Резервирование как способ повышения надежности технических систем

Резервирование как способ повышения надежности технических систем

Резервирование — метод повышения надежности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функций. В этом случае отказ наступает только после отказа основного элемента и всех резервных элементов.

Систему можно представить из ряда ступеней, выполняющих отдельные функции. Задача резервирования состоит в нахождении такого числа резервных образцов оборудования на каждой ступени, которое будет обеспечивать заданный уровень надежности системы при наименьшей стоимости.

Выбор наилучшего варианта зависит главным образом от того увеличения надежности, которое можно достичь при заданных расходах.

Основной элемент — элемент основной физической структуры объекта, минимально необходимой для нормального выполнения объектом его задач.

Резервный элемент — элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента.

Структурное (элементное) резервирование — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта. Обеспечивается подключением к основной аппаратуре резервной таким образом, чтобы при отказе основной аппаратуры резервная продолжала выполнять ее функции.

Резервирование функциональное — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных и наряду с ними.

Временное резервирование — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточного времени, выделенного для выполнения задач. Другими словами, временное резервирование — такое планирование работы системы, при котором создается резерв рабочего времени для выполнения заданных функций. Резервное время может быть использовано для повторения операции, либо для устранения неисправности объекта.

Информационное резервирование — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения задач.
Нагрузочное резервирование — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных.
С позиций расчета и обеспечения надежности технических систем необходимо рассматривать структурное резервирование.

4.4.2. Способы структурного резервирования

По способу подключения резервных элементов и устройств различают следующие способы резервирования (рис. 4.4.1).

Рис. 4.4.1. Способы структурного резервирования

Резервирование раздельное (поэлементное) с постоянным включением резервных элементов (рис. 4.4.2).
Такое резервирование возможно тогда, когда подключение резервного элемента не существенно изменяет рабочий режим устройства. Достоинство его — постоянная готовность резервного элемента, отсутствие затраты времени на переключение. Недостаток — резервный элемент расходует свой ресурс так же, как основной элемент.

Резервирование раздельное с замещением отказавшего элемента одним резервным элементом (рис. 4.4.3). Это такой способ резервирования, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.

В этом случае резервный элемент находится в разной степени готовности к замене основного элемента. Достоинство этого способа — резервный элемент сохраняет свой рабочий ресурс, либо может быть использован для выполнения самостоятельной задачи. Рабочий режим основного устройства не искажается. Недостаток — необходимость затрачивать время на подключение резервного элемента. Резервных элементов может быть меньше, чем основных.

Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых называется кратностью резервирования — m. При резервировании с целой кратностью величина m есть целое число, при резервировании с дробной кратностью величина m есть дробное несокращаемое число. Например, m=4/2 означает наличие резервирования с дробной кратностью, при котором число резервных элементов равно четырем, число основных — двум, а общее число элементов равно шести. Сокращать дробь нельзя, так как если m=4/2=2/1, то это означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, при котором число резервных элементов равно двум, а общее число элементов равно трем.

При включении резерва по способу замещения резервные элементы до момента включения в работу могут находиться в трех состояниях:
— нагруженном резерве;
— облегченном резерве;
— ненагруженном резерве.
Нагруженный резерв — резервный элемент, находящийся в том же режиме, что и основной.
Облегченный резерв — резервный элемент, находящийся в менее нагруженном режиме, чем основной.
Ненагруженный резерв — резервный элемент, практически не несущий нагрузок.
Резервирование общее с постоянным подключением, либо с замещением (рис. 4.4.4). В этом случае резервируется объект в целом, а в качестве резервного — используется аналогичное сложное устройство. Этот способ менее экономен, чем раздельное резервирование. При отказе, например, первого основного элемента возникает необходимость подключать всю технологическую резервную цепочку.

Рис. 4.4.4. Резервирование общее

Резервирование мажоритарное («голосование» n из m элементов) (рис. 4.4.5). Этот способ основан на применении дополнительного элемента — его называют мажоритарный или логический или кворум-элемент. Он позволяет вести сравнение сигналов, поступающих от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты совпадают, тогда они передаются на выход устройства. На рис. 4.4.5 изображено резервирование по принципу голосования «два из трех», т.е. любые два совпадающих результата из трех считаются истинными и проходят на выход устройства. Можно применять соотношения три из пяти и др. Главное достоинство этого способа — обеспечение повышения надежности при любых видах отказов работающих элементов. Любой вид одиночного отказа элемента не окажет влияния на выходной результат.

