電子設備基于PDCA循環的可靠性設計*

生建友，翟助群

(1.總參第六十三研究所，南京210007;2.海軍裝備研究院，北京100073)

1 引言

電子設備的可靠性設計是一項非常復雜的任務，從時間節點來說，有論證、方案、樣機研制和設計定型等階段，從內容上說，有策劃、設計、驗證、確認等活動，從涉及到的部門來說，有主管部門、研發部門、質管部門、采購部門、保障部門等，從涉及的人員來說，有產品設計師、可靠性師、工藝師、標準化師以及質控、采購等保障人員。如何全方位地采取措施進行設備的可靠性設計?仁者見仁，智者見智，有的從設計角度進行研究，有的從管理角度進行分析，有的從使用維護角度進行探討，缺乏統一認識和對策。隨著全面質量管理的貫徹實施，以“過程”為基礎的“過程方法”逐漸被人們熟悉并廣泛運用。PDCA循環這一“過程方法”作為科學的工作程序為有序開展可靠性設計工作提供了有效途徑。它強調高效與合理的過程控制，強調在循環過程中不斷自我發現、自我調節、自我完善，通過對過程的控制而實現預期的目標。本文結合PDCA循環的這一特點，就如何運用PDCA循環模式進行電子設備的可靠性設計展開討論。

2 PDCA循環概述

所謂“過程方法”就是系統地識別和管理組織所應用的過程，特別是這些過程之間的相互作用[1]。PDCA循環是由美國質量管理專家戴明博士首先提出來的，由計劃(Plan)、執行(Do)、檢查(Check)和處理(Action)的4個英文首字母所組成，又稱戴明環。其含義是工作之前要進行策劃，做好頂層設計，以滿足顧客要求，提高質量，取得最大經濟效益，然后將策劃的輸出(計劃)付諸實施，進行具體的分析計算和工程設計，再對計劃的執行情況和實施效果進行檢查，通過具體的過程調試、測試、試驗、評審等活動，及時發現實施過程中問題，最后對檢查的結果進行總結、處理，鞏固成績，糾正錯誤，防止再度出現同樣問題。它不僅是一種質量管理方法，也是一套科學的、合乎認識論的通用辦事程序[2]。以下就基于PDCA循環的管理、控制模式，從可靠性策劃、實施、檢查和處置等4個方面詳細討論電子設備的可靠性設計問題。

3 可靠性策劃

PDCA循環強調策劃在先，從源頭抓起?？煽啃圆邉澥谴_?？煽啃栽O計達到預期目標、滿足顧客要求的基礎，是開展可靠性工作的依據，其主要任務是明確目標，制定計劃，并確定具體的執行措施。為確保策劃結果的科學性、準確性、實用性、可行性，應做好以下工作:

(1)進行大量調研，與顧客充分溝通，弄清楚設備的用途、特點、技戰術指標與功能要求、使用環境等，根據相似設備的研制信息以及設備的研制經費、復雜程度等確定設備的可靠性定性、定量要求;

(2)根據設備特點和復雜程度以及單位的實際情況，建立可靠性工作組織，明確可靠性組織的職責、負責人和組成人員，明確各成員的分工和職責;

(3)按照GJB450A的相關要求，明確可靠性工作項目，結合設備研制的階段劃分，制定可靠性工作計劃，確定各階段的工作內容和完成時間;

(4)按照有關國軍標要求和設備研制的實際情況，制定可靠性設計原則;

(5)根據設計原則、人員分工、設備特點等確定具體的可靠性實施措施，按照質量管理的有關要求，明確各階段可靠性工作的檢查內容和準則?？煽啃圆邉澋慕Y果就是形成可靠性保證大綱、元器件大綱、可靠性工作計劃和工作項目等頂層設計文件。

4 可靠性實施

實施是PDCA循環的關鍵環節?？煽啃詫嵤┚褪前凑湛煽啃员ＷC大綱、可靠性工作計劃的要求進行可靠性分析計算、可靠性方案設計、可靠性圖樣和工程設計等活動，是實現設備可靠性指標的關鍵階段。

