назад

4 Группы показателей качества конструкции ЭВМ

Важнейшим направлением при конструировании и производстве ЭВМ являет-ся обеспечение качества конструкции. Качество изделий ЭВМ – это не только ре-зультат производственного процесса, оно формируется также на всех этапах про-ектирования (в том числе и конструирования) и эксплуатации ЭВМ.

Показатели качества конструкции ЭВМ можно условно разделить на не-сколько групп, основными из которых являются следующие: назначения, надёж-ности, технологичности, стандартизации и унификации, эргономические, эстети-ческие, патентно-правовые, экологические и показатели техники безопасности, транспортируемости и экономические.

Показатели назначения характеризуют полезный эффект от использования ЭВМ по назначению и область её применения. Они показывают функциональные возможности, техническое совершенство и назначение ЭВМ, её состав и структу-ру. Обычно такими показателями являются технические характеристики ЭВМ, например: количество одновременно выполняемых команд, принцип управления, система команд, система счисления, производительность, способ представления данных, разрядность, тип вводимой информации, вид памяти и её характеристики (ёмкость, цикл обращения, время выборки и др.), характеристики и количество периферийных устройств, виды и количество каналов ввода-вывода информации и её характеристики (скорость передачи данных и т.д.), потребляемая мощность, массогабаритные характеристики и т.д.

Показатели надёжности характеризуют возможность ЭВМ выполнять задан-ные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в необходимых пределах, соответствующих заданным режимам и ус-ловиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транс-портирования. Наиболее важным для ЭВМ являются показатели безотказности, долговечности, сохраняемости и ремонтопригодности, характеризующие проти-водействие конструкции внешним воздействиям и создание благоприятных усло-вий для предупреждения и обнаружения причин повреждений и их устранения.

Безотказность означает требование к ЭВМ непрерывно сохранять работоспо-собность (соответствие всем требованиям в отношении основных параметров в данный момент времени) в течение некоторого времени. Долговечность – свойст-во ЭВМ сохранять работоспособность при выполнении технического обслужива-ния и ремонтов до наступления предельного состояния, связанного с дальнейшей невозможностью по различным причинам использования ЭВМ по назначению. Сохраняемость – это возможность ЭВМ непрерывно сохранять работоспособное (исправное) состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования в определённых заданных условиях. Ремонтопригодность – приспособляемость ЭВМ к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путём проведения технического обслуживания и ремонтов. Наиболее часто при-меняемыми показателями надёжности ЭВМ являются вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, наработка на отказ, время восстановления и т.д.

Показатели технологичности характеризуют эффективность конструкторско-технологических решений для обеспечения высокой производительности труда при изготовлении, эксплуатации и ремонте изделий ЭВМ. Технологичность кон-струкции в принципе определяет экономическую целесообразность запуска изде-лий в производство. Её оценка является обязательным этапом, предшествующим разработке технологических процессов производства ЭВМ. В общем случае под технологичностью конструкции понимается совокупность её свойств, гаранти-рующая в заданных условиях производства и эксплуатации оптимальные затраты труда, средств, материалов и времени при технологической подготовке производ-ства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций при обеспечении установленных показа-телей качества.

Обработка конструкции на технологичность ведётся конструкторами и техно-логами на всех стадиях проектирования и изготовления. В случае необходимости в разработанную ранее конструкторскую документацию вносят требуемые изме-нения. Критериями оценки технологичности конструкции изделия являются пока-затели уровня технологичности по всему комплексу базовых показателей, указан-ных в техническом задании.

Согласно стандартам Единой системы технологической подготовки производ-ства (ЕСТПП), различают два вида технологичности продукции: производствен-ную, которая обеспечивается сокращением затрат средств и времени на конструк-торскую и технологическую подготовку производства и процессы изготовления изделия, и эксплуатационную, которая проявляется в сокращении затрат средств и времени на техническое обслуживание и ремонт изделия.

Главными факторами, определяющими требования к технологичности конст-рукции, являются: вид изделия (деталь, сборочная единица, комплекс, комплект), тип производства и уровень развития науки и техники. Оценка технологичности может быть количественной и качественной. Качественная оценка предшествует количественной, определяет её целесообразность и характеризует обобщённо дос-тоинство конструкции на основе опыта исполнителя. Количественная оценка вы-ражается системой показателей, которые используются для сравнения различных вариантов конструкции в процессе проектирования изделий, определения уровня технологичности необходимых для прогнозирования и расчёта базовых показате-лей технологичности.

