МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Резервирование

Существенное снижение риска, достигаемое в результате повышения общей безопасности, возможно при комплексном подходе с учетом всех трех основных форм надежности системы: проектной надежности (закладываемой в проекте); производственной; операционной (эксплуатационной).

Известны три основных пути повышения надежности:

а) повышение надежности отдельных элементов системы;

б) введение избыточности с целью повышения надежности;

в) коренное изменение структуры и принципов функционирования отдельных элементов и системы в целом.

Для достижения высокой надежности работы технических систем конструктивные, технологические и эксплуатационные мероприятия могут оказаться недостаточными, тогда применяется резервирование. Особенно это относится к системам, для которых повышением надежности элементов не удается достичь требуемой безотказности системы.

Повышение надежности элементов на первый взгляд представляется наиболее простым приемом повышения надежности системы. Действительно, теоретически всегда можно указать такие характеристики надежности элементов, при которых вероятность безотказной работы системы удовлетворяла бы заданным требованиям. Однако практическая реализация такой высокой надежности элементов не всегда возможна. Рассмотрение методов обеспечения надежности элементов ТС является предметом специальных технологических и физико-химических дисциплин и выходит за рамки теории надежности. Однако высоконадежные элементы, как правило, имеют большие габариты, массу и стоимость.

Изменение структуры системы с целью повышения надежности подразумевает два аспекта.

Во-первых, это означает перестройку конструктивной или функциональной схемы ТС (структуры связей между составными элементами), изменение принципов функционирования отдельных частей системы (например, переход от аналоговой обработки сигналов к цифровой). Такого рода преобразования ТС возможны исключительно редко, так что этот прием, в общем, не решает проблемы надежности.

Во-вторых, изменение структуры понимается как введение в ТС избыточных элементов, включающихся в работу при отказе основных. Применение дополнительных средств и возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов называется резервированием.

Термин резервирование, введенный ГОСТ 27.002–89 [7], означает применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Резервирование осуществляет принцип избыточности.

Избыточность по ГОСТ 27.002–89 [7] – дополнительные средства и (или) возможности, приданные объекту сверх наименьшего числа необходимых для выполнения объектом заданных функций. Осуществление избыточности обеспечивает нормальное функционирование объекта после возникновения отказов его элементов.

Работоспособность систем без резервирования требует высокой надежности всех элементов системы. В сложных технических устройствах без резервирования никогда не удается достичь высокой надежности, даже если использовать элементы с высокими показателями безотказности.

Система с резервированием– это система с избыточностью элементов,
т. е. с резервными составляющими, избыточными по отношению к минимально необходимой (основной) структуре и выполняющими те же функции, что и основные элементы.

Принцип резервирования подобен рассмотренному ранее параллельному соединению элементов (п. 5.3) и соединению типа «m из n» (п. 5.5.1), где за счет избыточности возможно обеспечение более высокой надежности системы, чем ее элементов.

В системах с резервированием работоспособность обеспечивается до тех пор, пока для замены отказавших основных элементов имеются в наличии резервные.

Различают следующие методы резервирования:

по виду резервирования: структурное, временнóе, информационное, функ­цио­нальное, нагрузочное;

по способу соединения элементов системы: общее, раздельное, сме­шанное;

по способу включения резервных элементов: постоянное, динамическое, в том числе резервирование замещением, скользящее, мажоритарное;

по кратности резервирования: с целой кратностью, с дробной кратностью;

по режиму работы резерва: нагруженный, облегченный, ненагруженный;

по возможности восстановления: с восстановлением, без восстановления.

При структурном резервировании в объект с наименьшим достаточным для выполнения требуемых функций количеством элементов вводятся дополнительные элементы. Основным считается элемент, необходимый для выполнения требуемых функций объектом без отказов.

Резервный элемент функционально заменяет основной в случае отказа последнего. В ряде условий и режимов работы основной элемент может быть резервным.

Резервируемый элемент – основной, для которого предназначается резервный элемент.

Временное резервирование подразумевает использование запасов времени. Согласно начальным условиям, для выполнения заданных функций объекту отводится заведомо больше времени, чем необходимо. Резервы времени создаются, например, за счет интенсификации работы объекта.

Информационное резервирование обеспечивается избытком информации.

В каналах связи для этого одно и то же сообщение передается многократно, используются избыточные символы для отображения передаваемой информации и т. д. с целью уменьшения или устранения искажений.

Функциональное резервирование осуществляется при выполнении заданных функций разными способами и техническими средствами (например, одновременное использование различных средств связи в системах управления). Оценку надежности в таких случаях ведут не по наработке на отказ, а по коэффициенту готовности и др.

Нагрузочное резервирование – применение нагрузочных резервов с целью обеспечения оптимальной нагрузочной способности элементов.

Если резервирование применено к системе в целом, то оно называется общим, если к одному или нескольким элементам – раздельным.

Смешанное резервирование осуществляется при сочетании нескольких видов резервирования в одном объекте.

Постоянное резервирование производится без изменения структуры объекта при возникновении отказа его элемента; при этом не требуется дополнительных переключающих устройств и не требуется время на переключение.

Динамическое резервирование выполняется посредством изменения структуры объекта и, в свою очередь, подразделяется на несколько разновид­ностей:

– резервирование замещением, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного;

– скользящее резервирование, при котором несколько основных элементов резервируются одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой основной;

– мажоритарное резервирование, при котором используется «голосование», т. е. дополнительный (мажоритарный) логический элемент сравнивает сигналы, поступающие от элементов с одинаковыми функциями. При совпадении результатов сигналы передаются на выход.

Важной характеристикой структурного резервирования является кратность резервирования – отношение числа резервных элементов к числу резервируемых ими основных элементов, выраженное несокращаемой дробью (типа 2 : 3; 4 : 2 и т. д.).

Схемные обозначения различных способов резервирования показаны на рис. 6.1.

 

а)

г)

в)

е)

д)

б)

Рис. 6.1. Схемные обозначения различных способов резервирования:

а – общее постоянное с целой кратностью; б – раздельное постоянное с целой кратностью; в – общее замещением с целой кратностью; г – раздельное за­мещением с целой
кратностью; д – общее постоянное с дробной кратностью;
е – раздельное замещением с дробной кратностью

Резервирование с целой кратностью выполняется при резервировании одного основного элемента одним или несколькими резервными элементами.

Резервирование с дробной кратностью – при резервировании двух (или более) однотипных элементов одним (или более) резервным элементом.

Резервирование одного основного элемента одним резервным (т. е. с крат­ностью 1 : 1) называется дублированием.

По состоянию (режиму работы) резерва выделяются:

– нагруженное резервирование, при котором резервные элементы (или один из них) находятся в режиме основного элемента;

– облегченное резервирование, действительное в случаях, когда резервные элементы (по крайней мере один из них) находятся в менее нагруженном режиме по сравнению с основными;

– ненагруженное резервирование, при котором резервные элементы до начала выполнения ими функций находятся в ненагруженном режиме.

Наконец, если работоспособность резервных элементов восстанавливается при эксплуатации, то применяется резервирование с восстановлением, в остальных случаях используется резервирование без восстановления.