Резервирование

Припроектированиисистемыразработчикреализуетваппаратуревозможностьвыполнения системой набора функций, предусмотренных техническим заданием.При этомструктурнаяиаппаратурнаяреализациянаначальныхэтапахразработкисводитсяксозданиюминимальнонеобходимоговариантасистемы,т.е.такоговарианта,которыйсодержит минимально необходимое число элементов, отказ каждого из которых приводит кневыполнению одной или нескольких функций и предусматривает обработку минимальнонеобходимогоколичестваинформациизаминимально допустимоевремя.

Характеристики надежности минимально необходимого варианта системы не всегдаудовлетворяютпредъявляемымтребованиям,чтовынуждаетиспользоватьспособыповышениянадежности разрабатываемой системы.

Проблема повышения надежностидолжна решаться, в первую очередь, на основеразработкииприменения высоконадежныхэлементов.

Но как показывает практика, этот путь повышения надежности не всегда позволяетсоздаватьвысоконадежныесистемы.Например,сейчасдостигнутыйсреднийуровеньнадежности элементов= 10^–6-10^–71/час. Следует ожидать в будущем повышения этогоуровнядо=10^–81/час.Тогда,длясистемы,насчитывающей10⁶(миллион)элементов,

c

1

2

n

суммарнаяинтенсивностьотказовсистемысоставит.........=10^–21/час,

т.е.наработканаотказсоставитвсего100часов,чтоявнонедостаточно.

Необходимаянадежностьсложныхсистемможетбытьдостигнутатолькоприиспользованииразличныхвидов резервирования.

Вэтомслучаеиспользуютразличныевидырезервирования.

Резервирование- способ обеспечения надежности объекта за счет использованиядополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимальнонеобходимымдля выполнения требуемыхфункций

Таким образом,резервирование – одно из основных средств обеспечения заданногоуровня надежности объекта при недостаточно надежных компонентах и элементах путемвведенияизбыточности.

В свою очередь, избыточность – это дополнительные средства и возможности сверхминимальнонеобходимыхдлявыполненияобъектомзаданныхфункций,которыеиопределяютрезерв системы.

Резерв - совокупность дополнительных средств и (или) возможностей, используемыхдлярезервирования

Цельрезервированияпутемвведенияизбыточности–обеспечитьбезотказностьобъекта в целом, т.е. сохранить его работоспособность,когда возник отказ одного илинесколькихэлементов.

Приэтомразличаютосновной,резервируемыйирезервныйэлемент.

Основной элемент - элемент объекта, необходимый для выполнения требуемыхфункцийбез использования резерва

Резервируемыйэлемент- основной элемент, на случай отказа которого в объектепредусмотреныодин илинесколькорезервныхэлементов

Резервный элемент- элемент, предназначенный для выполнения функций основногоэлементавслучаеотказапоследнего

Классификациявидоврезервированияприведенанарис.1

Классификациявидоврезервирования

По видуизбыточности

По схемевкл.резервныхэлементов

По способамвкл.резервныхэлементов

По режимамработырезервныхэлементов

По кратностирезервирования

По способуобслуживания

По расчетно-логическойсхеме

Функциональное

Постоянное

Общее

Нагруженное

Дробнойкратности

Свосстановлением

Последовательное

Структурное

Замещение

Раздельное

Облегченное

Целойкратности

Безвосстановления

Параллельное

Временное

Скользящее

Ненагруженное

Дублированное

(целойкратности)

Последовательно-параллельное

Информационное

Мажоритарноерезервирование(дробнойкратности)

Нагрузочное

Рис.1

По виду избыточностиразличают функциональное, структурное, временное,информационноеинагрузочноерезервирование.

Функциональное–резервирование,прикоторомиспользуетсяспособностьэлементов выполнять дополнительные функции или способность объекта перераспределятьфункции между элементами. Например, выпуск шасси у самолета возможен электрическим,гидравлическим,и наконец, ручнымспособом.

Структурное(илиаппаратное)резервирование–резервированиесприменениемрезервных (избыточных) элементов структуры объекта.

