分布式控制_可靠性设计技术.doc

可靠性设计技术1. 可靠性设计的内容 可靠性管理是在一定的时间和费用的基础上，根据用户需求，为了生产出具有规定的可靠性要求的产品，在设计、研制、制造、使用和维修即产品的整个寿命周期内，所进行的一切组织、计划、协调及控制等综合管理工作。可靠性管理的首要环节就是可靠性设计，它决定了产品的内在可靠性。产品在使用时，各种因素影响产品的可靠性，故把产品在使用过程中的可靠性称为使用可靠性。 根据美国贝尔实验室和海洋电子实验室的统计，产品故障因设计方面问题引起的占40%以上，是影响产品可靠性的主要因素，如图1-1所示。 图1-1 影响产品可靠性的因素一个完整的可靠性设计应贯穿于产品的整个生命周期，其工作程序如图1-2所示。图1-2 可靠性设计基本环节2. 可靠性预测 可靠性预测从预计系统的失效率出发，从失效率计算系统的MTTF（平均无故障时间，mean time to failure）。 可靠性预测一般要基于某种模型，比较著名的电子和机械模型如下：（1）MIL-HDBK-217,美国电子设备可靠性预测手册，主要用于快速估计和早期设计分析。（2）NSWC-98/LE1,美国海军海面战中心标准，主要用于典型机械设备和零件可靠性预测。 （3）HRD5是英国电信推出的可靠性标准，同时提供大量的元器件模型。 可靠性预测是在设计阶段，根据设计中所选用的电路程式，元器件、可靠性结构模型、工作环境、工作应力及过去积累的统计数据，推测产品可能达到的可靠性水平。产品早期阶段，可用元器件计数法进行初步预计；中后期采用元器件应力分析法进行详细的设计预计。 下面对这两种方法分别加以简单介绍。1） 元器件计数法 根据组成设备的各类元器件通用失效率及使用数量，来预计设备失效率的方法。 ：第i个通用元件的普通失效率。：第i个通用元件的质量等级系数。：第i个通用元件的总数。：设备中通用元件的种类。2）元器件应力分析法元器件应力分析法预计是考虑了温度、电应力、环境条件、元器件选用及电路等情况对元器件失效的影响，先预计各个元器件在上述因素下的失效率，然后再预计设备总的失效率的一种方法。：元器件工作失效率；：元器件基本失效率；：环境修正系数；：元器件质量修正系数；：考虑其他附加影响的修正系数；3. 马尔可夫分析在很多情况下，尤其复杂系统中，系统在多个确定的状态间转移，并不是简单的正常和停机两个状态，这时候借助马尔可夫（Markov）模型可以分析系统的失效率和可用性。 马尔可夫过程可用于描述连续时间变化下具有离散状态的随机过程。 Markov分析法以系统状态转移图为分析对象，对服从给定状态转移率系统的离散稳定状态或连续时间变化状态进行分析。下面举例说明Markov分析方法的应用原理。如图3-1所示的2取1冗余系统，首先用传统的组合模型计算系统可靠度，然后再采用马尔可夫分析，可以得到相同的结果。图3-1 2取1冗余系统1）传统方法系统可靠度：Rs=R1(1-R2)+(1-R1)R2+R1R2=1-(1-R1)(1-R2)式中： R1(1-R2）：模块1正常且模块2故障的概率； (1-R1)R2 ：模块2正常且模块1故障的概率； R1R2：模块1模块2均正常的概率。设，则系统可靠度为：。2）下面用Markov分析重新计算上述结果。该系统的状态转移图如图3-2所示。图3-2 双冗余系统状态转移图在起始时刻系统处于S0,S1,S2状态的概率分别为：。可见，采用Markov分析得到的结果是相同的。上面举得例子比较简单，状态转移图也很简单，但当系统的状态转移较复杂时，采用Markov分析的优势会很明显。 4. 故障模式与影响分析FMEA的扩展工具为FMECA(Failure Mode,Effects,and Criticality Analysis),即失效模式、影响及危害分析。不同的行业有各自的FMEA标准，航空航天和国防工业一般采用MIL-STD-1692 FMECA标准或SAE ARP5580 FMEA标准。FMEA是一种可靠性设计的重要方法。包括：FMA（故障模式分析）;FEA（故障影响分析）FMEA实际是一组系列化的活动，包括： 1）找出产品/过程中潜在的故障模式； 2）根据相应的评价体系，对找出的潜在故障模式进行风险评估； 3）列出故障起因/机理，寻找预防或改进措施。由于产品故障可能与设计、制造过程、使用、承包商/供应商及服务有关，因此，FMEA又可细分为如下四类： 1）设计FMEA 2）过程FMEA 3）使用FMEA 4）服务FMEA其中，设计设计FMEA和我过程FMEA最为常用。