Производственная технологичность оценивается показателями трудоёмкости, материалоёмкости и себестоимости конструкции, эксплуатационная технологич-ность – показателями контролепригодности, взаимозаменяемости, доступности, легкосъёмности с объекта и др. С показателями технологичности тесно связаны показатели стандартизации и унификации, характеризующие степень использо-вания в конкретной разработке ЭВМ стандартизованных деталей, узлов, блоков и других компонентов, а также уровень унификации составных частей конструкции ЭВМ.

Необходимость замены в производстве конструкций ЭВМ на более современ-ные, повышение их надёжности и качества требует унификации большинства технических и технологических решений по обеспечению совместимости и взаи-мозаменяемости конструкций как в процессе создания новых, так и при модерни-зации уже выпускаемых промышленностью.

Унификация (низшая ступень стандартизации) заключается в уменьшении многообразия конструкций, выполняющих в ЭВМ одинаковые или сходные функции. Унификации подвергаются как механические детали, сборочные едини-цы и несущие конструкции, так и элементная база.

Стандартизация как завершающая стадия унификации является необходимой предпосылкой для создания ЭВМ современного технического уровня. Высокие показатели разработок невозможны без опережающего характера стандартизации по отношению к производству разрабатываемых изделий, без базирования её на лучших достижениях отечественной и мировой техники.

Особый смысл при создании ЭВМ имеет широкая унификация и стандартиза-ция систем базовых (типовых) конструкций (конструкционных систем). Важное значение при унификации и стандартизации конструкции ЭВМ имеют также по-казатели применяемости, характеризующие значимость, повторяемость и преем-ственность конструкции.

Эргономические показатели характеризуют систему «человек – ЭВМ – среда». Для многих электронно вычислительных изделий эти показатели могут быть од-ними из важнейших.

В свою очередь эргономические показатели подразделяются на гигиенические, антропометрические, физиологические и психологические.

Эстетические показатели характеризуют художественность, выразительность и оригинальность формы ЭВМ, гармоничность и целостность конструкции, соот-ветствие формы и конструкции ЭВМ стилю, цветовое и декоративное решение ЭВМ и т.п.

Патентно-правовые показатели служат для оценки степени патентной чисто-ты и патентной защиты конструкции ЭВМ.

Экологические показатели и показатели техники безопасности характеризу-ют уровень вредных воздействий на окружающую среду, возникающих при изго-товлении и эксплуатации изделия (экологические показатели), а также особенно-сти конструкции, обусловливающие при её изготовлении и эксплуатации безо-пасность человека (показатели техники безопасности).

Показатели транспортируемости отражают приспособленность конструкции ЭВМ к транспортированию, а также подготовительным и заключительным техно-логическим операциям, связанным с транспортированием.

Экономические показатели характеризуют затраты на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке конструкции ЭВМ, на производство и эксплуатацию, а также экономическую эффективность при эксплуатации ЭВМ. Это особый вид показателей, позволяющих оценивать технологичность и ремонтопригодность конструкции, уровень стандартизации, патентную чистоту и т.д.

Отметим, что между показателями различных групп существуют взаимосвязи, которые необходимо учитывать при проектировании ЭВМ. Например, эргономи-ческие и эстетические показатели влияют на производительность ЭВМ, создавая определённые удобства для операторов и позволяя им при том же психологиче-ском напряжении вводить больше информации в единицу времени, снижают ве-роятность ошибочных действий оператора и т.д. Показатели стандартизации на-ряду с непосредственной связью со стоимостью изделий влияют на возможность их серийного производства, рыночный спрос, моральный износ и т.п. Аналогич-ное влияние оказывает и показатель использования новых конструктивных реше-ний, например связанных с патентной чистотой.

5 Требования, предъявляемые к техническим средствам ЭВМ

ЭВМ создаются на базе конструкций с учётом предъявляемых к ним техниче-ских требований. Многообразие применений и классов ЭВМ обуславливает большое количество и различие технических требований: к габаритным размерам, потребляемой мощности, стоимости, защите от внешних воздействий и т.д. Каж-дое из требований определённым образом должно учитываться при разработке конструкций. От выполнения всего комплекса технических требований зависит качество конструкций.

Технические требования принято делить на частные, относящиеся только к конкретной ЭВМ и её составным частям, и общие.

Общие технические требования к ЭВМ и их техническим средствам опреде-ляются ГОСТ 16325 – 76, ГОСТ 21552 – 84, ГОСТ 20397 – 82 и др. Общие тех-нические требования подразделяются на несколько взаимосвязанных групп:
1) к функциональным характеристикам;
2) по устойчивости к внешним воздействующим факторам ;
3) к радиопомехам;
4) к электропитанию, электрической прочности, сопротивлению изоляции и безопасности;
5) по обеспечению удобства эксплуатации;
6) по использованию комплектующих элементов;
7) к конструкции;
8) к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению; 9) к патентной чистоте.

