ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Αξιοπιστία Λειτουργίας κατά την Ανάπτυξη Ηλεκτρονικών Προϊόντων ΠΡΟ ΙΑΓΡΑΦΕΣ ΤΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΠΡΟ ΪΟΝΤΩΝ Μ Ε ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ Λ Ε ΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΟ ΙΑΓΡΑΦΕΣ ΤΟΥ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΥ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΟΚΙΜΕΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΤΩΝ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΩΝ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ & ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΥ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΕΠΙΤΥΧΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ ΟΚΙΜΕΣ ΙΑΛΟΓΗΣ ΤΟΥ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ ΕΠΙΤΥΧΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑ ΙΟΡΘΩΤ ΙΚΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑ Ε ΟΜΕΝΑ ΒΛΑΒΩΝ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΠΙΣΚΕΥΗ - ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΙΟΡΘΩΤΙΚΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΤΩΝ ΒΛΑΒΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΙΟΡΘΩΤΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ (FRACAS) 1
Ιστορική Αναδροµή Το 1952 το Υπουργείο Αµύνης των Η.Π.Α. σχηµάτισε την επιτροπή AGREE (Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment) που συνέταξε την προδιαγραφή MIL-STD-781 µε τίτλο Reliability Qualification and Production Approval Tests : δοκιµές αξιολόγησης (testing) των ηλεκτρονικών προϊόντων µε ηλεκτρικές, µηχανικές και θερµοκρασιακές καταπονήσεις αναλυτικές στατιστικές µεθοδολογίες επεξεργασίας των δεδοµένων βλαβών Τα επόµενα χρόνια: Ανάπτυξη κατάλληλων διαδικασιών δοκιµών διαλογής (screening). Eφαρµογή συγκεκριµένων καταπονήσεων στα παραγόµενα προϊόντα όπως είναι οι κυκλικές εναλλαγές ακραίων τιµών της θερµοκρασίας, οι δονήσεις, η φυγοκέντρηση, κ.α. και τον έλεγχο για πιθανά ελαττώµατα των δοκιµίων (DoD-IEC). Ιστορική Αναδροµή Το 1965, το Υπουργείο Αµύνης των Η.Π.Α. (AGREE) συνέταξε την προδιαγραφή MIL-STD-785 µε τίτλο Reliability Programs for Systems and Equipment : ιασφάλιση της αξιοπιστίας λειτουργίας κατά τις φάσεις του σχεδιασµού, της ανάπτυξης και της παραγωγής προϊόντων Εκτίµηση κόστους - οφέλους από την επένδυση σε αύξηση της αξιοπιστίας λειτουργίας των προϊόντων Μελέτη του κόστους του κύκλου ζωής (Life Cycle Cost) εκαετία 80-90: Στη Μεγάλη Βρετανία αναπτύσσονται πρότυπα µε διαδικασίες για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας λειτουργίας: Defense Standard 00-40: The Management of Reliability and Maintainability BS 5760: Α Guide on Reliability of Systems, Equipments and Components Οι Ιαπωνικές βιοµηχανίες αναπτύσσουν πρωτοποριακές µεθόδους διασφάλισης ποιότητας και αξιοπιστίας λειτουργίας µε αποτέλεσµα τα ιαπωνικά τεχνολογικά προϊόντα να χαρακτηρίζονται από υψηλή στάθµη ποιότητας σε συνδυασµό µε χαµηλό κόστος ανάπτυξης: Ολική Ποιότητα (Total Quality Management) Σθεναρός σχεδιασµός (Robust Design) 2
Σηµερινά πρότυπα αξιοπιστίας Ηεκτίµηση συγκεκριµένων δεικτών αξιοπιστίας λειτουργίας (ρυθµός βλάβης, µέσος χρόνος µεταξύ βλαβών, διαθεσιµότητα) συµπεριλαµβάνεται σε όλα τα σύγχρονα προγράµµατα διασφάλισης αξιοπιστίας και ποιότητας των εταιρειών υψηλής τεχνολογίας: Motorola, Texas Instruments, Nokia, AT&T, κ.α. Οι εκτιµήσεις των δεικτών συµπεριλαµβάνονται στα τεχνικά χαρακτηριστικά. Σηµαντικότερα πρότυπα: MIL-HDBK-217F: Έχει συνταχθεί από το Υπουργείο Αµύνης των Η.Π.