Рис. 4.4.5. Резервирование мажоритарное

Источник

Электронная библиотека

1. Основное положительное свойство резервирования состоит в том, что оно позволяет из малонадежных элементов проектировать надежные системы. Это свойство резервирования выгодно отличает его от остальных методов повышения надежности.

2. Выигрыш надежности по вероятности отказов G_Q(t) всегда начинается с нуля и асимптотически стремится к единице независимо от надежности резервированной системы и ее элементов. При этом скорость роста G_Q(t) тем выше, чем менее надежна основная система и чем ниже кратность резервирования. При нескользящем резервировании с дробной кратностью, начиная с определенного значения времени непрерывной работы системы, значения G_Q(t) могут быть больше единицы. Это означает, что подобное резервирование может быть вообще нецелесообразным.

3. Выигрыш надежности резервированной системы по сравнению с нерезервированной тем выше, чем меньше время непрерывной работы резервированной системы и чем более надежная система резервируется. Это – основное противоречие всякого резервирования.

Выигрыш надежности по интенсивности отказов G_λ t) качественно не отличается от G_Q(t) . Поэтому свойства резервированных систем, если их надежность оценивать интенсивностью отказов, будут теми же, что и при оценке надежности вероятностью отказов. Зависимости G_λ (t) имеют такой же вид, как и G_Q(t) .

4. Среднее время безотказной работы при резервировании с дробной кратностью и нескользящем резерве может быть меньше, чем среднее время безотказной работы нерезервированной системы. Это может быть при условии, если число резервных систем меньше числа основных. С ростом кратности резервирования выигрыш надежности G_Q(t) по среднему времени безотказной работы растет, причем скорость роста существенно убывает с ростом кратности резервирования. Это свойство также присуще общему и поэлементному резервированию с постоянно включенным резервом.

При резервировании замещением и идеальных переключателях выигрыш G_T растет с ростом кратности резервирования линейно при общем резервировании, а при раздельном (поэлементном) или скользяще – быстрее. Схемная реализация резервирования замещением требует применения переключателей. Наличие переключателей существенно снижает скорость роста выигрыша G_T(m). Существующие в настоящее время переключатели имеют настолько низкую надежность, что во многих случаях увеличение кратности резервирования замещением в его схемной реализации приводит к уменьшению скорости роста выигрыша G_T.

Из сказанного вытекает, что значительное увеличение кратности резервирования, а следовательно веса, габаритов и стоимости аппаратуры, приводит к менее значительному увеличению среднего времени безотказной работы.

Это второе основное противоречие всякого резервирования, которое ограничивает его применения для повышения надежности сложных автоматических систем, предназначенных для длительной непрерывной работы.

5. С увеличением времени непрерывной работы резервированной системы ее коэффициент готовности K_г и выигрыш G_Kг падают.

Таким образом, резервирование увеличивает готовность системы к действию лишь при определенных ограничивающих условиях.

4. Характерная особенность сложных автоматических систем разового применения состоит в том, что большую часть времени они находятся в состоянии хранения. Очевидно, что в момент включения такой системы в работу все ее элементы должны быть исправными. Это означает, что выход из строя хотя бы одного элемента резервированной системы в процессе ее хранения следует считать отказом всей системы. Так как число элементов резервированной системы всегда выше числа элементов нерезервированной системы, то первая всегда будет иметь большую опасность отказов.

Если кратность резервирования (m) , то тогда вероятность безотказной работы будет:

Очевидно, что при большой кратности резервирования (m) вероятность безотказной работы P_c(t) будет низкой.

Из приведенных рассуждений следует важный вывод: надежность резервированной системы в процессе ее хранения всегда ниже надежности нерезервированной системы одного и того же назначения. Увеличение числа отказов резервированной системы при ее хранении требует увеличения в m раз частоты проверок, увеличения числа запасных элементов. Все это приводит к увеличению стоимости эксплуатации.

Отмеченные свойства резервирования позволяют сделать следующие важные выводы:

1) резервирование как средство повышения надежности наиболее целесообразно применять для повышения надежности сложных систем, предназначенных для короткого времени непрерывной работы, часто требует высокой кратности резервирования. Это ограничивает его использование в системах, для которых существуют ограничения веса, габаритов или стоимости;

2) повышение надежности аппаратуры путем ее резервирования осуществляется за счет ухудшения таких ее характеристик, как вес, габариты, стоимость, условий эксплуатации (увеличение частоты проверок, числа запасных элементов, узлов и отдельных приборов и т.п.).

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Источник

Резервирование как метод повышения надёжности

Повысить надёжность системы в процессе ее эксплуатации чрезвычайно трудно, потому что надёжность системы преимушественно закладывается в процессе её проектирования и изготовления. При эксплуатации системы её надежность только уменьшается, причём скорость снижения зависит от методов эксплуатации, квалификации обслуживающего персонала и условий эксплуатации.