В зависимости от особенностей разрабатываемых изделий содержание и но-менклатура групп требований могут уточняться. Наибольшее влияние на конст-рукцию ЭВМ оказывают следующие группы требований.
 Требования к функциональным характеристикам. В эту группу входят тре-бования по показателям назначения и параметрам, характеризующим ос-новные функции (например, производительность ЭВМ, время выполнения операции, разрядность, объём оперативной памяти, точность и др.). Конст-рукции технических средств, предназначенных для построения комплексов, сетей ЭВМ, должны также обладать технической, программной, информа-ционной и эксплуатационной совместимостью, что определяет соответст-вующей элементной и конструктивной базы.
 Требования по устойчивости к внешним факторам. Влияние внешних фак-торов во многом определяет возможности нормального функционирования ЭВМ. Так, изменение температуры влияет на параметры ИМС и ЭРЭ: при определённых граничных значениях температуры (плюсовом и минусовом) работоспособность ЭВМ может быть нарушена. Кроме того, повышение рабочей температуры снижает их надёжность. Колебания температуры мо-гут привести в механических узлах конструкции к изменению типа поса-док, вызвать ослабление крепления, температурные напряжения. Воздейст-вие низких температур ухудшает прочностные характеристики материалов, эластичность упругих элементов.

Понижение атмосферного давления отрицательно влияет на условия теплоот-вода в конструкциях ЭВМ, что связано со многими нарушениями нормального функционирования ЭВМ, к которым приводит рост температуры. Повышенная влажность может вызвать коррозию деталей и несущих конструкций, которой особо способствуют наличие активных веществ в атмосфере, солнечная радиация, пыль и песок. Снижается сопротивление изоляции между гальванически не свя-занными цепями вследствие чего также нарушается работоспособность ЭВМ.

Поскольку существует опасность выхода из строя аппаратуры при воздейст-вии вышеперечисленных факторов, процесс разработки ЭВМ направлен на выбор такой элементной базы, материалов и конструкций, которые в совокупности обес-печили бы устойчивость технических средств ЭВМ к внешним воздействиям за-данной интенсивности.

Обычно по устойчивости к внешним воздействующим факторам технические средства ЭВМ делятся на группы или категории. Так, по устойчивости к воздей-ствию климатических факторов в процессе эксплуатации технические средства стационарных ЭВМ общего назначения (например, изделия Единой системы ЭВМ) подразделяют на группы в соответствии с данными, указанными в табл. 1.

Технические средства вычислительной техники, предназначенные для созда-ния систем автоматизированного управления, а также встраиваемые в машины, оборудование и приборы (например, изделия вычислительной техники Системы малых ЭВМ), обычно должны работать в более жёстких условиях эксплуатации, чем стационарные конструкции. В связи с этим здесь устанавливается большее число групп (категории) по устойчивости к воздействию климатических факторов (табл. 2).

Нормальными климатическими условиями эксплуатации технических средств в ЭВМ считаются: температура окружающего воздуха (2935)К, относительная влажность (6015)%, атмосферное давление от 84 до 107 кПа (от 630 до 800 мм рт. ст.). Допустимый перегрев воздуха внутри изделий не должен превышать бо-лее чем на 20 К верхнее значение температуры воздуха, поступающего для охла-ждения.

Изделия вычислительной техники предназначены для эксплуатации на раз-личных объектах, используемых в одном или нескольких макроклиматических районах. Климатические воздействия в таких районах различны, поэтому клима-тическое исполнение изделий осуществляют в соответствии с ГОСТ 15150 – 69.

Различают десять основных климатических исполнений изделий :
- У – для умеренного климата со среднегодовым максимумом и минимумом рабочих температур 313 и 228 К;
- УХЛ – для умеренного и холодного климата, когда абсолютные минимумы температуры воздуха ниже 228 К;
- ТВ – для влажного тропического климата, где сочетание температуры, рав-ной или выше 293 К, и относительной влажности, равной или выше 80%, на-блюдается примерно 12 ч или более в сутки за непрерывный период от 2 до 12 месяцев в году;
- ТС – для районов сухого тропического климата, в которых средняя ежегод-ная абсолютная максимальная температура воздуха выше 313 К и которые не отнесены к макроклиматическому району с влажным тропическим клима-том;
- Т – как для сухого, так и для влажного тропического климата;
- О – для любого климата (общеклиматическая);
- М – для умеренно холодного климата (в районах морей, океанов или непо-средственно на морском берегу, если эти районы расположены севернее 30 северной широты и южнее 30 южной широты);
- ТМ – для тропического морского климата при нахождении изделия в морях и океанах между 30 северной широты и 30 южной широты;
- ОМ – общеклиматическое морское исполнение для кораблей с неограничен-ным районом плаванием;
- В – всеклиматическое исполнение для суши и моря (кроме Антарктиды).

