Курсовая работа - Расчет показателей безотказности ЭВС при наличии резервирования замещением / курсач по ток и эвс

Введение.

Теория надежности изучает процессы возникновения отказов объектов и способы борьбы с этими отказами.

Надежность – это свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

В теории надежности для удобства часто различают системы и элементы. Под системой понимается совокупность совместно действующих элементов с определенными связями, предназначенная для выплнения определенных функций. Термин «элемент» - применяется для составной части системы и обычно не предназначен для самостоятельного практического применения, но должен обладать способностью выполнять определенные функции в системе.

Основное понятие, используемое в теории надежности – понятие отказа, т.е. утраты работоспособности, нступающей либо внезапно, либо постепенно.

Увеличивающаяся сложность технических устройств, возрастающая ответственность функций, которые выполняют технические устройства, повышение требований к качеству изделий и условиям их работы, возросшая роль автоматизации, которая сокращает возможностьнепрерывного наблюдения за состоянием устройства – это основные факторы, определившие главное направление в развитии науки о надежности.

Если не принимать специальных мер по обеспечению надежности, то любое современное сложное устойство практически будет неработоспособным. Так, например, в современном компьютере за 1 сек. происходит около 5 млн. смен состояний в результате переключений её двоичных элементов, число которых достигает нескольких десятков тысяч. За 5 часов непрерывной работы происходим свыше 10¹² - 10¹⁴ смен состояний. Вероятность возникновения хотя бы одного отказа при этом становится достаточно большой, а следовательно, необходимы специальные меры, обеспечивающие работоспособность компьютера.

Обеспечение параметрической надежности является важной составной частью общих мероприятий по обеспечению надежности при проектировании ЭВС.

При решении задач по обеспечению параметрической надежности ЭВС в большинстве случаев приходиться решать задачи и по ее оценке.

Надёжность ЭВС закладывается на этапе проектирования, должна обеспечиваться на этапе производства и поддерживаться на этапе эксплуатации.

Надёжность, которую ЭВС показывают в процессе эксплуатации, называют эксплуатационной надёжностью.Все методы повышения надёжности ЭВС можно условно разбить на две группы методов: схемотехническая и конструкторско-технологические.

Основные методы схемотехнической группы:

1. Выбор электрических принципиальных схем, содержащих минимальное число элементов.

2. Выбор электрических принципиальных схем, выходные характеристики которых слабо зависят от изменения напряжения питания и разброса параметров элементов.

3. Выбор электрических принципиальных схем, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов.

КП52.292028.401 ПЗ

Лист

3

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата

Среди методов конструкторско-технологической группы необходимо отметить

следующие:

1. Правильный выбор коэффициентов электрической нагрузки элементов.

2. Отбраковка потенциально ненадёжных элементов в условиях производства ЭВС.

3. Защита элементов ЭВС от воздействия факторов окружающей среды.

Особую группу методов составляет повышение надёжности путём резервирования.

[Литература 1, 2, 5]

Целью данного курсового проекта является нахождение оценки показателей безотказности ЭВС при наличии резервирования замещением.

КП52.292028.401 ПЗ

Лист

4

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата

1. Литературный обзор по теме резервирование замещением.

1. Резервирование замещением как метод

повышения надёжности ЭВС.

Резервирование – это введение в структуру устройства дополнительного числа элементов, цепей и (или) функциональных связей по сравнению с минимально необходимыми для функци-онирования устройства. Цель резервирования – повысить надёжность устройства.

В зависимости от того, как подключаются резервные элементы в случае отказа основных, различают следующие виды резервирования:

1. постоянное;

2. замещением;

3. скользящее (может рассматриваться как частный случай резервирования замещением).

При постоянном резервировании резервные элементы постоянно подключены к основным и находятся в одинаковом с ними электрическом режиме. Деление элементов на основные и резервные носит здесь условный характер.

При резервировании замещением основной элемент в случае его отказа отключается от электрической цепи, обычно как по выходу, так и по входу, и вместо него подключается один из резервных элементов.

Переключение может выполняться либо автоматически с помощью переключающих устройств, либо вручную. Условно резервирование замещением изображается одним из способов, указанных на рисунке 1.1.1

Рисунок 1.1.1 – схематическое изображение резервирования замещением: (m-1) – количество резервных элементов.

Скользящее резервирование – это резервирование замещением, при котором любой резервный элемент может замещать любой основной элемент. Это возможно лишь при их однотипности.