Среди всех методов повышения надежности, предусматриваемых при проектировании, особое место занимает использование избыточности, т.е. введение дополнительных средств или возможностей сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций. Сам же метод повышения надёжности объекта путем введения избыточности принято называть резервированием. Применяются структурное, функциональное, информационное и временное резервирование.

Структурное (элементное) резервирование – метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта. Обеспечивается подключением к основной аппаратуре резервной таким образом, чтобы при отказе основной аппаратуры резервная часть продолжала выполнять её функции.

Функциональное резервирование есть метод повышения надёжности объекта, который использует способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных и наряду с ними.

Временное резервирование – метод повышения надёжности объекта, предполагает использование избыточного времени, выделенного для выполнения задач. Другими словами, временное резервирование – такое планирование работы системы, при котором создаётся резерв рабочего времени для выполнения заданных функций. Резервное время может быть использовано для повторения операции, либо для устранения неисправности объекта.

Информационное резервирование – метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения задач.

Нагрузочное резервирование – метод повышения надёжности объекта, предполагающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных.

С позиций расчёта и обеспечения надежности технических систем необходимо рассматривать структурное резервирование. Структурным или аппаратным резервированием называют способ повышения надёжности, заключающийся в использовании дополнительных элементов, которые в случае отказа основных могут выполнять их функции. Говоря о структурном резервировании, следует различать основной элемент, т.е. элемент структуры объекта, минимально необходимый для выполнения объектом заданных функций, и резервный, т.е. элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента. Естественно, что резервный элемент должен обладать характеристиками, аналогичными основному. В качестве резервного элемента может выступать как комплектующий объект элемент, так и сам объект.

Основными способами резервирования являются:

— постоянное или статическое резервирование;

— резервирование замещением или динамическое резервирование;

Постоянным или статическим называется резервирование, при котором резервные блоки постоянно включены и работают с основным блоком в одинаковом режиме.

Резервированием замещением или динамическим называется резервирование, при котором резервные блоки выключены и замещают основные блоки только при их отказе.

Гибридное резервирование сочетает свойства статического и динамического резервирования.

В системах со статическим резервированием восстановление работоспособности после отказа происходит мгновенно, а в системах с динамическим резервированием время восстановления в зависимости от степени автоматизации процедур восстановления изменяется в широких пределах.

Присоединение резервных элементов к основным должно производиться параллельно. Существуют три способа включения резерва: постоянное, замещением и скользящее.

Постоянным резервированием называют такое, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными. Естественно, что резервные элементы находятся в таком же режиме, как и основные, и их ресурс работы расходуется с момента включения в работу всего объекта.

Недостаток постоянного резервирования заключается в том, что с появлением отказов в резерве изменяются параметры всей системы, а это в ряде случаев может привести к изменению режимов работы.

Резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента, называют резервированием замещением.

При резервировании замещением обязательно наличие коммутирующего устройства для подключения резервных элементов взамен отказавших основных элементов.

Резервирующие элементы могут находиться в различных режимах: нагруженном, облегчённом и ненагруженным.

Нагруженный резерв(как и при постоянном резервировании) имеет резервные элементы, находящиеся в том же режиме, что и основные элементы. Это позволяет предельно сократить время перехода резервного элемента в рабочее состояние.

Облегчённый резерв имеет резервные элементы, находящиеся в менее нагруженном режиме, нежели основные. Ресурс работы резервных элементов расходуется с момента включения объекта в работу, но интенсивность расхода до подключения существенно ниже, чем у основных элементов. Поэтому закон распределения времени их безотказной работы несколько отличен от распределения времени безотказной работы основных элементов. Время перехода резервных элементов в рабочее состояние больше, чем при нагруженном резерве.

Ненагруженный резерв имеет резервные элементы, практически не несущие нагрузок. Ресурс работы ненагруженного резерва начинает расходоваться только с момента его включения. Время перехода резервных элементов в рабочее состояние наибольшее.

Преимущество резервирования замещением состоит в том, что в большей степени может сохраняться ресурс работы резервных элементов (облегчённый и ненагруженный резервы), не изменяются режимы объекта (элементов) при отказах, отпадает необходимость в специальных регулировках при отказах, появляется возможность использовать один резервный элемент для резервирования нескольких однотипных основных элементов. К недостаткам нужно отнести: необходимость коммутирующего устройства для подключения резерва, дополнительного времени на переключение резерва и выход его на режим.

Включение резервных элементов может осуществляться вручную или автоматически (автоматическое резервирование).

Резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе называют скользящим резервированием. Следует отметить одну важную особенность резервирования замещением – возможность восстановления вышедшего из строя резерва в то время, пока объект работает с другими резервными элементами. Это позволяет существенно повысить вероятность безотказной работы, так как наработка на отказ всегда больше среднего времени восстановления.

Необходимо отметить, что резервирование может быть с восстановлением любого основного и резервного элемента в процессе эксплуатации объекта и без восстановления.

Сам резервный элемент может быть восстанавливаемым, т.е. в случае отказа подлежит восстановлению, и невосстанавливаемым.

Основным параметром резервирования является его кратность. Под кратностью резервирования понимается отношение числа резервных элементов к числу резервируемых (основных). В зависимости от кратности резервирование подразделяется на резервирование с целой и дробной кратностью.

Резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы резервированного соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один элемент.

При резервировании с дробной кратностью нормальная работа резервированного соединения возможна при условии, если число исправных элементов не менее необходимого для работы.

Кратность резервирования определяется из соотношения

,

где: l – общее число элементов расчета резервированного соединения, h – число элементов необходимое для нормальной работы; l-h – число резервных элементов.

В зависимости от того, имеется в процессе эксплуатации возможность ремонта отказавших блоков или нет, различают резервирование с восстановлением и без восстановления. Системы, в которых используется резервирование с восстановлением (без восстановления) называются обслуживаемыми (необслуживаемыми) системами.

Оптимизация резервирования. Под оптимальным резервированием понимают резервирование, обеспечивающее получение наибольшего эффекта повышения надежности с минимальными затратами. Под «затратами» понимают факторы, определяющие оптимальность резервирования в зависимости от конкретных требований.

Максимальная надёжность аппаратуры с раздельным резервированием может быть обеспечена только лишь при некотором оптимальном числе резервирующих элементов, если известна вероятность отказов коммутирующих устройств и кратность резервирования. Осуществляя оптимизацию резервирования с учетом ограничений по стоимости, весу или габаритам, следует рассматривать два аспекта этой задачи:

— обеспечение заданной надежности при минимальных затратах на резервирование.

— обеспечение максимальной надежности при известных допустимых затратах на резервирование.

Реализацию оптимизации системы можно представить в виде следующего процесса: в качестве исходной рассматривается система (объект) без резерва, а затем отыскивается участок для резервирования, дающий наилучший результат. Далее отыскивается новый участок резервирования для новой системы (системы с одним зарезервированным участком). Аналогично процесс продолжается до тех пор, пока не будет удовлетворено условие одной из задач.

Обеспечение надёжности на этапах эксплуатации. Отдавая должное роли первых двух этапов жизненного цикла техники (конструирование и производство), следует считать, что этап эксплуатации является определяющим при обеспечении требуемого уровня надежности. Совокупность мероприятий, проводимых в определенной последовательности и протекающих во времени, образует технологический процесс эксплуатации. В этом процессе операции технического контроля состояния объекта, регулирования параметров оборудования, восстановления работоспособности аппаратуры являются важнейшими и впрямую направлены на обеспечение эксплуатационной надежности авиационного радиоэлектронного оборудования. В соответствии с ГОСТ 2412 – 80 указанный комплекс операций представляет собой систему технического обслуживания (ТО). Существуют различные методы ТО. При выборе и обосновании методов ТО в качестве основного требования выдвигается необходимость обеспечения безопасности и регулярности полетов при возможно малых эксплуатационных затратах.

Действие множества случайных факторов, дестабилизирующих нормальную работу аппаратуры, приводит к тому, что время наступления отказа систем является случайной величиной.

По характеру возникновения отказы разделяют на внезапные и постепенные. Внезапные отказы в большинстве своем непредсказуемые и вызваны случайными проявлениями скрытых дефектов, различными случайными химико-физическими изменениями в материалах и элементах конструкции.

Постепенные отказы вызваны процессами старения и износа аппаратуры. Накопление постепенных отказов в аппаратуре обусловлено относительно медленными изменениями параметров элементов под влиянием различных нагрузок. Обычно значения изменений возрастают с течением времени, что, в конце концов, приводит к тому, что один или несколько параметров выходят за пределы эксплуатационных допусков. Во время эксплуатации, возможно, такое состояние оборудования, когда его параметры находятся в пределах допусков, а параметры элементов уже вышли за пределы установленных допусков. Такие элементы являются потенциальными источниками отказов и должны быть выявлены при техническом обслуживании.

Для своевременного предупреждения отказов необходимо знать и количественно описать процессы накопления отказов во времени.

Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 1071 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник