Способы резервирования технических систем

Резервирование. Методы, способы и типы резервирования

Для повышения надежности сложных систем и отдельных объектов имеются четыре основных пути:

1) повышение надежности элементов системы. Это обычный, легкий путь, но, чтобы им воспользоваться, нужны более надежные комплектующие элементы. Но даже если они имеются, они всегда значительно дороже прежних и нужен экономический расчет;

2) конструктивные мероприятия повышения надежности (к примеру, демпфирование возможных вибраций, переход от статически неопределимой конструкции к статически определимой, всевозможные защитные покрытия твердым металлом, полимерами и т.д.). Этот путь связан с технологией машиностроения и также может явиться предметом специального изучения в теории надежности;

3) коренное изменение принципа функционирования системы данного назначения. Связан с созданием новой техники, это качественный скачок в развитии данной отрасли — он возникает из экономической нецелесообразности прежних инженерных решений.

4) введение различного вида избыточности.

Избыточность — это дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций

Методом повышения надежности объекта введением избыточности является резервирование .

Существует несколько методов повышения надежности за счет избыточности. Различают резервирование:

— структурное (избыточность в структуре — в количестве элементов системы);

— режимное (избыточность в режимах работы — в количестве элементов системы);

Наибольший интерес представляет структурное, или схемное, резервирование, предусматривающее использование избыточных элементов структуры объекта.

1) По способам резервирование может быть общим и раздельным (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Классификация способов резервирования

1.1) Общее резервирование — резервируется весь объект, аппарат или система в целом (рисунок 6.2):

Рисунок 6.2 – Общее резервирование

1.2) Раздельное резервирование — резервируются отдельные элементы системы (рисунок 6.3). Раздельное резервирование выгодно при большом числе аппаратов и увеличении кратности.

Рисунок 6.3 – Раздельное резервирование

Кратностью резервирования называется отношение числа резервных элементов к числу основных элементов объекта.

2) Различают резервирование с целой и дробной кратностью:

2.1) резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один аппарат (т.е. за основным насосом закреплены один или несколько резервных);

Рисунок 6.4 – Резервирование с целой кратностью

2.2) резервированием с дробной кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения может быть неисправным только один аппарат (т.е. на несколько насосов имеется только один резервный).

Рисунок 6.5 – Резервирование с дробной кратностью

Число кратности резервирования:

, (6.1)

где m — общее число элементов в группе;

r — число элементов, необходимое для нормальной работы системы.

Например, проанализируем схемы (рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 — Схемы с резервированием

По схеме рисунка 6.6,а имеем дублирование и число кратности

=— целая кратность.

На схеме рисунка 8.6,б представлена схема с кратностью

=— целая кратность.

На схеме рисунка 8.6,в показана система «2 из 3»

=— дробная кратность.

3.1) При постоянном резервировании резервные аппараты присоединены к основным в течение всего времени работы и работают одновременно с ними.

3.2) При резервировании замещением резервные аппараты замещают основные после их отказа.

4) Различат три типа структурного резервирования : нагруженный резерв, облегченный резерв, ненагруженный резерв.

4.1) Нагруженный резерв — такой резерв, когда резервные элементы работают в том же режиме нагрузки, что и основной элемент, т.е. основной элемент и резервный теряют надежность в равном темпе.

4.1) Облегченный резерв — такой резерв, когда элементы функционируют в более слабом нагрузочном режиме, чем основной элемент, т.е. резервные элементы теряют надежность замедленно в сравнении с основным элементом.

4.1) Ненагруженный резерв — когда резервный элемент практически не несет никакой нагрузки и его надежность не падает вообще. Это запасные части на складе.

На рисунке 6.7 рассматривается надежность при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах для системы из 1 -го основного элемента и 1 -го резервного.

Рисунок 6.7 — Типы резервирования

Нагруженный резерв (рисунок 6.7а). При 0 t₀ первый больше не работает, а второй продолжает работать с той же надежностью вдоль той же кривой.

Облегченный резерв (рисунок 6.7б). При 0 t₀ работает 2-й элемент при полной нагрузке, его надежность падает по кривой 2.

Ненагруженный резерв (рисунок 6.7в). При 0 t₀ только второй (кривая 2), но она начинается не от t = 0, а от t = t₀.

Таким образом, надежность облегченного резерва выше нагруженного, а ненагруженного — выше, чем облегченного.

Источник

Глава V. Резервирование систем

ГЛАВА V. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ СИСТЕМ

Одной из фундаментальных задач теории надежности является задача разработки методов повышения надежности систем. Таким методом являются резервирование систем.

Резервирование — метод повышения надежности объекта путем введения избыточности.

Избыточность — дополнительные средства или возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций.

Различают следующие виды избыточности :

1.Временная избыточность. Предусматривает использование объектом избыточного времени для выполнения заданных функций. То есть при этом виде избыточности заданные функции могут быть выполнены объектом, вообще говоря, за более короткий промежуток времени. Пример: ЭЦВМ может непрерывно выполнять ряд задач, но с целью повышения надежности можно проводить диагностику отказов.

2.Информационная избыточность. Предусматривает использование избыточной информации. Например:

а) повторение посылок сообщения в канале с помехами с целью повышения достоверности передачи информации,

б) удержание лишнего числа значащих цифр при расчетах,

в) помехоустойчивое избыточное кодирование,

3.Нагрузочная избыточность имеет место в том случае, когда объект функционирует в режиме более легком, чем нормальный. Например: коэффициент нагрузки элемента Kn

Источник

Способы резервирования 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