Сутьегозаключаетсявтом,чтовминимальнонеобходимыйвариантсистемы,элементыкоторой называютосновными, вводятся дополнительные элементы,устройствалибо даже вместо одной системы предусматриваетсяиспользование нескольких идентичныхсистем. При этом эти избыточные резервные структурные элементы имеют единственноеназначение–взятьнасебявыполнениерабочихфункцийприотказесоответствующихосновных элементов.

Информационное–резервированиесиспользованиемизбыточнойинформации.

Информационное резервирование применяется в объектах, где возникновение отказаприводиткпотереилиискажениюнекоторойчастиобрабатываемойилипередаваемойинформации. Избыток информации позволяет в той или иной степени компенсировать этипотериилиустранятьвозникающиеискажения.

Егопростейшимпримеромявляетсямногократнаяпередачаодногоитогожесообщенияпоканалусвязи.Вцифровыхвычислительныхмашинахчастоприменяютсякоды, обнаруживающие и исправляющие ошибки, которые появляются в результате сбоев иотказов аппаратуры. Следует заметить, что использование информационного резервированиявлечетзасобой необходимостьвведения избыточных элементов.

Временное-резервированиесиспользованиемрезервоввремени.

Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта,инерционности его элементов и т.д Основные виды временного резервирования связаны сустановлениемдопустимых значенийвынужденныхпростоевиз-заотказовобъекта.

При его использовании предполагается возможность возобновления прерванного врезультате отказа функционирования аппаратуры (путем ее восстановления). При этом такжепредполагается,чтонавыполнениеаппаратуройнеобходимойработыотводитсявремя,заведомобольшееминимально необходимого.

Нагрузочное- резервирование, при котором используется способность элементоввоспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных, а также способность объектаперераспределятьнагрузки между элементами. Например, для стрелочного электроприводазакладываетсяопределенныйзапаспрочности,которыйпозволяетвыдерживатьмеханическиенагрузки.

Наиболее употребительным, а поэтому и наиболее изученным, являетсяструктурноерезервирование.Приегоиспользованииможноприменитьразличныесхемывключениярезервных элементов.При этом важное значение имеют режим работы резервных элементовдо и после появления отказа в основных элементах, а также краткость резервирования. Поэтимтремпризнакамструктурноерезервированиеможноклассифицироватьследующимобразом.

По схеме включения резервных элементовразличают постоянное резервирование,резервированиезамещениеми скользящеерезервирование.

Постоянноерезервирование-Резервирование,прикоторомиспользуетсянагруженный резерв и при отказе любого элемента в резервированной группе выполнениеобъектомтребуемыхфункцийобеспечиваетсяоставшимисяэлементамибезпереключений

Дляпостоянногорезервированиясущественно,чтовслучаеотказаосновногоэлемента не требуется специальныхустройств, вводящих в действие резервный элемент,посколькуон вводится вдействиеодновременно сосновным.

Резервированиезамещением-резервирование,прикоторомфункцииосновногоэлементапередаются резервномутолько послеотказаосновного элемента.

Прииспользованиирезервазамещениемнеобходимыконтролирующиеипереключающиеустройствадляобнаруженияфактаотказаосновногоэлементаипереключениясосновного нарезервный.

Скользящеерезервирование-резервированиезамещением,прикоторомгруппаосновныхэлементоврезервируетсяоднимилинесколькимирезервнымиэлементами,каждыйизкоторыхможетзаменить любойизотказавшихэлементовданнойгруппы

Перечисленные выше виды резервирования могут быть применены либо к системе вцелом,либокотдельнымэлементамсистемыиликихгруппам.Впервомслучаерезервированиеназывается общим, вовтором– раздельным.

Общеерезервирование-резервирование,прикоторомрезервируетсяобъектвцелом

Раздельноерезервирование-резервирование,прикоторомрезервируютсяотдельныеэлементы объекта илиихгруппы

В зависимости от режима работы резервных элементовразличают нагруженный,облегченныйи ненагруженный резервы.

Нагруженный резерв -резерв, который содержит один или несколько резервныхэлементов,находящихся врежимеосновного элемента

При нагруженномрезерве принимается, чтохарактеристики надежности резервныхэлементовв период их пребыванияв качестве резервныхи в период их использованиявместоосновныхпослеотказаостаютсянеизменными.

