Автоматизированная система расчета показателей долговечности электронных средств

УДК 621. 396. 6, 621. 8. 019. 8

Г

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

В. В. Жаднов, В. Н. Кулыгин

Введение

В принятых в настоящее время методиках оценки показателей долговечности аппаратуры предусмотрено проведение расчетов в два этапа (приближенный и уточненный расчет), что при большом количестве элементов существенно повышает их трудоемкость, связанную, в первую очередь, с поиском данных по характеристикам долговечности. Поэтому приведенные в методиках модели, применяющиеся для пересчета показателей долговечности от предельно допустимых режимов и условий применения элементов (приближенный расчет) к рабочим (уточненный расчет), достаточно просты. Однако использование таких моделей хотя и не сильно влияет на трудоемкость расчетов, но может привести к снижению точности оценок показателей долговечности. Эта погрешность будет тем больше, чем сильнее предельно допустимые режимы и условия применения элементов отличаются от рабочих. Вместе с тем модификация моделей, направленная на повышение точности расчетов, приведет не только к повышению трудоемкости расчетов, но и требований к квалификации специалистов, а следовательно, к необходимости создания соответствующего программного обеспечения и баз данных.

Программа расчета показателей долговечности электронных средств (АСКОД) разработана для автоматизации выполнения мероприятий по расчету надежности, предусмотренных в «Программах обеспечения надежности электронных средств», в обеспечение стандартизованных методик определения показателей надежности [1] и предназначена для расчетной оценки показателей долговечности электронных средств (ЭС) по данным о характеристиках долговечности электро-радиоизделий (ЭРИ), параметрах режимов и условий их применения, и временных графиков (циклограмм) работы ЭС.

Программа АСКОД ориентирована на инженеров-проектировщиков ЭС, не являющихся специалистами в области надежности и имеющих минимальные навыки работы на персональном компьютере. Это достигается за счет:

- разработки пользователь-ориентированного интерфейса, позволяющего вводить данные в одном окне, с динамически подгружаемыми полями по мере необходимости их заполнения, а также перестройкой интерфейса в случае изменения введенных данных;

- введения аналитического ядра, анализирующего вводимые данные и помогающего пользователю избежать ошибок при вводе данных;

- использования встроенной системы интерактивных подсказок, помогающих пользователю определить номенклатуру показателей долговечности;

- создания интерфейсов связи с системами автоматизированного проектирования (САПР) электронных устройств для получения перечня элементов, а также с автоматизированными системами проектных исследований (АСПИ) для получения режимов работы ЭРИ;

- создания базы данных по характеристикам долговечности ЭРИ;

- возможности сохранения проектов и формирования отчетов.

Пользователь программы АСКОД имеет возможность получать дополнительную информацию о степени влияния каждого ЭРИ и параметров их режимов и условий применения на общий уровень рассчитанных показателей долговечности. Анализ этой информации позволит своевременно выявить «слабые места» разрабатываемых ЭС и дать обоснованные рекомендации по из-

Программа расчета показателей долговечности электронных средств

менению электронной компонентной базы (ЭКБ), режимов, условий применения и временных графиков работы ЭРИ с целью обеспечения заданных уровней показателей долговечности ЭС. Состав модулей программы АСКОД приведен на рис. 1.

Рис. 1. Состав модулей программы АСКОД

Компонент «Расчетное ядро» предназначен для расчета показателей долговечности ЭС, номенклатура которых приведена в ГОСТ 27.003-90 [2], а именно:

- средний ресурс;

- гамма-процентный ресурс;

- назначенный ресурс;

- средний срок службы;

- гамма-процентный срок службы;

- назначенный срок службы;

Компонент «Пользовательский интерфейс» предназначен для ввода и редактирования исходных данных, необходимых для расчета показателей долговечности ЭС, в интерактивном режиме. В модуле использована технология «Wizard» при вводе данных об ЭС, таких как требуемые значения показателей долговечности, параметры модели эксплуатации и др., а также описания ЭРИ, их характеристик долговечности, коэффициентов нагрузки, коэффициентов интенсивности эксплуатации и др. Кроме того, модуль имеет связь с базой данных (БД) и конверторами данных из САПР и АСПИ компонента «Модуль вспомогательных функций».

