Резервирование — это ключевой метод в инженерии надежности, направленный на поддержание работоспособности объекта при отказе его составных частей. Согласно ГОСТ 27.002-89, суть метода заключается во введении избыточности — дополнительных средств или возможностей, превышающих минимально необходимые для выполнения функций. Эта избыточность компенсирует отказы, обеспечивая непрерывную и корректную работу системы.
Классификация методов резервирования
Методы резервирования систематизируют по нескольким ключевым признакам: виду резервирования, способу соединения элементов, кратности, методу включения резерва, его режиму работы и возможности восстановления (см. Рис. 7.1).
Виды резервирования по типу дополнительных средств
В зависимости от природы вводимой избыточности выделяют несколько основных видов.
Функциональное резервирование
Здесь одна и та же функция может выполняться разными способами или техническими средствами. Классический пример — передача данных в автоматизированной системе управления (АСУ) через радиоканал, телеграф или телефон. Для оценки надежности в таких случаях традиционные показатели (например, средняя наработка на отказ) менее информативны. Более релевантными являются вероятность успешного выполнения функции, среднее время ее выполнения и коэффициент готовности.
Информационное резервирование
Этот вид основан на использовании избыточной информации. Сюда относится многократная передача одного сообщения, применение корректирующих кодов для обнаружения и исправления ошибок, а также введение дополнительных информационных символов. Избыток данных позволяет компенсировать искажения, вызванные отказами аппаратуры или помехами.
Временное резервирование
Суть метода — в выделении на выполнение задачи времени, заведомо превышающего минимально необходимое. Резерв времени может создаваться за счет повышения производительности системы или использования инерционности ее элементов.
Нагрузочное резервирование
Данный подход заключается в создании запаса по нагрузочной способности элементов либо во введении дополнительных защитных устройств, которые разгружают основные элементы от экстремальных воздействий.
Эти виды резервирования могут применяться ко всей системе (общее резервирование), к ее отдельным элементам или группам (раздельное резервирование), а также комбинироваться в смешанные схемы.
Классификация по способу включения резерва
Постоянное резервирование
При этом методе резервные элементы постоянно подключены к системе и начинают работать сразу при отказе основного, без каких-либо переключений или перерывов в функционировании (Рис. 7.2 и 7.3). Это простой и надежный способ, не требующий специальных устройств для активации резерва.
Динамическое резервирование (резервирование замещением)
В этом случае структура системы перестраивается при отказе элемента с помощью специальных переключающих устройств. Главное преимущество — резервные элементы до момента включения могут находиться в щадящем или даже выключенном режиме, что сохраняет их ресурс. Кроме того, один резервный элемент может обслуживать несколько основных. Недостаток — необходимость в надежных переключателях и возможный кратковременный перерыв в работе.
Особой разновидностью является скользящее резервирование, где один или несколько резервных элементов могут заменить любой отказавший основной элемент в группе (Рис. 7.6).
Режимы работы резервных элементов
До момента ввода в работу резерв может находиться в разных состояниях, что влияет на его надежность:
- Нагруженный резерв: Резервный элемент работает в том же режиме, что и основной, и его ресурс расходуется аналогично.
- Облегченный резерв: Резервный элемент работает в менее напряженном режиме, что замедляет износ и повышает его потенциальную надежность.
- Ненагруженный (холодный) резерв: Элемент полностью отключен и не расходует ресурс до момента включения вместо отказавшего.
Мажоритарное резервирование
Широко применяемый в системах управления метод, основанный на принципе «голосования». Несколько элементов (например, три) выполняют одну и ту же функцию, а их выходные сигналы сравниваются мажоритарным элементом (Рис. 7.7). Истинным считается сигнал, который выдают большинство элементов (например, «2 из 3»). Этот метод эффективно повышает надежность и достоверность работы, особенно в ответственных контурах управления и защиты.
Сравнение и применение методов
Постоянное резервирование отличается простотой и отсутствием перерывов в работе, но ведет к постоянному расходу ресурса резервных элементов. Оно идеально для систем, где недопустимы даже кратковременные остановки, и для резервирования мелких компонентов (резисторов, конденсаторов). Примеры схем для диодов и выпрямителей показаны на Рис. 7.8-7.11.
Динамическое резервирование (замещением) позволяет экономить ресурс резерва и эффективно использовать его для крупных узлов. Однако оно требует сложных и надежных переключающих устройств и систем диагностики, что само по себе может снизить общую надежность.
Оценка эффективности резервирования
Эффективность различных методов оценивается по выигрышу в надежности, используя такие критерии, как вероятность безотказной работы и средняя наработка на отказ. Анализ графиков (Рис. 7.12-7.15) позволяет сделать важные выводы:
- Интенсивность отказов резервированной системы всегда начинается с нуля, со временем приближаясь к интенсивности отказов нерезервированной системы.
- Резервирование с дробной кратностью может быть неэффективным после определенного критического времени работы.
- Парадокс резервирования: наибольший выигрыш в надежности достигается при резервировании уже изначально надежных систем. Для систем длительного использования часто требуется высокая кратность резервирования.
- Увеличение массы и сложности системы (за счет резерва) не всегда пропорционально увеличивает среднюю наработку на отказ.
Таким образом, выбор конкретного метода и схемы резервирования — это всегда компромисс между требуемым уровнем надежности, стоимостью, массогабаритными показателями и сложностью реализации.