设计FMEA（也记为d-FMEA）有助于以下几个方面的工作。1）设计要求与设计方案的相互权衡。2）制造与装配的初步设计。3）提高设计开发过程中考虑潜在故障模式及其对系统和产品影响的可能性。4）为制定全面有效的设计试验计划和开发项目提供更多信息。5）建立一套改进设计和开发实验的优先控制系统。6）为将来分析研究现场情况、评价设计的更改提供参考。过程FMEA（也记为p-FMEA）一般包括如下内容：1）确定与产品相关的过程潜在故障模式；2）评价故障对用户的潜在影响；3）确定潜在制造装配过程的故障起因，确定减少故障发生或找出故障条件过程控制变量；4）编制潜在故障模式分级表，建立纠正措施优选体系；5）将制造或装配过程文件化。FMEA工作过程步骤：1）定义分析系统；2）建立产品结构层次图；3）定义产品各组成单元故障模式；4）设定所有故障模式的影响；5）定义故障模式危害度的等级分类；6）输入其他故障模式信息；7）设定故障模式的严酷度和危害等级；8）输出产品FMEA报告；9） 提出对产品严酷度等级故障模式所采取的补偿措施。5. 故障树分析故障树分析（FAT，Fault Tree Analysis）是进行系统可靠性、安全性分析的重要方法。最大特点是考虑人的因素、环境因素对顶事件的影响，还可以考虑多种原因相互影响的组合事件。 顾名思义，故障树就是一种树状的逻辑因果关系图。它是一系列事件符号和逻辑门符号，描述系统中各种事件之间的因果关系。 下面举例说明基本原理。T为顶事件，即 不希望发生故障的事件，E1E6为中间事件，X1X6为不可分解的原因。图5-1 FAT的例子由图5-1的逻辑关系可得：T=X1X2X3+X3X4+X4X5+X6。从式中可以看出，T事件的最小割集有X1,X2,X3,X3,X4,X4,X5,X6四个，当这四个集合中的任何一个集合内的全部原因具备时，就会发生事件T。其他集合，如X4,X6,也会导致T发生，也就是说它是T的割集，但不是最小割集，因为对于割集X4,X6,X4不是发生T事件的必要原因。6. 冗余技术冗余的含义，是使用两个甚至多个功能完全相同的子系统，使其并联，这样的并联完不影响或改变系统的功能，但是只要这些并联子系统中的任何一个子系统处于正常运行状态，整个系统就能保证正常运行。形成并联关系的子系统数量称为冗余重数。如由两个子系统并联构成的冗余系统称为双重冗余。 冗余系统还要考虑各个并联子系统间的切换和切换时间，因为它会影响整个系统功能的执行，甚至使冗余系统不能达到预期目的。6.1备用式冗余只有一个在线，其他处于备用状态。1）冷备用方式：备用子系统完全不运行，甚至不加电，手动完成切换。2）温备用方式：备用子系统运行一个跟踪程序，当系统故障，备用子系统立即启动，并根据跟踪状态继续运行。3）热备用方式：备用子系统和在线子系统运行完全相同的程序，但备用子系统不对现场输出控制信号，当系统故障时，切换输出通道。6.2表决式冗余所有冗余模块都同时运行，但多个模块的输出必须经过表决器的比较后才能输出，一旦表决结果异常，将禁止输出或系统导向安全态，甚至停止运行。图6-1 双模表决冗余系统7. 容错技术与故障安全容错不仅要求系统在某个部分出现故障时仍可完成预期的功能，即实现“不停机系统”，还要求系统某个部分出现故障时能输出正确的结果。故障安全系统在规定的故障情况下保证输出正确或导向安全。 输出正确：系统自我屏蔽故障影响，不导致停机，正确输出控制命令。导向安全：系统无法判断输出何种命令是正确的，就输出预先设定的安全值，包含停机。容错和故障安全系统的设计方法，主要是围绕冗余和表决这一关键概念进行的。一些典型的故障安全准则：1）每个安全相关的模块必须经过充分的分析和测试；2）每个安全相关的功能，应冗余运行（推荐）；3）在合适的时间内，应周期性的进行软件数据正确性检查；4）通过读写测试，保证RAM的正确性；5）通过校验码测试，保证ROM的正确性； 6）保证系统的中断执行过程的完整性；7）在重要的校验过程中使用定时器；8）CPU死机不会导致危险侧输出；9）系统检测到失效时，必须严格导向安全侧；10）任何硬件故障必须立即得到反映，不能造成故障积累而发生事故；11）必须采用WDT防止程序进入死循环或停止运行；12） 所有与安全相关的数值，不能人工输入。8. 维修性分析维修性分析的目的是预测系统的平均维修时间（MTTR），并为维修性设计（主要目的是缩短维修时间）提供支持。 常用的维修性预测标准有MIL-HDBK-472，GJB/Z 57等，IE