4.1 可靠性分析計算

可靠性分析計算是進行可靠性工程設計的基礎，是檢驗設備可靠性水平是否達到指標要求的重要手段。

4.1.1 可靠性分析

可靠性分析是利用歸納、演繹的方法對可能發生的故障進行研究，分析故障的原因、后果和影響及危害程度，確定薄弱環節，為設備的整體設計提供改進建議[2]。常用的分析方法有:故障模式、影響及危害度分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis，FMECA)，故障樹分析(Failure Tree Analysis，FTA)，潛在通路分析(Sneak Circuit Analysis，SCA)，電路容差分析和可靠性關鍵件與重要件分析等。

FMECA在FMEA(Failure Mode and Effects A-nalysis)定性分析的基礎上對故障模式的危害程度進行量化，它由“下”往“上”進行，分析時應列出每一個零部件、元器件、模塊可能產生的故障模式，針對各種故障模式及其影響，找出故障原因，提出補救或預防措施。FMECA是一項重要的基礎性工作，根據FMECA分析結果，可以確定所有災難性和嚴重性的故障事件，因此，FMECA也是進行維修性、保障性、測試性和安全性設計的一項重要內容，是可靠性關鍵件與重要件分析的依據。FTA由“上”往“下”進行，其分析流程是:選擇頂事件→建造故障樹→定性分析和識別故障模式→定量計算事件發生的概率→確定薄弱環節→采取必要的改進措施。SCA假定所有電路單元都正常工作的情況下，分析那些能引起功能異?；蛞种普９δ艿臐撛陔娐?，對于解決電路單元的設計缺陷十分重要。電路容差分析通過對電路單元及其組成器件在規定的使用溫度范圍內其參數偏差對電路模塊和整機性能的影響分析，提出相應的改進措施，在研制經費、周期等允許的情況下盡量增加設計的容差和參數漂移的范圍?？煽啃躁P鍵件與重要件分析從設備的功能、性能要求出發，找出危及人員、設備安全和使設備不能完成主要任務的單元和器件，并制定相應的質量控制措施，從采購、設計、驗證等環節采取綜合保證措施。

4.1.2 可靠性計算

可靠性計算主要包括可靠性建模、可靠性分配和可靠性預計。建模是進行可靠性分析、分配、預計和評價的基礎。建模時，應認真分析、研究設備的任務定義、壽命周期以及工作原理圖，確保影響設備可靠性的每一個元件都不遺漏，包括導線和電連接器等，確保模型中所有組成部分的故障率都是相互獨立的，最終確?？煽啃苑峙?、預計值的科學性、準確性。具體的分配和預計方法參見相關文獻。在方案階段，通過計算合理地確定設備各組成單元的可靠性指標，對關鍵和重要單元要投入較多的精力和經費，減少設計的盲目性;進行方案比較，綜合考慮設備的性能、功能和研制經費、周期等因素選擇最佳方案。在樣機研制階段，通過計算可以發現影響設備可靠性的主要因素，找出薄弱環節，以采取相應措施來降低失效率，為可靠性增長試驗、驗證試驗等提供依據。

元器件是組成電子設備的最小單元，由于其數量、品種眾多，它們對整個設備的性能和可靠性影響極大。樣機研制階段，設備所用元器件的應力情況比較清晰，應采用元器件應力分析法對所有器件和組成單元以及整機進行可靠性預計，以檢驗設計的合理性以及與規定要求的符合性。實踐證明，采用元器件應力分析法進行可靠性預計，雖然工作量大，但能比較準確地估計出設備的可靠性水平。

4.2 可靠性方案設計

可靠性設計方案涉及需要采用的標準、技術、元器件、材料、加工與組裝工藝等眾多內容，通過評審的設計方案，決定了設備的可靠性水平。

制定可靠性設計方案時，應根據設備的總體技術方案、組成結構、使用環境、裝備數量等綜合考慮，可靠性設計方案如何擬制和詳細內容參見文獻[3]。不同種類的設備其可靠性設計方案也不同，但其設計思想應是一致的。

(1)簡化設計

從源頭上抓起，在確保設備滿足性能指標的前提下，盡量簡化設備的電路和結構，使每個部件都成為最簡設計，最大限度地減少材料、元器件、零部件的種類、數量。

(2)模塊化設計

合理劃分設備的組成模塊和單元，盡可能多地選用通用模塊，電路設計盡可能采用標準化單元電路或成熟電路。

(3)一體化設計

將可靠性設計與維修性、保障性、測試性、環境適應性、安全性、電磁兼容性設計等結合在一起，采取綜合措施。它們看起來是相互獨立的，其實是相互影響的。維修性好則維修時間就短，設備的正常工作時間就長，可靠性必然好;測試性好則故障檢測時間和故障檢測率就高，故障的排除時間就短;環境是影響設備作戰性能的主要因素，環境適應性好則設備承受環境應力的能力就強，就會少發生故障;保障性好則設備就能長期保持可用狀態，即使發生故障，由于維修規范、保障到位，維護保養后也能迅速重新投入戰斗;安全性好則設備發生事故的概率就低;電磁兼容性不好則設備受電磁干擾后不能正常工作甚至工作癱瘓的概率就大，可見它們都直接影響到設備的可靠性。