Применение климатического исполнения для технических средств ЭВМ даёт возможность количественно оценить весь комплекс требований к конструкциям ЭВМ по устойчивости к внешним климатическим воздействиям. Изделия вычис-лительной техники различных климатических исполнений в зависимости от места размещения при эксплуатации в воздушной среде до высоты 4,3 км, а также под землёй и водой изготавливают по соответствующим категориям размещения (табл. 3). Данные категории размещения не распространяются на летательные и космические аппараты.

Кроме требований по устойчивости к климатическим воздействиям, к конст-рукции технических средств ЭВМ предъявляются также требования по устойчи-вости воздействия механическим, радиационным и др. Численные значения этих требований устанавливаются стандарты либо в технических условиях на конкрет-ные изделия ЭВМ. Например, нормирование факторов может быть произведено по ГОСТ 16962 – 71 с указанием степени жёсткости. Воздействие большинства механических и некоторых климатических факторов (тепловые удары, пыль, пе-сок, насекомые и др.) может привести к механическим нарушениям отдельных ЭРЭ и деталей, резьбовых соединений, а следовательно, к нарушению работоспо-собности аппаратуры. В связи с этим изделия ЭВМ в упакованном виде должны сохранять работоспособность и внешний вид после ударных нагрузок многократ-ного действия с пиковым ударным ускорением не более 15 g при длительности ударного импульса 10...15 мс.

 Требования по использованию комплектующих элементов. В конструкциях ЭВМ необходимо, например, использовать элементную базу (ИМС, ЭРЭ и др.), материалы и покрытия, разрешённые к применению соответствующи-ми перечнями. Элементная база не должна эксплуатироваться в режимах и условиях, более тяжёлых по сравнению с оговорёнными в технической до-кументации на эти элементы
 Требования к конструкции. Эта группа требований определяет наиболее рациональные решения конструктивной базы. Основные из них заключа-ются в следующем.

Технические средства ЭВМ желательно выполнять на основе определённых систем базовых конструкций с учётом заданного конструктивного исполнения ос-новных типоразмеров, применяя модульный либо блочно агрегатный принцип. Следует максимально использовать унифицированные конструкции.

Конструктивная база призвана обеспечивать: единство внешнего оформления изделий ЭВМ с учётом требований эргономики и технической эстетики, единство конструкции разъёмных соединений; надёжность в работе. Конструкция изделия ЭВМ должна гарантировать: удобство эксплуатации, доступ ко всем сменным и регулируемым элементам, возможность ремонта.

Количественные значения показателей надёжности технических средств ЭВМ устанавливаются для нормальных климатических условий эксплуатации в соот-ветствии с табл. 4. Средний срок службы современных изделий ЭВМ должен быть не менее 10 лет.

В группу требований конструкции включаются также требования: по спосо-бам крепления монтажных деталей, несущих конструкций и сборочных единиц, по конструкциям органов управления, к массе изделий и др. В частности, конст-рукции и расположение разъёмных резьбовых соединений обязаны допускать возможность удобного пользования слесарно-монтажным инструментам. Но-менклатура применяемых резьб должна быть минимальной, а резьбовые соедине-ния предохранены от самоотвинчивания. Не рекомендуется разрабатывать от-дельные сменные блоки массой свыше 30 кг.

Необходимо, чтобы конструктивное исполнение ЭВМ обеспечивало также ор-ганизацию серийного производства, а их элементная и конструктивная база была технологичной. Особые требования предъявляются к показателям, характери-зующим технологическую рациональность конструктивных решений, а также к показателям преемственности конструкции.

6 Виды работ при проектировании. Этапы и стадии разработки ЭВМ

Высокая сложность конструкции ЭВМ приводит к тому, что создание новой ЭВМ обусловлено сильно взаимосвязанными и многофакторными длительными процессами.

Действительно, при проектировании и производстве изделий ЭВМ, опреде-ляемые составом выполняемых работ: структурное, функциональное, схемотех-ническое и конструкторское. Данные виды проектирования обычно и выполняют-ся в указанной последовательности.

При структурном проектировании на основании технического задания разрабатывается структурная схема, определяющая основные структурные части ЭВМ (устройства, блоки и т.п.), их назначение и взаимосвязи. Выбирается систе-мы команд, диагностики и контроля, решаются вопросы обмена информацией между ЭВМ и внешними устройствами и абонентами.

