Резервирование как метод повышения надежности

       1.7.1 Виды отказов и причинные связи

       Отказы элементов систем являются основными предметами исследования

при анализе причинных связей. Отказы могут возникать в результате: первичных отказов, вторичных отказов, ошибочных команд (инициированные отказы). Отказы всех этих категорий могут иметь различные причины. Когда точный вид отказов определен и данные по

ним получены, а конечное событие является критическим, то они рассматриваются как ис-ходные отказы.

       Первичный отказ элемента определяют как нерабочее состояние этого элемента, причиной которого является он сам, и необходимо выполнить ремонтные работы для возвращения элемента в рабочее состояние. Первичные отказы происходят при входных воздействиях, значение которых находится в пределах, лежащих в расчетном диапазоне, а отказы объясняются естественным старением элементов. Разрыв резервуара вследствие старения (усталости) материала служит примером первичного отказа. Вторичный отказ – такой же, как первичный, за исключением того, что сам элемент не является причиной отказа. Вторичные отказы объясняются воздействием предыдущих или текущих избыточных напряжений на элементы. Амплитуда, частота, продолжительность действия этих напряжений могут выходить за пределы допусков или иметь обратную полярность и вызываются различными источниками энергии: термической, механической, электрической, химической, магнитной, радиоактивной и т.п. Эти напряжения вызываются соседними элементами или окружающей средой, например – метеорологическими (ливень, ветровая нагрузка), геологическими условиями (оползни, просадка грунтов), а также воздействием со стороны других технических систем. Примером вторичных отказов служит «срабатывание предохранителя от повышенного электрического тока», «повреждение емкостей для хранения при землетрясении».

      Инициированные отказы (ошибочные команды). Люди, например операторы и обслуживающий технический персонал, также являются возможными источниками вторичных отказов, если их действия приводят к выходу лементов из строя. Ошибочные команды представляются в виде элемента, находящегося в нерабочем состоянии из-за неправильного сигнала управления или помех (при этом лишь иногда требуется ремонт для возвращения данного элемента в рабочее состояние). Самопроизвольные сигналы управления

или помехи часто не оставляют последствий (повреждений), и в нормальных оследующих режимах элементы работают в соответствии с заданными требованиями. Типичными примерами ошибочных команд являются: «напряжение приложено самопроизвольно к обмотке реле», «переключатель случайно не разомкнулся из-за помех», «помехи на входе контрольного прибора в системе безопасности вызвали ложный сигнал на остановку», оператор не нажал на аварийную кнопку» (ошибочная команда от аварийной кнопки).

      Множественный отказ (отказы общего характера) есть событие, при котором несколько элементов выходят из строя по одной и той же причине. К числу таких причин могут быть отнесены следующие:

      - конструкторские недоработки оборудования (дефекты, не выявленные

на стадии проектирования и приводящие к отказам вследствие взаимной зависимости между электрическими и механическими подсистемами или элементами избыточной системы);

      - ошибки эксплуатации и технического обслуживания (неправильная регулировка

или калибровка, небрежность оператора, неправильное обращение и т. п.);

      - воздействие окружающей среды (влага, пыль, грязь, температура, вибрация, а также экстремальные режимы нормальной эксплуатации);

      - внешние катастрофические воздействия (естественные внешние явления, такие как наводнение, землетрясение, пожар, ураган);

      - общий изготовитель (резервируемое оборудование или его компоненты, поставляемые одним и тем же изготовителем, могут иметь общие конструктивные или производственные дефекты.

       Известен целый ряд примеров множественных отказов: так, некоторые параллельно соединенные пружинные реле выходили из строя одновременно и их отказы были вызваны общей причиной. В некоторых случаях общая причина вызывает не полный отказ резервированной системы (одновременный отказ нескольких узлов, т.е. предельный случай), а менее серьезное общее понижение надежности, что приводит к повышению

вероятности совместного отказа узлов систем. Для каждой общей причины необходимо определить все вызываемые ею исходные события. При этом определяют сферу действия каждой общей причины, а также место расположения элементов и время происшествия.

      Отказ считают по сравнению с другим более критичным, если его предпочтительнее рассматривать в первую очередь при разработке вопросов надежности и безопасности. При сравнительной оценке критичности отказов учитывают последствия отказа, вероятность возникновения, возможность обнаружения, локализации и т. д.

 1.7.2 Резервирование

      Резервирование – метод повышения надежности объекта введением дополнительныхэлементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданныхфункций. 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.

      1.7.3. Виды резервирования

      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, предусматриваю щий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных.

       С позиций расчета и обеспечения надежности технических систем необходимо

рассматривать структурное резервирование.

 

      1.7.3. Способы структурного резервирования

      По способу подключения резервных элементов и устройств различают следующие способы резервирования:

      - резервирование раздельное (поэлементное) с постоянным включением резервных

элементов. Такое резервирование возможно тогда, когда подключение резервного лемента несущественно изменяет рабочий режим устройства. Достоинство – 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. 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 в том, что

резервный элемент сохраняет свой рабочий ресурс, либо может быть использован для выполнения самостоятельной задачи. Рабочий режим основного устройства не искажается.

Недостаток способа в том, что 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. Так, 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 резервныхэлементов 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.

      В случае обшего резервирование с постоянным подключением или с замещением 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 логическую резервную цепочку.

      Мажоритарное резервирование мажоритарное («голосование» n из m элементов) основао 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. Главное достоинство этого способа — обеспечение повышения надежности при любых видах отказов работающих элементов. Любой вид одиночного отказа элемента не окажет

влияния на выходной результат.