6. Синтез надежных дискретных устройств

6.1. Методы повышения надежности дискретных устройств

При разработке дискретного устройства решают две основные задачи: обеспечение выполнения заданного алгоритма работы и обеспечение заданной надежности работы. Рассмотренные в предыдущих разделах методы синтеза дискретных устройств направлены на решение первой задачи, однако и вторая задача имеет не менее важное значение, так как надежность является наиболее существенной характеристикой любого технического устройства.

Под надежностью понимают свойство системы (устройства) сохранять свои .выходные характеристики (параметры) в определенных пределах в данных условиях эксплуатации. С понятием надежности тесно связано понятие отказа. Отказом называют событие, после появления которого значения выходных характеристик устройства выходят за допустимые пределы.

Под надежностью дискретного устройства следует понимать его свойство правильно выполнять при данных условиях заданный алгоритм функционирования. Например, если дискретное устройство обеспечивает включение лампы при нечетном числе нажатий управляющей кнопки, то любое искажение данного алгоритма работы (постоянное горение или негорение лампы, включение ее после четного числа нажатий кнопки и т. п.) следует рассматривать как отказ дискретного устройства, при котором оно теряет свою надежность.

Количественной характеристикой надежности является вероятность безотказной работы Р(t), т. е. вероятность того, что при заданных условиях эксплуатации в течение времени t не произойдет ни одного отказа. Часто более удобной оказывается другая характеристика – вероятность отказа Q(t). Это есть вероятность возникновения при заданных условиях эксплуатации за время t хотя бы одного отказа.

Так как исправная работа устройства и его отказ являются событиями несовместимыми и противоположными, то Q(t) = 1 – Р(t).

Величину Р(t) определяют по результатам статистического испытания образцов устройства как отношение числа исправно проработавших за время t образцов к общему числу испытываемых образцов. Так как статистические испытания сложных систем затруднены, то их надежность рассчитывают аналитическими методами. В этом случае используют еще одну характеристику надежности – интенсивность отказов λ(t). Эту величину определяют также по результатам статистических испытаний как отношение числа отказавших образцов устройства за единицу времени к среднему числу образцов, исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие образцы не восстанавливаются и не заменяются исправными. Если известны значения λ(t) отдельных элементов, входящих в сложную систему, аналитическим методом может быть рассчитана надежность всей системы. Связь между вероятностью безотказной работы и интенсивностью отказов определяется экспоненциальным законом надежности:

.

В состав реального дискретного устройства входит некоторое количество логических элементов. Каждый элемент может иметь исправное состояние и состояние отказа. Если дискретное устройство не содержит избыточных элементов, отказ любого из них приводит к искажению алгоритма работы этого устройства хотя бы на одной из последовательностей входных состояний, т. е. к отказу дискретного устройства. Иначе говоря, устройство работает исправно только в случае исправной работы всех его элементов. Так как отказы элементов являются независимыми событиями, то надежность дискретного устройства в общем случае

, (6.1)

где п – число элементов устройства;

–вероятность безотказной работы i-го элемента.

Из формулы (6.1) следует, что с увеличением сложности системы (ростом числа элементов) ее надежность уменьшается, так как < 1. Поэтому возникает противоречие между надежностью и сложностью систем: чем сложнее устройство, тем оно менее надежно. В то же время увеличение сложности дискретных устройств есть неизбежный процесс их развития, так как расширение функциональных возможностей систем управления возможно только за счет усложнения их внутренней структуры. По этой причине повышение надежности рассматриваемых устройств является одной из главных проблем теории дискретных устройств.

Методы повышения надежности дискретных устройств подразделяют на две группы: повышение надежности логических элементов и повышение надежности логических структур введением избыточных элементов.

Первый метод имеет ограниченный характер. В первую очередь это связано с некоторым пределом надежности каждого конкретного типа элемента, выше которого ее поднять невозможно. Кроме того, как показывает опыт разработки логических схем, темп роста сложности схем намного опережает темп роста надежности элементов. В связи с этим второй метод повышения надежности (его часто называют методом структурной избыточности) имеет исключительно важное значение. Основные идеи этого метода были изложены в конце 50-х годов в работах Э. Мура, К. Шеннона, Дж. Неймана, М. А. Гаврилова и А. Д. Закревского, которые сформулировали и показали основные пути решения задачи синтеза надежных схем из ненадежных элементов.

Различают две группы методов структурной избыточности: методы постоянного резервирования (синтез избыточных устройств, нечувствительных к определенному количеству отказов) и методы резервирования замещением (синтез избыточных устройств с обнаружением неисправностей в процессе функционирования).

При резервировании замещением используют специальную систему контроля, которая может действовать непрерывно или периодически, а также переключающее устройство. При обнаружении неисправности в дискретном устройстве или отдельном его блоке переключающее устройство под воздействием системы контроля автоматически включает исправный блок или целое устройство и отключает неисправный. При постоянном резервировании элементы, резервные блоки или устройства включаются постоянно. Поэтому при построении систем управления учитывают все виды возможных отказов элементов и блоков и систему строят так, чтобы при наличии определенных неисправностей она продолжала нормально функционировать.

Постоянное резервирование имеет существенное преимущество перед резервированием замещением. При применении последнего в случае отказа происходит нарушение работы системы на время обнаружения отказа и выполнения переключений. Постоянное резервирование позволяет избежать даже кратковременных перерывов в работе системы при отказах элементов и блоков. Однако, с другой стороны, постоянное резервирование, как правило, требует введения большей аппаратурной избыточности, чем резервирование замещением.

Постоянное резервирование может быть выполнено без восстановления и с восстановлением избыточности. В первом случае в системе происходит накопление отказов, так как работоспособность отказавших элементов не восстанавливается и не происходит их замена исправными элементами. Поэтому с течением времени при накоплении в системе определенного количества неисправных элементов может произойти отказ системы. При постоянном резервировании с восстановлением избыточности необходима система контроля, выявляющая неисправные блоки. Их замена, т. е. восстановление резерва, проводится в этом случае без нарушения нормального функционирования устройства.

Постоянное резервирование с восстановлением избыточности совмещает в себе идеи постоянного резервирования и резервирования замещением и с точки зрения повышения надежности является наилучшим способом резервирования. Однако оно требует и наибольшей аппаратурной избыточности.

Постоянное резервирование осуществляют несколькими способами (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Структурная схема классификации постоянного резервирования

При резервировании с отдельным восстанавливающим органом (ВО) устанавливают несколько идентичных блоков, выходы которых подаются на входы ВО. Последний решает задачу восстановления логического сигнала в условиях возникновения ошибок на выходах логических блоков. Логическая функция, выполняемая ВО, зависит от числа идентичных блоков и конкретных условий резервирования. Поэлементное резервирование, предусматривающее параллельное и последовательное включение отдельных элементов устройства, позволяет получать большой выигрыш в надежности, но за счет существенного усложнения устройства. Наименьшие аппаратурные затраты дают способы, основанные на применении для кодирования полных состояний дискретных устройств корректирующих кодов. В этом случае для решения задачи построения надежных дискретных устройств используют идеи помехоустойчивого кодирования информации.