Общие сведения о путях повышения надежности

Пути повышения надежности сложных систем

Можно выделить четыре группы мероприятий по повышению надежности ТС при их проектировании:

- системные;

- структурные (схемные);

- конструктивные;

- эксплуатационные.

К системным методам относятся организационно-экономические мероприятия по стимулированию повышения надежности и ряд технических мероприятий.

Одним из путей стимулирования повышения надежности является включение в стоимость ТС затрат на гарантийные ремонт и обслуживание. При этом разработчик учитывает, что при повышении надежности уменьшаются затраты на гарантийный ремонт и обслуживание, т.е. прибыль становится наибольшей при определенном значении показателя надежности, превышающем максимальна допустимый уровень. В этом случае разработчики и изготовители ТС стремятся узнать этот уровень и достигнуть его. Следовательно, стимулируются точные оценки надежности и ее повышение. Другим путем стимулирования повышения надежности является планирование расходов на весь срок службы проектируемой ТС.

Технические мероприятия по оформлению показателей надежности проектируемых ТС необходимы при любой системе взаимоотношений заказчика и разработчика. К техническим мероприятиям относятся учет внешних воздействий на проектируемые технические средства:

а) рабочие (тяжелый ударно-вибрационный режим, температурный режим, агрессивная химическая среда, ядерная реакция);

б) климатические (температура, влажность, примеси в воздухе);

в) биологические (грибок или плесень, насекомые, грызуны).

Структурные (схемные) методы объединяют мероприятия по повышению надежности ТС путем совершенствования принципов их построения.

Эти методы отличаются большим разнообразием и интенсивно развиваются. К ним относятся, например, варианты построения ТС, нечувствительных к появлению отказов, за счет введения избыточных аппаратурных и программных средств. При этом могут использоваться и аппаратные (например, резервированные) и программные (например, сравнение результатов избыточных вычислений) средства. В ряде случаев также могут применяться и аппаратно-программные средства обнаружения отказов элементов и восстановления ТС. Более подробно структурные (схемные) методы повышения надежности будут рассмотрены в дальнейшем.

К конструктивным методам относятся мероприятия по созданию или подбору элементов, узлов или блоков ТС, созданию благоприятных режимов работы, принятию мер по облегчению ремонтов и т.д. При этом обычно оказываются более надежными те элементы, узлы или блоки ТС, которые не имеют перемещающихся деталей, тонких обмоток, накаливаемых нитей и прочее.

Время устранения отказа можно существенно уменьшить путем построения ТС по блочно-узловому способу. При этом все ТС разбиваются на отдельные функционально законченные блоки, которые в электронных системах соединяются между собой кабелями, а в механических - связываются кинематически. Блоки в свою очередь разбиваются на функционально законченные узлы, выполняемые в виде легкосъемных конструкций. При таком построении ТС восстановление состоит в замене выведших из строя блоков или узлов, что значительно ускоряет процесс ввода ТС в строй. Осуществление блочно-узловых конструкций тесно связано с унификацией элементов и систем, которая производится на основе отбора наиболее надежных вариантов. При этом не только повышается надежность ТС, но и снижается их стоимость, и упрощается изготовление. В ряде случаев удается создать очень сложные системы из элементов всего двух-трех типов.

Планирование эксплуатационных мероприятий на стадии проектирования ТС состоит в разработке системы эксплуатационного обеспечения. Проектирование ТС при этом должно осуществляться в соответствии с номенклатурой работ по техническому обслуживанию. Например, для планирования периодического регулирования определяющих параметров ТС необходимо предусмотреть возможность контроля и прогнозирования значений этих параметров и т.д.

Как уже указывалось, структурные (схемные) и конструктивные методы повышения надежности безусловно являются основными для обеспечения соответствующего уровня надежности разрабатываемых ТС.

Рассматривая эти методы необходимо подчеркнуть следующее.

В первую очередь надежность ТС достигается за счет использования высоконадежных элементов. Внедрение полупроводниковых приборов вместо электровакуумных позволило, как известно, повысить надежность технических устройств более чем на порядок, за счет того, что физические процессы в полупроводниковых приборах обеспечивают их функционирование при меньших питающих напряжениях, рассеиваемой мощности и, следовательно, температурах.