4.3 可靠性工程設計

可靠性工程設計主要包括整機的可靠性一體化設計、元器件的控制和設計。

4.3.1 元器件的質量控制與設計

資料表明，在電子設備現場使用的故障原因中，元器件失效約占50%，其中元器件的選擇或使用不當又占了30% ～50%[4]。因此，設備研制中應對元器件的選型、采購、驗收等進行規范和管理，對電路中使用的元器件進行降額和容差設計。

(1)質量控制

按照《元器件可靠性保證大綱》要求明確元器件的型號、規格和質量等級，并在合格供方采購，同時，應考慮器件未來的淘汰問題，明確替代方案;按照《元器件檢驗規定》要求做好元器件的入所檢驗工作;根據《元器件老煉篩選規范》要求做好元器件的篩選工作，剔除由于制造缺陷引起早期失效的元器件，確保裝機元器件的可靠性;元器件裝機前嚴格按照《元器件存放規定》要求對存放環境的濕度、溫度、靜電等加以控制。

(2)降額設計

依據《電子元器件降額設計準則》要求降低元器件使用時的應力條件，進行降額使用，使元器件的工作電壓、溫度特性、電特性參數等在減額負荷下工作，從而降低元器件在各種應力條件下的失效率。應注意的是元器件的降額范圍要合理，且增加設備的重量、體積、成本不多。

(3)容差與漂移設計

電子元器件由于制造、老化原因、使用時的應力以及電路的輸入匹配等因素，會引起電路性能參數偏差、漂移，而使設備產生故障。因此，在進行電路設計時，應充分考慮到元器件的參數公差及參數隨環境變化而漂移的結果，即使元器件發生較大的性能漂移但仍然能滿足工程的要求，使設備處于良好的工作狀態。

4.3.2 整機可靠性一體化設計

以可靠性為主的多學科一體化設計是近年來應用比較廣的新的設計技術[5]。將可靠性設計與維修性、保障性、測試性、環境適應性、安全性(簡稱六性)與電磁兼容性設計、結構設計等進行綜合考慮，利用CAD(Computer Aided Design)系統建立整機模型，從中提取整機的結構組成、性能和設計指標等信息，進行力學、傳熱學、電磁學等仿真和評估，建立可靠性模型，形成可靠性綜合優化設計。然后以此模型為基礎，進行潛在故障和事故分析以及維修保障仿真分析，再根據分析、評估結果找出設計上的薄弱環節，有針對性地采取措施，如簡化結構，增加設計裕度，減小傳熱熱阻，減振緩沖，屏蔽和濾波，優化布局，減少電磁發射功率，增加故障檢測裝置和測試點，采取防差錯、防靜電措施等，提高設備“六性”水平和電磁兼容性能力。

4.4 圖樣設計

圖樣設計是方案和工程設計的具體化，經過批準的設計圖紙決定了所用材料、元器件的型號、規格，決定了需要用的制造和裝配工藝，后續的檢驗、試驗都是為了實現設計的圖紙和技術要求。圖樣設計若存在缺陷將嚴重影響設備的制造和使用，影響設備的固有質量和可靠性水平。為此，圖樣設計時應重視以下幾點:一是嚴格按照設計方案選擇材料和器件;二是圖紙符合有關機械和電路制圖的標準，避免由于圖紙設計不規范而加工出錯;三是設計尺寸和圖形符號準確，尺寸公差合理;四是技術和工藝要求明確;五是總裝配圖應清楚表達各組成件的位置、數量和裝配關系，接線圖和線纜連接圖上各組成件的相對位置和標注的項目代號、端子號、導線號等正確、完整;六是嚴格執行圖紙的審核、會簽制度，確保圖紙的正確性。

