Виды резервирования

 

Для повышения надежности систем и элементов применяют резервирование, основанное на использовании того или иного вида избыточности. Последняя определяет следующие разновидности резервирования: функциональное, временное, информационное, структурное.

В том случае, если различные системы или устройства выполняют близкие функции, осуществляется функциональное резервирование. Такое резервирование часто применяют для многофункциональных систем. Так, значение температуры пара на выходе котлоагрегата может быть определено по показаниям потенциометра, осуществляющего в комплекте с термоэлектрическим преобразователем индивидуальный контроль ответственного параметра, и с помощью вызова этого параметра на электронно-лучевой индикатор информационно-измерительной системы, осуществляющей расчет технико-экономических и других показателей.

Временное резервирование заключается в том, что допускается перерыв функционирования системы или устройства из-за отказа элемента. Во многих случаях временное резервирование, обеспечивающее непрерывность технологического процесса, осуществляется за счет введения аккумулирующих емкостей, складов сырья и полуфабрикатов. Временное резервирование также может иметь место из-за аккумулирующей способности технологического объекта. Так, кратковременный перерыв в подаче топлива не приведет к прекращению генерации пара из-за аккумуляции теплоты поверхностям нагрева котлоагрегата.

Информационное резервирование связано с возможностью компенсации потери информации по одному каналу информацией по другому. На большинстве технологических объектов, благодаря внутренним связям, имеет место информационная избыточность, которая часто используется для оценки достоверности информации. Так, усредненный расход пара на выходе котла соответствует усредненному расходу воды на его выходе, расход газа на котле определяет расход воздуха при фиксированном составе дымовых газов.

Для локальных систем наиболее характерно структурное резервирование. При использовании последнего повышение надежности достигается путем введения дополнительных элементов в структуру системы. Структурное резервирование разделяют на общее и поэлементное (раздельное). В первом случае система или устройство резервируется в целом, во втором резервируются отдельные элементы или их группы. Если резервированные элементы функционируют наравне с основными, то имеет место постоянное резервирование, являющееся пассивным. Схемы общего (а) и поэлементного (б) постоянного резервирования приведены на рис. 3.11.

Если резерв вводится в состав системы после отказа основного элемента и сопровождается переключающими операциями, то имеет место резервирование замещением – активное резервирование.

При этом способе резервирования (рис. 3.11,в и г) резервированные элементы могут находиться в нагруженном, облегченном и ненагруженном состоянии. При нагруженном (горячем) резерве интенсивность отказов основного _о и резервного _н элементов одинакова, _1о = _н. У облегченного (теплого) резерва интенсивность отказов элементов _об ниже, чем у основных работающих, _о > _об. При ненагруженном (холодном) резерве вероятность отказов элементов в состоянии резерва пренебрегают, _х=0.

При резервировании замещением один и тот же резерв может быть использован для замены любого из ряда однотипных элементов. Такой способ резервирования называется скользящим или с неоднозначным соответствием. В подсистемах АСУ ТП широко используются все рассмотренные способы резервирования. В локальных системах в основном применяют поэлементное (рис. 11,г) резервирование замещением с ненагруженным резервом. Отказавшие первичные и вторичные приборы, регулирующие блоки и блоки управления, задатчики, исполнительные механизмы заменяют исправными, хранящимися на складе. Поскольку замена регулирующего органа сопровождается, как правило, снижением производительности объекта или его остановам, то для регулирующих органов используют постоянное резервирование в сочетании с резервированием замещением. Так, регулирование подачи топлива и питательной воды в котлоагрегат осуществляется по нескольким нитка. Нагруженный и облегченный резерв используют при резервировании элементов вычислительного комплекса (блоков питания, процессора и др.).

Для характеристики соотношения между общим числом однотипичных элементов n и r необходимых для функционирования системы работающих элементов вводится понятие кратности резервирование

 

k = (n – r) / r. (3.19)

Значение k может быть целым, если r = 1 и дробным, если r > 1. В последнем случае дробь (3.19) нельзя сокращать. Скользящее резервирование является разновидностью резервирования с дробной кратностью.

Поскольку структурное резервирование сопряжено с дополнительными затратами на резервные элементы, то последние должны окупаться за счет повышения надежности системы и снижения потерь от ее отказов. Наиболее простым для определения показателями эффективности резервирования являются следующие:

 

В = / ; В_p = P_p / P; B_Q = Q / Q_p, (3.20)

где В - выигрыш за счет повышения средней наработки до отказа резервированной системы по сравнению с наработкой нерезервированной системы ; В_{p ,} B_Q – аналогичные показатели по повышению вероятности безотказной работы и снижению вероятности отказа. Резервирование эффективно, если значение показателей В ,В_p, B_Q большее единицы.

Поскольку локальные системы включают в свой состав элементы, имеющие различный вид резерва, то для расчета надежности элементов при различных способах резервирования. Простейший вариант этой задачи – определение показателей безотказности систем, содержащих резервированные невосстанавливаемые элементы.

 

 

Резервирование двухполюсных элементов. В большинстве случаев резервные элементы подключаются параллельно основному. Однако при дифференциации видов отказов резервирование по каждому из них может осуществляться при различных способах включения резервных элементов. Наиболее характерным в этом отношении является резервирование элементов при отказах типа «обрыв» и «короткое замыкание» (КЗ). Для двухполюсных элементов релейного типа, имеющих два возможных состояния 1 и 0, этим отказом соответствует несрабатывание при отсутствии последнего.

При последовательном соединении релейных элементов (рис. 3.14,а) несрабатывание любого из элементов приводит к отсутствию цепи между точками а и б. Таким образом, для этого вида отказов последовательное соединение является резервным, поскольку этот вид отказа цепи будет иметь место только при отказе двух элементов.

Из рассмотренного вытекает, что одному и тому же соединению элементов для этих видов отказов соответствуют две структурные схемы. При последовательном соединении релейных элементов осуществляется резервирование по отказам типа КЗ. Если вероятность отказов этого типа для каждого элемента q, то В_а = q / q² = q^-1. Для отказов типа обрыв В = q / [1 – (1 – q)²] = 1 / (2 – q) < 1, т.е. последовательное включение релейных элементов приводит к повышению вероятности возникновения отказов типа обрыв цепи. При параллельном соединении релейных элементов (рис. 3.14,б) осуществляется резервирование по отказам типа обрыв с эффективностью В_Q = 1/q, а по отказам типа КЗ надежность снижается.