Дальнейшим развитием элементной базы явилось создание интегральных микросхем (ИМС). За последние 20-30 лет ИМС развивались бурными темпами и последовательно были созданы интегральные схемы малой, средней и большой (БИС) степени интеграции. В настоящее время создаются сверхбольшие ИМС, содержащие тысячи, десятки тысячи даже сотни тысяч элементов. Так как технология ИМС непрерывно совершенствовалась, то указанное обстоятельство привело к тому, что, несмотря на резкое увеличение числа элементов на одном кристалле, надежность отдельного кристалла оставалась прежней, причем интенсивность отказов схемы, размещенной на кристалле, составляла примерно 10^-6-10^-8 1/ч.

Дальнейшее развитие элементов автоматики и вычислительной техники будет направлено по пути повышения степени интеграции в ИМС, использования оптических элементов, а также внедрения новых типов печатных плат, в том числе многослойных плат, контактных соединении и т.д.

При проектировании ТС необходимо особое внимание уделять подбору стандартизированных и унифицированных элементов, использование которых значительно повышает надежность, так как эти элементы отработаны наилучшим образом в схемном, конструктивном и технологическом отношении.

Вторым путем повышения надежности является обеспечение оптимальных режимов работы элементов и, прежде всего, электрических режимов. Опыт эксплуатации элементов показывает, что оптимальные значения коэффициента нагрузки, при которых интенсивность внезапных отказов наименьшая, находятся в пределах 0,2-0,4. Кроме того, установлено, что при этих же значениях коэффициента нагрузки параметры элементов медленнее отклоняются от номинальных. При этом большое значение имеет выбор коэффициента нагрузки по тепловому, механическому и радиационному режиму. Указанные режимы в большой мере зависят от конструкции устройств, а также от принятых технических решений. Естественно, что это должно учитываться в процессе проектирования.

Одним из наиболее эффективных средств повышения надежности является резервирование, то есть введение избыточности. Опыт использования различных методов резервирования в ТС показывает, что постоянное резервирование может использоваться по отношению к отдельным элементам или схемам. Для сложных ТС обычно применяется резервирование замещением, которое также используется и для отдельных устройств.

Временное резервирование широко применяется в средствах вычислительной техники. Его конкретная реализация, например, осуществляется способом двойного - тройного счета. Например, определенная задача решается дважды, и сравниваются полученные результаты. Совпадение результатов означает, что отказы и сбои отсутствуют и можно переходить к решению следующих задач. В случае несовпадения результатов, что означает отказ или сбой в работе устройства, необходимо решение повторить. Временное резервирование используется также при тестовом контроле, то есть периодическом решении специальных задач с известными ответами. Очевидно, что в этом случае на основании сравнения полученного результата с известным, можно судить о работоспособности устройства. Причем, чем больше времени выделяется на тестовый контроль и чем чаще он проводится, тем с большей достоверностью можно судить о работоспособности контролируемого устройства.

Одним из специальных методов повышения надежности является использование самонастраивающихся и самоорганизующихся систем.

Особенно важным является принцип самоорганизации. Для его реализации создаются, например, такие системы автоматизированного управления (САУ), которые способны изменять свою структуру в процессе функционирования. Перестройка структуры осуществляется таким образом, чтобы обеспечить с помощью сохранивших работоспособность звеньев системы требуемое качество регулируемого процесса. Это приводит к необходимости учета при проектировании систем влияния параметров отдельных звеньев на соответствующие показатели исследуемой системы.

Как уже указывалось, эффективным методом повышения надежности является восстановление отказавших ТС. Здесь основным вопросом является обнаружение факта отказа и поиск отказавших элементов. Такая задача может быть решена с помощью диагностирования ТС, например, при использовании автоматизированных систем контроля, где в качестве основного центрального звена применяется ЭВМ, обеспечивающая проверку большого числа контрольных точек в течение небольшого промежутка времени.

Анализ надежности ТС показывает, что примерно 40-45% всех отказов возникает в аппаратуре из-за ошибок на этапе проектирования, 20% - от ошибок, допущенных при производстве, 30% - от неправильной эксплуатации, 5-10% - от естественного износа и старения.

Таким образом, как видно из изложенного материала, существует достаточно большое количество направлений повышения надежности ТС и их составных частей.

Однако из всех перечисленных выше направлений и путей необходимо подчеркнуть важность, а также определенную специфику методов резервирования, которые рассмотрим более подробно.

Основные понятия, определения и классификация методов резервирования

Резервированием называют метод повышения надежности ТС за счет введения избыточности. Под избыточностью при этом понимают дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения ТС заданных функций. Таким образом, задачей введения избыточности является обеспечение нормального функционирования ТС после возникновения отказов в ее элементах.