Компонент «Модуль валидации данных» предназначен для контроля данных, введенных пользователем, путем сравнения их значений с ограничениями, содержащимися в базе данных

(БД) «БД валидации». В случае обнаружения недопустимых значений пользователю выдается соответствующее сообщение об ошибке.

Компонент «Модуль хранения проекта» предназначен для формирования файла, содержащего исходные данные и результаты расчета показателей долговечности ЭС. Для каждого проекта формируется отдельный файл, что позволяет легко переносить данные с одного компьютера на другой.

Компонент <«Модуль вспомогательных функций» предназначен для импорта данных о режимах применения ЭРИ из САПР и АСПИ, необходимых для проведения «уточненного» расчета, построения диаграммы значений ресурсов ЭРИ, а также формирования отчета работы программы в формате MS Excel.

Особенностью математического ядра программы АСКОД является то, что в нем реализовано два метода расчета показателей долговечности радиоэлектронной аппаратуры, а именно метод, рекомендованный в нормативных документах и [3] модифицированный метод [4]. В основу модифицированного метода для расчета показателей долговечности типа «ресурс» положена аппроксимация зависимости минимальной наработки ЭРИ от коэффициента нагрузки функцией вида

где ТМ. Н - минимальная наработка ЭРИ «во всех режимах» по техническим условиям (ТУ); ТМ. Ножл - минимальная наработка ЭРИ в режиме ожидания (хранения) по ТУ; ПМ. Н - комплексный коэффициент нагрузки ЭРИ «во всех режимах» по ТУ; Пож - комплексный коэффициент нагрузки ЭРИ в режиме ожидания (хранения); Праб - комплексный коэффициент нагрузки ЭРИ в рабочем режиме.

Значения ТМ. Н и ТМ. Нож определяются по таблицам справочника «Надежность ЭРИ» [5] (или ТУ) и содержатся в БД «БДпоказателей долговечности»).

Значения комплексных коэффициентов ПМ. Н, Пож и Праб рассчитываются по формуле [6]:

где К - коэффициенты, учитывающие влияние режимов и условий применения ЭРИ; I - общее число коэффициентов.

Номенклатура коэффициентов К определяются по методике, приведенной в [4], а их значения - по таблицам справочника «Надежность ЭРИ» [5].

В основу модифицированного метода для расчета показателей долговечности типа «срок службы» положена математическая модель [7, 8] вида

где КИ. э - коэффициент интенсивности эксплуатации ЭС; ТССраб - срок службы ЭС в режиме работы; ТССож - срок службы ЭС в режиме ожидания.

Для хранения файлов проекта разработана БД, инфологическая модель которой приведена на рис. 2.

Данные в проектной БД хранятся в таблицах. Таблица «project» содержит общие данные для проекта. Данные по блокам ЭС содержатся в таблице «node», причем для каждого блока создается отдельная запись. Данные на ЭРИ содержатся в таблице «eri», при этом для каждого ЭРИ создается отдельная запись с массивом вводимых характеристик, хранящихся в поле «INPARLST», представляющем собой список id из таблицы «LSTINPAR». Поля «GR ID» и «ERI ID» заполняются при выборе ЭРИ из справочной части базы данных («БД показателей долговечности») и используются для получения комплексных коэффициентов (П). Каждая запись в таблице «eri» имеет отношение к таблице «node» по полю «node id», что позволяет при расчетах ЭРИ использовать характеристики модели эксплуатации компонента, в состав которого он входит. Таблица «LST INPAR» относится к базе данных «БД валидации» (см. рис. 1) и содержит описания и ограничения на характеристики, которые вводятся пользователем. Таблица «str^t» создана для хранения структуры ЭС.