Облегченныйрезерв-резерв,которыйсодержитодинили несколькорезервныхэлементов,находящихсявменеенагруженномрежиме,чемосновнойэлемент.

Воблегченномрежимепринимается,чтохарактеристикинадежностирезервныхэлементоввпериодихпребываниявкачестверезервныхвыше,чемвпериодихиспользованиявместо основныхпослеотказапоследних.

Ненагруженный резерв -резерв, который содержит один или несколько резервныхэлементов, находящихся в ненагруженномрежиме до началавыполнения ими функцийосновногоэлемента

Вненагруженномрезервепринимается,чтотакойрезервныйэлемент,находясьврезерве,отказыватьнедолжен,т.е.обладаетвэтотпериодидеальнойнадежностью.Впериоджеиспользованияэтогоэлементавместоосновногопослеотказапоследнегонадежность резервногоэлемента становитсяравной надежности основного.

Степеньизбыточностихарактеризуетсякратностьюрезервирования.

Кратностьрезервирования-отношениечисларезервныхэлементовкчислурезервируемых ими элементов,выраженноенесокращеннойдробью.

Различаютрезервированиесцелойидробнойкратностью.

Резервированиесцелойкратностьюимеетместо,когдаодиносновнойэлементрезервируетсяодним иболеерезервными элементами.

Резервированиесдробнойкратностьюимеетместо,когдадваиболееоднотипныхэлементов резервируется одним и более резервными элементами. Наиболее

распространеннымвариантомдробногорезервированияявляетсятакой,когдачислоосновных элементов превышает числорезервных.

Примеромрезервированиясцелойкратностьюявляетсядублирование.

Дублирование-резервированиескратностьюрезерваодинкодному.

Примеромрезервированиясдробнойкратностьюявляетсямажоритарноерезервирование,когдасигналнавыходемажоритарногооргана(элементголосования)выбираетсяпо большинствусовпадающихсигналовнаеговыходе.

Наиболее распространенным в СЖАТ является мажоритарное резервирование2 из 3.Вэтомслучаевместоодногоканалавключаютсятриидентичных,выходыкоторыхподаются на мажоритарный орган М (элемент голосования). Если все элементы исправны,то на вход М поступают три одинаковых сигнала, и такой же сигнал поступает во внешнююцепьсвыходаМ.Еслиодинизтрехканаловотказал,тонавходМпоступаютдваодинаковых (истинных) и один ложный сигнал.На выходе М будет сигнал, совпадающий сбольшинством совпадающих сигналов на его входе, т.е. мажоритарный орган осуществляетоперацию голосования или выбора по большинству. Таким образом, условием безотказнойработыпримажоритарномрезервированииявляетсябезотказнаяработалюбыхдвухэлементовиз трех, т.еимеемдваосновныхканалаи один резервный.

Принциппостроения2V3.

НаиболеераспространеннымиспособамидляобеспечениянадежностиибезопасностиСЖАТявляютсядублированиеимажоритарноерезервирование2из3.

ДлясистемЖАТбольшуюрольиграет,примененолирезервированиесвосстановлениемилибез него.

Резервирование,прикоторомработоспособностьлюбогоосновногоирезервногоэлементов системы в случае возникновения отказов подлежит восстановлению в процессеэксплуатациисистемы, называетсярезервированиемсвосстановлением.

Впротивномслучае,имеетместорезервированиебезвосстановления.

Дляполученияпоказателейнадежностирезервированнойсистемывцеломсоставляетсярасчетно-логическая схема.

Расчетно-логическойсхемойрезервированнойсистемывбольшинствеслучаевявляетсясхема,накоторойэлементысистемыимеютпараллельно-последовательноесоединение.

Расчетно-логическиесхемыдляобщегорезервированиясводятсякрасчетно-логической схеме резервирования элементапутемзамены последовательносоединенныхэлементов(блоков,устройств,приборов)эквивалентнымиэлементами,показателинадежности которыхнаходятся поизвестнымформулам.

Расчетно-логическиесхемыдляразличныхвидовструктурногорезервированияприведенынаРис.2.