При рассмотрении резервирования под словом «элемент» следует понимать как комплектующий элемент, так и каскад, функциональный узел, блок и так далее, имея в виду, что резервирование может выполняться на уровне различных частей ЭВС.

В зависимости от того, какая часть ЭВС резервируется, различают общее (рисунок 1.1.2) и раздельное (поэлементное) резервирование (рисунок 1.1.3).

Рисунок 1.1.2 – общее резервирование

КП52.292028.401 ПЗ

Лист

5

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата

Рисунок 1.1.3 – раздельное (поэлементное) резервирование

При общем резервировании резервируется устройство в целом. При раздельном резервировании ЭВС резервируется по частям. [Литература 2]

КП52.29028.401 ПЗ

Лист

6

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата

КП52.292028.401 ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата

2. Характеристика резервирования замещением.

При резервировании замещением основной элемент в случае его отказа отключается от электрической схемы, и вместо него подключается один из резервных элементов.

Основной характеристикой резервирования замещением является кратность резерва, выражаемая несокращаемой дробью и определяемая отношением

(1.2.1)

где r – количество резервных элементов, способных замещать основные элементы данного типа; r=m-n;

n – количество основных элементов, резервируемых резервными элементами.

Примеры оценки кратности резерва понятны из рисунка 1.2.1.

Основные элементы

Основной элемент

Резервные элементы

R=2/1

Резервные элементы

R=3/2

Рисунок 1.2.1 – примеры оценки кратности резерва.

При резервировании замещением резервные элементы до вступления их в работу могут находиться в одном из трёх режимов нагрузки:

а) в нагруженном режиме. В этом случае говорят о нагруженном резерве или «горячем» резервировании. Здесь резерв находиться в таком же электрическом режиме, как и основной элемент, и его ресурс вырабатывается одновременно с ресурсом основного элемента, точно так же, как и при постоянном резервировании;

б) в облегченном режиме. В этом случае говорят об облегченном резерве или «теплом» резервировании. Ресурс резервных элементов начинает расходоваться с момента включения всего устройства в работу, однако интенсивность расхода ресурса резервных элементов до момента включения их вместо отказавших значительно ниже, чем в обычных рабочих условиях;

в) в ненагруженном режиме. В этом случае говорят о ненагруженном резерве или «холодном» резервировании. При этом условия, в которых находиться резерв, настолько легче рабочих, что практически резервные элементы начинают расходовать свой ресурс только с момента включения их в работу вместо отказавших.

КП52.292028.401 ПЗ

Лист

7

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата

Основные достоинства резервирования замещением:

1. больший выигрыш в надёжности по сравнению с постоянным резервированием (в случаях ненагруженного и облегченного резерва);

2. отсутствие необходимости дополнительной регулировки в случае замещения основного элемента резервным, так как основной и резервный элементы одинаковы.

Основные недостатки резервирования замещением:

1. сложность технической реализации и связанное с этим увеличение массы, габаритов и стоимости всего резервируемого РЭУ;

2. перерыв в работе в случае замещения отказавшего элемента;

3. необходимость иметь переключающее устройство высокой надёжности. Для обеспечения этого иногда приходиться резервировать сами переключающие устройства, обычно используя постоянное резервирование. На практике считается, что надёжность переключающего устройства должна быть по меньшей мере на порядок выше надёжности резервируемого элемента.

[Литература 3 и 4]

КП52.292028.401 ПЗ

Лист

8

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата

2. Разработка алгоритма поставленной задачи.

2.1 Разработка алгоритма решения задачи по схеме с резервированием замещением.

2.1.1 Анализ безотказности схемы при наличии резервирования замещением (нагруженный резерв).

Будем считать, что основной и резервный элементы одинаковы, и надёжность переключающих устройств идеальна, то есть Р_ПЕРЕКЛ=1.

1. Находим вероятности безотказной работы элементов 1, 2, 3, 4 по

формулам:

(2.1.1.1)

(2.1.1.2)

где р_1,2,3,4 – вероятности безотказной работы элементов 1, 2, 3;

λ – интенсивность отказов функциональных частей;

t – время работы схемы.

2. Рассмотрим узел I. Определим вероятность отказа элемента 1:

q₁=1-p₁ (2.1.1.3)

где q₁ - вероятность отказа элемента 1;

p₁ - вероятность безотказной работы элемента 1.