V *м.Н

I

П = П К,

i = 1

project

РК jd

mpar_id val

eri

k_id

FK1 node id

IN PAR LST

val 1st

GR ID

ERI ID

node

PK node id

FK1 nparjst valjst prjjd

struct

PK id

sn

level

FK1,FK2 elem id

name

Рис. 2. Инфологическая модель базы данных «Проектная БД»

При проектировании БД по характеристикам долговечности ЭРИ за основу была взята база данных по характеристикам безотказности ЭРИ и механических элементов (МЭ) [9]. Созданная на этой основе инфологическая модель базы данных «БД показателей долговечности» приведена на рис. 3.

VARSFE

PK,FK1 NAME

CLASSNUM

NUMBERS

VARTYPE

SYSNUM

VARSUSE

FRMSUSE

DESCRIPTION

MIN VALUE

MAX VALUE

MIISI ERROR

MAX ERROR

VERSION

I

LSTJNPAR

PK.FK1 NAME

INPARJD INPARDESC

TU

PK NOMER

CONSTRU TU

FORMSFE

PK FORMINTOT

NCONST

KOD

MCNST

MFRMS

LCOL

CLASSNUM

VERSION

CLASS

PK NAME

FK1 NOMER SQL TABLENAME NUM REF BOOK

GRUPP

PK,FK1 NAME

NOMGRUPP

FORMINTOT

PK IOENT

OESCRIPT

FK2 FORMINTOT

VERSION

FK1 NOMGRUPP

QUERYES

PK SQL

QWNUM

QWORDER

AFTERTEXTEC

FK1 NAME

POOGRUPP

PK NOMGRUPP

IDENT

NOMER

NOMPODGRUPP

NAME

OBZN

Рис. 3. Инфологическая модель базы данных «БД показателей долговечности»

Таблица «VARSFE» содержит информацию по параметрам математических моделей расчета гамма-процентного ресурса, а также параметры формул расчета комплексных коэффициентов, которые входят в эти модели. В таблице «FORMSFE» содержится информация о математических моделях показателей долговечности. В таблице «FORMINTOT» содержатся структуры математических моделей. В таблице «QUERYES» содержатся SQL-запросы для получения данных. Таблица «CLASS» - главная таблица для всех классов ЭРИ. В таблице «GRUPP» содержится общая информация о группах, которые входят в данный класс ЭРИ. В таблице «PODGRUPP» содержится общая информация о подгруппах, которые входят в данную группы ЭРИ. В таблице «TU» содержится номер ТУ на ЭРИ и его уникальный номер, что позволяет хранить в БД несколько номеров ТУ на один тип ЭРИ (эта таблица является общей для всех классов ЭРИ).

«БД показателей долговечности» содержит данные о гамма-процентном ресурсе, минимальной наработке и сроке хранения ЭРИ, в объеме, соответствующем объему данных, приведенном в справочнике «Надежность ЭРИ» [5], а в случае отсутствия типономиналов ЭРИ в этом справочнике - она может пополняться данными из ТУ.

Разработанные базы данных составляют основу информационного обеспечения программы АСКОД, которая будет интегрирована в информационную технологию обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры [10]. Схема информационных потоков (схема взаимодействия программы АСКОД с Altium Designer [11] и ПК АСОНИКА-К [10], а также с базами данных «БД валидации», «Проектная БД»,«БД показателей долговечности»), которая будет реализована в этой технологии, приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема информационных потоков при анализе долговечности ЭС

Конверторы (см. рис. 4) с САПР предназначены для автоматического ввода списка ЭРИ, применяемых в ЭС, а конверторы с АСПИ - для ввода данных о режимах их применения (электрических, тепловых и др.) и коэффициентов нагрузки. Данные об ЭС (модели эксплуатации, структуре и др.), а также временные графики работы ЭРИ вводятся пользователем. Использование конверторов и базы данных «БД показателей долговечности» позволяет существенно снизить объем данных, вводимых пользователем, а использование «Модуля валидации данных» и «БД валидации» - снизить возможность ошибок при их вводе. Файлы проекта, содержащие исходные данные и результаты расчета сохраняются в «Проектной БД». Укрупненная блок-схема алгоритма функционирования программы АСКОД [12], позволяющая реализовать такие информационные потоки, приведена на рис. 5.