Α. σε συνεργασία µε τη βιοµηχανία και αποτελεί την κυριότερη προδιαγραφή για την εκτίµηση των δεικτών αξιοπιστίας λειτουργίας των στρατιωτικών ηλεκτρονικών συστηµάτων, ενώ αρκετά συχνά χρησιµοποιείται και για εµπορικά προϊόντα Telcordia: Παλιότερα ήταν γνωστή ως Bellcore, έχει συνταχθεί από τα εργαστήρια της εταιρίας AT&T και εφαρµόζεται συχνά για την εκτίµηση των δεικτών αξιοπιστίας λειτουργίας των εµπορικών ηλεκτρονικών προϊόντων καθώς συµπεριλαµβάνει µαθηµατικά µοντέλα που αξιοποιούν εργαστηριακά δεδοµένα από δοκιµές. CNET: Είναι ένα πρότυπο που αναπτύχθηκε από την εταιρεία France Telecom και είναι παρόµοιο µε το πρότυπο MIL-HDBK-217, αλλά η αντίστοιχη µέθοδος της ανάλυσης καταπονήσεων των εξαρτηµάτων (part stress analysis) περιλαµβάνει αναλυτικότερα µαθηµατικά µοντέλα υπολογισµού του ρυθµού βλάβης. HRD: Έχει αναπτυχθεί από την εταιρεία British Telecommunications και είναι παρόµοια µε την CNET αλλά περιλαµβάνει απλούστερα µαθηµατικά µοντέλα και λιγότερα απαιτούµενα δεδοµένα για την εκτέλεση των υπολογισµών. Εκτίµηση των εικτών Αξιοπιστίας Λειτουργίας είκτης της αξιοπιστίας Υπολογισµός της αξιοπιστίας λειτουργίας ηλεκτρονικών συστηµάτων Γενική περίπτωση: n n t i = 1 R(t)=e -λt 1 MTBF = Rσυστήµατος ( t) = Rεξαρτήµατος i ( t) = e λ Ιδιαίτερες περιπτώσεις: Εφαρµογή συνδεσµολογιών σε σειρά-παράλληλα-κ από Ν Μοντελοποίηση Markov Προσοµοίωση Monte Carlo Γενικά χαρακτηριστικά των προτύπων εκτίµησης των δεικτών αξιοπιστίας Σταθερός ρυθµός βλάβης των εξαρτηµάτων, που προκύπτει ως γινόµενο παραγόντων Μέθοδος απαρίθµησης των τύπων (αρχικά στάδια σχεδίασης) Μέθοδος ανάλυσης των καταπονήσεων (προχωρηµένα στάδια σχεδίασης) i= 1 λ i 3
Απαρίθµηση των τύπων (parts count) Παράγοντες επίδρασης: Περιβάλλον λειτουργίας: (π.χ. «επίγειο µε κίνηση» χαρακτηρισµός στην προδιαγραφή MIL-HDBK-217). Επίσης υπάρχει και επίδραση θερµοκρασίας και χρόνου στην παραγωγή για συγκεκριµένες κατηγορίες Ποιότητα κατασκευής (π.χ. εµπορική, στρατιωτική) Ρυθµός βλάβης συστήµατος: n λε = N λπ i= 1 i gi Qi N: ποσότητα από συγκεκριµένο τύπο σε συγκεκριµένο περιβάλλον n: διαφορετικές κατηγορίες εξαρτηµάτων (αντιστάσεις, πυκνωτές) ή ακόµη και τύπων περιβάλλοντος, έτσι ώστε να διαφοροποιείται το λ g Περιβάλλον λειτουργίας Αφορά την τοποθεσία και τον τρόπο που θα χρησιµοποιείται το ηλεκτρονικό σύστηµα. Παραδείγµατα: Επίγειο Σταθερό µε ελεγχόµενες συνθήκες (Ground Benign): Περιβάλλον όπου η λειτουργία γίνεται σε σταθερή θέση µε ελεγχόµενες συνθήκες θερµοκρασίας και υγρασίας, µε άµεση πρόσβαση για εργασίες συντήρησης. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις λειτουργίας αποτελούν ο εργαστηριακός εξοπλισµός και ο εξοπλισµός δοκιµών, ο ιατρικός ηλεκτρονικός εξοπλισµός, οι εργαστηριακοί και οι επαγγελµατικοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές, οι πύραυλοι και ο συνοδευτικός εξοπλισµός υποστήριξης σε επίγεια σιλό. Επίγειο µε Κίνηση (Ground Mobile): Περιβάλλον λειτουργίας για εξοπλισµό που είναι τοποθετηµένος σε επίγεια κινούµενα οχήµατα ή µεταφέρεται από άτοµα. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις λειτουργίας αποτελούν ο εξοπλισµός υποστήριξης πυραύλων, κινητά τηλεπικοινωνιακά συστήµατα, φορητές συσκευές επικοινωνίας, αποστασιόµετρα µε laser. Για διαφορετικά περιβάλλοντα λειτουργίας υπάρχουν διαφορετικές τιµές της παραµέτρου λ g. Παράγοντας ποιότητας: Αφορά την τυποποίηση της διαδικασίας παραγωγής των εξαρτηµάτων 4
5
6
Καταπόνηση Εξαρτηµάτων Καταπόνηση εξαρτήµατος (ηλεκτρική, θερµική) εφαρµοζόµενο φορτίο στο εξάρτηµα S = ονοµαστικό φορτίο εξαρτήµατος φορτίο: τάση λειτουργίας, θερµοκρασία, ισχύς Καταπόνηση - Αντοχή Ηθερµική και η ηλεκτρική καταπόνηση των ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων κατά τη διάρκεια της λειτουργίας ενός ηλεκτρονικού συστήµατος επηρεάζουν σηµαντικά τον αντίστοιχο ρυθµό βλαβών. Σχέδιο µειωµένων καταπονήσεων 7
Ανάλυση των Καταπονήσεων (part stress) Προχωρηµένα στάδια της σχεδίασης Παράγοντες επίδρασης: Περιβάλλον λειτουργίας και θερµοκρασία Ποιότητα κατασκευής Ηλεκτρικές και θερµικές καταπονήσεις Ρυθµός βλάβης εξαρτήµατος: λ ε =λ β (π Τ π Q π Ε.) π.χ. Πυκνωτές λ ε =λ β π Τ π C π V π SR π Q π Ε Θυρίστορ λ ε =λ β π Τ π R π S π Q π Ε Ρυθµός βλάβης συστήµατος: άθροισµα ρυθµών βλάβης όλων των εξαρτηµάτων 8
9
10
11
12
13
14
15
16
Πρόγραµµα Η/Υ RELEX 17