Вероятность отказа всего узла I определим по формуле:

q_I=q₁^r+1 (2.1.1.4)

где q_I - вероятность отказа всего узла I;

q₁ - вероятность отказа элемента 1;

r – число резервных элементов.

3. По формулам, описанным в пункте 2, находим q₂, q₃, q_II, q_III.

4. Находим вероятность безотказной работы узлов I, II, III по формуле:

p_i=1-q_i. (2.1.1.5)

5. Вычисляем вероятность безотказной работы устройства, состоящего

из узлов I, II, III:

p_{I, II, III}= p_I·p_II·p_III (2.1.1.6)

КП52.292028.401 ПЗ

Лист

9

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата

6. Отказ устройства в целом вычисляем по формуле:

q_РЭУ=(1- p_{I, II, III})·(1-p₄). (2.1.1.7)

7. Вероятность безотказной работы устройства в целом:

P_РЭУ=1- q_РЭУ (2.1.1.8)

2.1.2 Анализ безотказности схемы при наличии резервирования

замещением (облегчённый режим).

1. Находим коэффициенты загрузки элемента α для каждого узла:

α=λ₀/λ, (2.1.2.1)

где λ₀ – максимальное значение интенсивности отказов, 1/час (λ₀=0,9·10^-6 1/час);

λ – интенсивность отказов функциональных частей, 1/час;

2. Находим вероятности безотказной работы каждого из узлов

(I, II, III) по формуле:

(2.1.2.2)

где α – коэффициент загрузки элемента;

m – количество элементов в узле;

λ - интенсивность отказов функциональных частей, 1/час;

t – время работы узла, час.

3. Находим вероятность безотказной работы P_{I, II, III} по формуле:

P_{I, II, III} = · · (2.1.2.3)

4. Находим вероятность отказа всей схемы:

q_Σ=(1- P_{I, II, III})(1-p₄) (2.1.2.4)

где p₄ – вероятность безотказной работы четвёртого узла, берём

равной вероятности безотказной работы четвёртого узла в

нагруженном режиме.

1. Находим вероятность безотказной работы всей схемы по формуле:

P_Σ=1-q_Σ (2.1.2.5)

КП52.292028.401 ПЗ

Лист

10

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата

3. Анализ безотказности схемы при наличии резервирования замещением (ненагруженный режим).

1. Находим вероятности безотказной работы узлов I, II, III по формуле:

(2.1.3.1)

где λ – интенсивность отказов функциональных частей, 1/час;

t – время работы узла, час.

2. Находим вероятность безотказной работы P_{I, II, III} по формуле:

P_{I, II, III}= · · (2.1.3.2)

3. Находим вероятность отказа всей схемы:

q_Σ=(1 - P_{I, II, III})(1-p₄) (2.1.3.3)

где p₄ - вероятность безотказной работы четвёртого узла,

берём равной вероятности безотказной работы четвёртого

узла в нагруженном режиме.

4. Находим вероятность безотказной работы всей схемы:

P_Σ=1- q_Σ (2.1.3.4)

КП52.292028.401 ПЗ

Лист

11

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата

2.2. Результаты решения по схеме с резервированием замещением.

2.2.1 Нагруженный резерв.

Вероятность безотказной работы элемента первого узла р₁=0,786509;

вероятность отказа элемента первого узла q₁=0,213491;

вероятность отказа первого узла q­_I=0,045579;

вероятность безотказной работы первого узла Р_I=0,954421;

вероятность безотказной работы элемента второго узла р₂=0.670151;

вероятность отказа элемента второго узла q₂=0,329849;

вероятность отказа второго узла q ­_II=0,035888;

вероятность безотказной работы второго узла Р_II=0,964112;

вероятность безотказной работы элемента третьего узла р₃=0,852058;

вероятность отказа элемента третьего узла q₃=0,147942;

вероятность отказа третьего узла q­_III=0,000479;

вероятность безотказной работы третьего узла Р_III=0,996;

вероятность безотказной работы трёх последовательно включённых элементов типа I, II, III (четвертого узла) р₄=0,449102;

вероятность безотказной работы I, II, III узлов Р=0,919729;

вероятность отказа всей схемы Q_РЭУ=0,044221;

вероятность безотказной работы всей схемы Р_РЭУ=0,955779.

КП52.29228.401 ПЗ

Лист

12

Изм

Лист

№ документа

Подп

Дата