При функциональном проектировании разрабатываются подробные функциональные схемы устройств проектируемой ЭВМ, которые разъясняют оп-ределённые процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях или устройствах в целом и детализировать обмен информацией между ними.

В структурном и функциональном проектировании принимает участие срав-нительно немного специалистов, но высшей квалификации. Большая часть ре-шаемых ими задач оказывает огромное влияние на разработку и главные показа-тели будущей ЭВМ.

При схемотехническом(логическом) проектировании разрабаты-ваются подробные принципиальные схемы устройств, ориентированные на опре-делённые системы элементов. Схемотехническое проектирование ЭВМ характе-ризуется большой трудоёмкостью и, следовательно, требует большого количества разработчиков. Основные задачи схемотехнического проектирования хорошо формализуется и позволяют использовать машинные методы решения (автомати-зация проектирования).

При конструкторском проектировании (или, иначе, конструировании) выбирается структура пространственных, энергетических и временных взаимо-связей частей конструкции, связей с окружающей средой и объектами, определя-ются материалы и виды обработки; устанавливаются количественные нормы (для связей, материалов и обработок), по которым можно изготовить изделие, соответ-ствующее заданным требованиям.

Взаимосвязи в конструкциях ЭВМ могут иметь различную природу, чаще все-го электрическую, оптическую, тепловую и механическую.

Конечным итогом процесса конструирования является комплект технических (конструкторских) документов, отображающий всю совокупность задаваемых норм на вновь разрабатываемое изделие.

Процесс разработки ЭВМ (как и любого другого изделия) обычно состоит из нескольких взаимосвязанных этапов. Работа, выполненная на этих этапах подраз-деляется на научно-исследовательскую (НИР) и опытно-конструкторскую (ОКР).

Последовательность этапов разработки ЭВМ, выполнения работ и стадий вы-пуска конструкторской и технологической документации на этих этапах устанав-ливается государственными стандартами.

При проведении НИР выявляется принципиальная возможность создания ЭВМ, прорабатываются теоретическое и экспериментальная части разработки. В частности, осуществляется выбор и формулировка цели проектирования, обосно-вываются исходные данные, определяются принципы построения ЭВМ. По сути основной целью НИР является выяснение принципиальной возможности реализа-ции выбранных принципов и решений. Объём конструкторской работы при вы-полнении НИР, как правило, не слишком велик, так как в этот период ведётся ис-следование и разработка лишь принципиально новых конструкций отдельных со-ставных частей изделия.

Если НИР завершается отрицательным результатом, то это свидетельствует либо о неперспективности данной разработки, либо о том, что постановка её на современном уровне развития науки и техники преждевременна.

НИР вообще может не проводиться, если разработка новой ЭВМ не связана с принципиально новыми техническими решениями, а базируется на достигнутых ранее итогах.

В результате проведения НИР выполняется научно-технический отчёт с реко-мендациями (или нерекомендациями) на проведение ОКР и составляется техниче-ское задание.

Собственно разработка новой ЭВМ проводится в рамках ОКР. Основываясь на результатах НИР, ОКР имеет целью оптимальное инженерное её воплощение.

Техническое задание является основным документом на проведение ОКР. Оно составляется исполнителем на основании требований, предъявляемых к изделию заказчиком, и устанавливает основное назначение и показатели качества изделия, технические, технико-экономические, производственные и специальные требова-ния, предъявляемые к разрабатываемому изделию, объёмом, срокам и стадиям разработки, комплектности и составу технической документации, порядку испы-таний и ввода изделия в промышленную эксплуатацию, объёмам финансирования и др.

Технические требования являются важнейшей частью технического задания, поскольку ориентировочно определяют характеристики будущей ЭВМ.

Отдельные стадии разработки могут не планироваться, если разрабатывается несложная конструкция или проводится модернизация изделия, не связанная с принципиальными изменениями.

При разработке такого сложного изделия, как ЭВМ на основании общего тех-нического задания составляются частные технические задания на отдельные со-ставные части (устройства, блоки, узлы), разработка которых может выполняться различными субподрядными организациями, подразделениями, службами. Объём производственных и экономических требований в частном техническом задании меньше, однако технические требования излагаются более подробно и содержат дополнительные данные.

В процессе выполнения ОКР проводятся все конструкторские и технологиче-ские расчёты, а также необходимые экспериментальные исследования. ОКР за-канчивается разработкой полного комплекта конструкторской и технологической документации на изделие и предъявление заказчиком опытного образца или опытной партии изделия, выполненного по этой документации.