Дляполученияпоказателейнадежностисистемыприраздельномрезервированиидостаточноуметьнаходитьпоказателинадежностирезервируемогоэлемента(блока,устройства, прибора). Показателинадежности всей системы могут быть получены путемзамены параллельносоединенных элементов (блоков, устройств, приборов)эквивалентнымиэлементамиидальнейшимприменениемизвестныхрасчетныхформулдляосновногосоединения,вкоторомвкачествеэлементоввыступаютрезервированныегруппыэлементов.

Надежность резервированной аппаратуры, особенно восстанавливаемой, в большойстепенизависитотнадежностиконтрольныхустройств,определяющихисправностьосновногоирезервногоэлемента,ипереключающихустройств,обеспечивающихпереключениеэлементовприотказах.КУиПУтакжеобладаютопределеннымипараметраминадежности, влияющиминаобщуюнадежностьсистемы.

^а) 1 2 n

0

1

m

б) ^{1 2 n}

0

1

2

m

^в) 1 2 n

0

1

m

^г) 1 2 n

0

1

2

m

^д) 1 2

n+1 ^n+m

Рис.2Расчетно-логическиесхемыразличныхвидовструктурногорезервирования:

а) - общее резервирование и постоянное включение резерва; б) - раздельноерезервирование ипостоянное включение резерва; в) - общее резервирование ивключение резерва замещением; г) раздельное резервирование и включение резервазамещением; д) -резервирование сдробнойкратностьюпри скользящемрезерве

Частные случаи расчета надежности системыпри структурномрезервировании.

Наиболеечастодляобеспечениябезотказностиибезопасностимикроэлектронныхимикропроцессорных СЖАТ используютсяструктурные методырезервирования, реализованныеспомощью аппаратных средств,сконтролеми диагностикой сбоевиотказов.

Структурноерезервирование– резервирование с применением резервных (избыточных)элементовструктуры объекта.

Суть его заключается в том, что в минимально необходимый вариант системы, элементыкоторой называют основными, вводятся дополнительные элементы, устройства либо даже вместоодной системы предусматриваетсяиспользование нескольких идентичных систем. При этом этиизбыточные резервные структурные элементы имеют единственное назначение – взять на себявыполнениерабочихфункцийприотказесоответствующихосновныхэлементов.

Рассмотримчастныеслучаирасчетанадежностиибезопасностисистемыприиспользованииструктурногорезервирования,наиболеечастовстречающиесяприпостроениисовременныхсистемЖАТ.

В общемслучае, интенсивностьотказа резервированнойсистемы (дляневосстанавливаемой)определяется по формуле

_C(t)

1

P_C(t)

_dPC(t)

dt

(1)

гдес(t)–интенсивностьотказарезервированнойсистемы,

Рс(t)–вероятностьбезотказнойработырезервированнойсистемы.

dРс(t)/dt–производнаявероятностибезотказнойработырезервированнойсистемы.

Таким образом, для резервированных системинтенсивностьотказа является^{возрастающей функцией времени. При t=o}с^{(t)=0 и с ростом времени t}с^{(t) стремится кинтенсивности отказа}нерезервированнойсистемы.

с(t)



0 _t

Рис.1

гдес–интенсивностьотказарезервированнойсистемы,

-интенсивностьотказанерезервированнойсистемы.

CредняянаработкадоотказаТоопределяетсяпоформуле



T_îPñ(t)dt

0

(2)

Такимобразом,приопределениипоказателейнадежностинеобходимознаниефункции распределения времени безотказной работы Р(t) или отказа Q(t), т.к. они связанысоотношением Р(t) = 1- Q(t). Система может находится либо в работоспособном состоянии,либовсостоянии отказа.

Рассмотримчастныеслучаиопределенияуказанныхпоказателейдляразличныхструктур.

При этом расчетные формулы полученыв предположении экспоненциального законараспределениявременибезотказнойработыэлементов,справедливостькоторогонеоднократноподтверждалась экспериментальнымпутем.

В тех же случаях, когда фактическое распределение времени до отказа отличается отэкспоненциального,использованиеэкспоненциальногозаконараспределениядает,какправило,заниженныеоценки,т.е.нижниеграницы надежности аппаратуры.