3. Повышение надежности путем структурной избыточности

3.1 Виды резерва

Обобщенная классификация резервирования представлена на рис. 2. Особое место при этом занимает структурное резервирование.

Введение структурной избыточности сводится к использованию в системе избыточных (резервных) элементов, которые не являются необходимыми для функционирования оборудования, а выполняют функции основных элементов при отказе системы. Этот метод называют резервированием (или дублированием, когда используется один основной и один резервный элемент).

Таким образом, резервированием называется метод повышения надежности аппаратуры, состоящий в применении избыточного количества элементов для выполнения одной и той же функции. Резервирование изменяет структуру системы, увеличивая ее избыточность. Резервирование, как правило, изменяет, и закон распределения времени безотказной работы того участка системы, в котором оно применено. Резервирование применяется как для повышения безотказности аппаратуры, так и для повышения ее готовности и других показателей надежности.

Если при основном соединении элементов общая надежность РЭА всегда ниже надежности самого ненадежного элемента, то при резервировании общая надежность РЭА может быть выше надежности самого надежного элемента.

Говоря о структурном резервировании, следует различать основной элемент, т.е. элемент структуры объекта, минимально необходимый для выполнения объектом заданных функций, ирезервный, 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. В соответствии с этим различают резервирование;

- общее, предусматривающее резервирование объекта в целом. В данном случае резервирующим элементом является аналогичный объект РЭА (рис.3);

- раздельное, предусматривающее резервирование отдельных элементов объекта или их групп. В этом случае резервирующим элементом является аналогичный элемент, комплектующий объект или же их группа (рис.4);

• смешанное, предусматривающее совмещение различных видов резервирования.

Рис.2

рис. 3 рис. 4

Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых основных элементов объекта носит наименование кратность резервирования. Различают однократное резервирование, кратность которого равна единице (дублирование) и многократное, кратность которого больше единицы. Многократное резервирование применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить весьма высокие показатели надежности.

Присоединение резервных элементов к основным должно производиться параллельно.

Существуют три способа включения резерва: постоянное, замещением и скользящее [1].

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. Так как резервные элементы функционируют наравне с основными, т.е. несут нагрузку, то такой резерв называютнагруженным.

рис. 5

Основными достоинствами постоянного резервирования являются:

• простота включения и мгновенная готовность резерва к работе, так как нет необходимости в подключении резерва вместо основного объекта (элемента).

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, облегченном 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.

Облегченный 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 (облегченный 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 (рис.5).

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.