5 可靠性檢查

檢查是PDCA循環的重要一環，采用評審、驗證和確認等檢查活動來發現問題。設備研制過程中與可靠性有關的檢查工作主要有:可靠性保證大綱、可靠性工作計劃、可靠性設計方案等的評審活動，可靠性關鍵技術的比較、仿真、驗算以及設備的過程調試和試驗等驗證活動，產品試用和可靠性鑒定試驗等確認活動。評審是檢查的主要工作之一，應按照可靠性工作計劃的安排，在研制的各個階段邀請相關專家對可靠性工作進行評審，可靠性評審的具體內容參見文獻[6－7]。試驗是最直接、有效的驗證方法，也是裝備研制過程中使用最多的，包括功能試驗、性能試驗、烤機(負荷)試驗、應力篩選試驗、環境試驗、電磁兼容性試驗、可靠性試驗以及系統聯試等，通過對試驗數據和原始記錄進行整理、分析和處理，找出故障原因并采取改進措施，促使設備可靠性切實得到提高。設備研制完成后應進行可靠性鑒定，確認設備的可靠性狀態。評審的目的是識別可能存在的任何導致設備可靠性設計結果不能滿足研制要求的問題，并提出解決辦法;驗證的目的是提出客觀證據，證明可靠性設計過程中某項活動結果的正確性;確認的目的是確定設備的可靠性水平是否滿足用戶要求。設備研制過程中，應按照研制節點和可靠性工作計劃實時地做好可靠性檢查工作，通過檢查為可靠性處置提供數據和證據。

6 可靠性處置

處置是PDCA循環的升華過程，沒有處置就沒有提高?？煽啃詸z查的結果是可靠性處置的依據，對檢查中出現的問題，詳細分析原因，制定相應的糾正措施并及時處理;對成功的經驗加以肯定并固化，形成標準或規章制度。對設備研制過程中出現的故障嚴格按照質量管理要求實施閉環和歸零，即故障定位準確、機理清楚、故障復現、措施有效、舉一反三。建立元器件信息庫和故障報告、分析與糾正措施系統(Failure Report Analysis and Corrective Action System，FRACAS)是進行可靠性處置的重要內容。

6.1 建立元器件信息庫

裝備承制單位應加強元器件信息的管理，收集所用的元器件信息，建立全面、準確、及時的信息庫，包括元器件的型號、質量等級、生產廠家，元器件入所檢驗數據，器件篩選及失效分析數據，元器件在調試、試驗和試用、使用中的失效信息等。元器件信息庫應作為單位的公共信息平臺，并對收集到的元器件信息尤其是失效信息進行分析，為電路硬件設計、元器件應力分析等提供依據，這項工作很多單位做得都不是很好。

6.2 建立故障報告、分析與糾正措施系統

可靠性設計過程中，應重視過程控制，建立故障報告、分析與糾正措施系統。故障報告、分析和糾正措施系統應包括:FRACAS的組織和工作程序;故障信息;采取的措施辦法，尤其是對關鍵件、重要件出現的故障提出的糾正措施。FRACAS既能及時發現設計上的薄弱環節，改善設備性能，又能對設備未來的使用有預防作用，也能積累經驗，為類似產品的設計和故障模式及影響分析提供更準確、完整的信息，做到舉一反三，防止同樣故障在其他型號出現。為確保FRACAS的真實性、連續性和完整性，對設備壽命周期內的所有故障信息均應詳細記錄下來，包括故障地點、故障時間、故障現象、故障部位等。隨著時間的推移，FRACAS能真實反映出設備的可靠性趨勢，是單位寶貴的經驗知識庫、案例庫，是提升整體設計和設備可靠性水平，避免故障重現的好教材。建立FRACAS設備研制過程中進行可靠性分析與評價的基礎，是設備《可靠性分析評價報告》的重要內容。

7 結束語

將PDCA循環應用于電子設備的可靠性設計，通過科學策劃、全面實施、完善設計、強化檢查、及時處置等措施，來識別設計存在的缺陷和不足，防止故障的產生，并提出必要的改進措施，控制故障發生的概率，糾正已經發生的故障，確保影響可靠性的每一個過程都能得到有效控制與管理，不斷提高電子設備的可靠性水平。以上只是作者將質量管理中的“過程方法”——PDCA循環應用于電子設備可靠性設計的一些個人看法與設計體會，如何將PDCA循環與性能、可靠性設計有機融合在一起，同步提高設備的性能、可靠性及質量水平，是產品設計師和可靠性師需要進一步探討并實踐的課題。

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