Рис. 5. Блок-схема алгоритма функционирования программы расчета показателей долговечности ЭС

Ниже приведено краткое описание основных операций алгоритма.

Блок 1 - выбор метода расчета показателей долговечности ЭС (стандартизованный или модифицированный).

Блок 2 - выбор классификационных признаков ЭС для определения номенклатуры нормируемых показателей долговечности.

Блок 3 - формирование номенклатуры нормируемых показателей долговечности. Блок 4 - выбор показателей долговечности, которые необходимо рассчитать для ЭС. Блок 5 - ввод модели эксплуатации ЭС и ее параметров (коэффициентов интенсивности эксплуатации для режимов работы, ожидания и хранения).

Блоки 6-10 - ввод компонентов ЭС и их параметров (наименования компонента и коэффициентов интенсивности эксплуатации для режимов работы и ожидания) и формирование структуры ЭС. В процессе ввода компонентов предусмотрена проверка правильности введенных данных -Блок 8.

Блок 11 - ввод перечня ЭРИ. Для автоматизации этой операции предусмотрена возможность конвертации данных из выходного файла САПР Altium Designer.

Блок 12 - ввод параметров и режимов применения ЭРИ, используемых в моделях долговечности (коэффициентов нагрузки, рабочих температур и др.). Для автоматизации этой операции предусмотрена возможность ввода данных из ПЧ БД системы АСОНИКА-К-СЧ ПК АСОНИКА-К.

Блоки 15-20 - расчет гамма-процентного ресурса ЭРИ. В Блоке 17 осуществляется ввод характеристик долговечности ЭРИ (минимальной наработки, гамма-процентного ресурса, минимального срока сохраняемости и др.). Для автоматизации этой операции предусмотрена возможность ввода данных из «БД показателей долговечности». При этом если в Блоке 1 был выбран модифицированный метод расчета, то для расчета коэффициентов, учитывающих влияние режимов и условий применения ЭРИ, используются данные, хранящиеся в СЧ БД системы АСОНИКА-К-СЧ.

Блок 21 - расчет показателей долговечности ЭС, номенклатура которых была определена в Блоке 4.

Блок 23 - формирование файла-проекта и сохранение его в «Проектной БД». Блок 24 - формирование диаграммы ресурсов ЭРИ и вывод результатов расчетов.

Заключение

Таким образом, разработанные в ходе проведенных исследований состав, алгоритм функционирования и модели баз данных программы АСКОД позволят обеспечить простоту и удобство ввода исходных данных, а также повысить точность расчетной оценки показателей долговечности ЭС. В дальнейшем разработанная программа по оценке долговечности ЭС будет интегрирована в состав программного комплекса АСОНИКА-К [13].

В работе использованы результаты, полученные в ходе выполнения проекта (№ 15-05-0029), в рамках Программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2015 г.

Список литературы

1. ГОСТ 4. 012. 013-84. Аппаратура радиоэлектронная. Определение показателей долговечности.

2. ГОСТ 27. 003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

3. Жаднов, В. В. Анализ методов определения показателей долговечности электронных средств по справочным данным / В. В. Жаднов // Новые информационные технологии в автоматизированных системах : материалы XVIII науч.-техн. семинара. - М. : ИПМ им. М. В. Келдыша, 2015. - С. 289-294.

4. Жаднов, В. В. Расчетная оценка показателей долговечности электронных средств космических аппаратов и систем / В. В. Жаднов // Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 2. - С. 65-73.

5. Надежность ЭРИ : справочник. - М. : МО РФ, 2006. - 641 с.

