 2 elementi hanno fallito. Da qui, l (t) \u003d n (t) / (Nt * D t) \u003d 2 / (1000 * 500) \u003d 4 * 10 -6
1/h, cioè 4 elementi su un milione possono guastarsi in 1 ora.
I tassi di guasto dei componenti sono presi in base ai dati di riferimento [1, 6, 8]. Ad esempio, viene fornito il tasso di errore io(t) alcuni elementi.
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Nome dell'elemento |
Tasso di guasto, *10 -5, 1/h |
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Resistori |
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Condensatori |
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trasformatori |
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Induttori |
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Dispositivi di commutazione |
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Connessioni a saldare |
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Fili, cavi |
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Motori elettrici |
L'affidabilità dell'OB come sistema è caratterizzata da un flusso di guasti l, numericamente pari alla somma del tasso di guasto dei singoli dispositivi: L = ål i La formula calcola il flusso dei guasti e dei singoli dispositivi OB, che a loro volta sono costituiti da vari nodi ed elementi caratterizzati dal loro tasso di guasto. La formula è valida per calcolare il flusso di guasti del sistema da N elementi nel caso in cui il fallimento di uno di essi porti al fallimento dell'intero sistema nel suo insieme. Tale connessione di elementi è chiamata logicamente sequenziale o di base. Inoltre, esiste una connessione logicamente parallela di elementi, quando il fallimento di uno di essi non porta al fallimento del sistema nel suo insieme. Relazione di probabilità di fallimento P(t) e flusso di rimbalzo l definito: P(t)= exp(-Dt) , è ovvio che 0 MTBF Aè l'aspettativa matematica del tempo di funzionamento dell'OB prima del primo guasto: A=1/ L =1/(ål i) , oppure, da qui: L=1/A Il tempo di attività è uguale al reciproco del tasso di guasto. Per esempio : la tecnologia degli elementi garantisce un tasso di guasto medio l i \u003d 1 * 10 -5 1 / h . Quando viene utilizzato in OB N=1*10 4 tasso di guasto totale delle parti elementari l o= N * l io \u003d 10 -1 1 / h . Quindi il tempo medio di funzionamento senza guasti dell'OB A \u003d 1 / l o \u003d 10 h. Se si esegue l'OB sulla base di 4 grandi circuiti integrati (LSI), il tempo medio di funzionamento senza guasti dell'OB aumenterà di N / 4 = 2500 volte e sarà di 25000 ore o 34 mesi o circa 3 anni . Calcolo dell'affidabilità
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