6. Жаднов, В. В. Повышение точности расчетной оценки показателей долговечности бортовой космической аппаратуры / В. В. Жаднов // Радиовысотометрия-2013 : сб. тр. IV Всерос. науч.-техн. конф. / под ред. А. А. Иофина, Л. И. Пономарева. - Екатеринбург : Форт Диалог-Исеть, 2013. - С. 164-169.

7. Карапузов, М. А. Влияние внешних воздействующих факторов на долговечность СВЧ-устройств / М. А. Карапузов, С. Н. Полесский, В. В. Жаднов // T-Comm : Телекоммуникации и транспорт. - 2014. -№ 12. - С. 29-31.

8. Карапузов, М. А. Влияние внешних возмущающих факторов на долговечность СВЧ-устройств / М. А. Карапузов, С. Н. Полесский, В. В. Жаднов // Надежность и качество сложных систем. - 2014. -№ 2. - С. 14-21.

9. Жаднов, В. В. Прогнозирование показателей безотказности механических элементов электронных средств при проектировании / В. В. Жаднов, И. Л. Лушпа // Информационные технологии в проектировании и производстве. - 2014. - № 4. - С. 17-23.

10. Абрамешин, А. Е. Информационная технология обеспечения надежности электронных средств наземно-космических систем : науч. издание / А. Е. Абрамешин, В. В. Жаднов, С. Н. Полесский ; отв. ред. В. В. Жаднов. - Екатеринбург : Форт Диалог-Исеть, 2012. - 565 с.

11. Суходольский, В. Ю. Altium Designer. Сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах / В. Ю. Суходольский. - СПб. : БХВ-Петербург, 2015. - 560 с.

12. Кулыгин, В. Н. Разработка программы оценки показателей долговечности РЭА / В. Н. Кулыгин // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ им. Е. В. Ар-менского : материалы конф. - М. : МИЭМ НИУ ВШЭ, 2015. - С. 101-103.

13. Жаднов, В. В. Программное обеспечение для расчетов показателей долговечности электронных средств / В. В. Жаднов, В. Н. Кулыгин // Труды Междунар. симп. Надежность и качество. - 2015. - Т. 1. - С. 12-16.

Жаднов Валерий Владимирович

кандидат технических наук, доцент,

кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций,

Московский институт электроники и математики

Национального исследовательского университета

«Высшая школа экономики»

E-mail: vzhadnov@hse.ru

Кулыгин Владимир Николаевич аспирант,

Департамент электронной инженерии, Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» (101000, Россия, г. Москва, ул. Мясницкая, 20) E-mail: vzhadnov@hse.ru

Аннотация. Рассмотрены вопросы создания автоматизированной системы расчета показателей долговечности электронных средств, основанной на работе со справочными данными. Сформулированы основные требования, разработана схема информационного обмена между системами автоматизированного проектирования и специализированными автоматизированными системами проектных исследований, определен состав программных модулей и разработан алгоритм функционирования программы, а также спроектирована модель базы данных по характеристикам долговечности элементов.

Ключевые слова: надежность, долговечность, устройства обработки радиосигналов, ресурс, программное обеспечение.

Zhadnov Valeriy Vladimirovich

candidate of technical scierces, associate professor,

sub-department of radio electronic

and telecommunications,

Moscow Institute of Electronic and Mathematic

of National Research University

«High School of Economics»

Kulygin Vladimir Nikolaevich

postgraduate student,

Department of electronic engineering,

National Research University

«High School of Economics»

Abstract. Considers creation of software for the calculation of indicators of durability by electronic means to the reference data. When creating software for the calculation of indicators of the longevity of electronic media were the main requirements, the scheme of information exchange with CAD systems and specialized automated systems design studies, to determine the composition of software modules and the algorithm of functioning of the program and designed the database model according to the characteristics of durability of elements.

Key words: reliability, durability, radio signals processing devices, life, software.

УДК 621. 396. 6, 621. 8. 019. 8 Жаднов, В. В.

Автоматизированная система расчета показателей долговечности электронных средств /

В. В. Жаднов, В. Н. Кулыгин // Надежность и качество сложных систем. - 2015. - № 3 (11). - С. 31-38.