В соответствии с ГОСТ 13377-75 различает три основных вида резервирования:

- структурное,

- информационное,

- временное.

Структурное резервирование (или аппаратное) предусматривает использование избыточных элементов ТС. Суть такого вида резервирования заключается в том, что в минимально необходимый вариант системы, элементы которой называют основными, вводятся дополнительные элементы, узлы, устройства либо даже вместо одной системы предусматривается использование нескольких идентичных систем. При этом избыточные резервные структурные элементы, узлы, устройства и т.д. предназначены для выполнения рабочих функций при отказе соответствующих основных элементов, узлов и устройств.

Информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации. Простейшим примером реализации такого вида резервирования является многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи. В качестве другого примера можно привести использование специальных кодов, обнаруживавших к исправляющих ошибки (коды с повторением и инверсией, циклический код, код Хемминга и т.д.), которые появляются в результате сбоев и отказов аппаратуры. Здесь следует заметить, что использование информационного резервирования влечет за собой также необходимость введения избыточных элементов.

Временное резервирование предусматривает использование избыточного времени. В случае применения этого вида резервирования предполагается возможность возобновления функционирования ТС после того, как оно было прервано в результате отказа, путем его восстановлена. При этом также предполагается, что на выполнение ТС необходимой работы отводится время, заведомо большее минимально необходимого.

Перечисленные виды резервирования могут быть применены либо к ТС в целом, либо к отдельным их элементам или к группам таких элементов. В первом случае резервирование называется общим, во втором - раздельным.

Наиболее широкое распространение в настоящее время получило структурное резервирование. ТС с использованием этого вида резервирования могут классифицироваться по различным признакам, основными из которых являются:

- реакция ТС на появление отказа;

- режим работы резервных элементов;

- вид схемы резервирования;

- способ включения резервных элементов;

- степень избыточности и т.д.

В первую очередь различные резервированные ТС отличаются одни от других реакцией на появление отказов, т.е. своими «динамическими» свойствами. С этой точки зрения различают два метода резервирования: активное и пассивное.

В первом случае структура ТС такова, что при появлении отказа она перестраивается и происходит восстановление работоспособности, т.е. происходит как бы «саморемонт» ТС. При этом ТС активно реагирует на появление отказа. Отсюда и название метода резервирования.

При пассивном резервировании ТС отказ одного или даже нескольких элементов не влияет на его работу. Элементы соединены постоянно и перестроения структуры не происходит. ТС как бы пассивно сопротивляется появлению отказов элементов.

Как при активном, так и при пассивном методах резервирования большое значение имеют режимы работы резерва. Однако, если в первом случае для расчета важно знать нагрузку на резервные элементы до появления отказа, то во втором случае - после появления отказа.

По этому классификационному признаку для активного резервирования различают нагруженный, облегченный и ненагруженный резервы.

Нагруженный резерв - резервный элемент находится в том же режиме, что и основной. При этом принимается, что характеристики надежности резервных элементов в период их пребывания в качестве резервных и в период их использования вместо основных после отказа последних остаются неизменными.

Облегченный резерв - резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной. При этом принимается, что характеристики надежности резервных элементов в период их пребывания в качестве резервных выше, чем в период их использования вместо основных после их отказа.

Ненагруженный резерв - резервный элемент практически не несет нагрузки до начала выполнения им функций основного элемента. При этом принимается, что такой резервный элемент, находясь в резерве, отказывать не должен, т.е. обладает в этот период «идеальной» надежностью. В период же использования резервного элемента вместо основного после отказа последнего надежность резервного элемента становится равной надежности основного.

При отказе хотя бы одного их элементов ТС с пассивным резервированием может изменяться нагрузка, воспринимаемая элементами, оставшимися работоспособными. Именно поэтому, в ТС с пассивным резервированием большое значение имеют условия работы элементов после появления отказа, т.е. стабильность нагрузки на элементы, оставшиеся работоспособными. По этому признаку различает три вида ТС с пассивным резервированием:

- с неизменной нагрузкой (при отказе одного или нескольких элементов не меняется нагрузка на элементы, оставшиеся работоспособными);

- с перераспределением нагрузки (при отказе хотя бы одного элемента изменяется, обычно в сторону увеличения, нагрузка за элементы, оставшиеся работоспособными);

- с нагрузочным резервированием (резервированием по нагрузке), в которых при отказе хотя бы одного элемента ТС выходят из строя, но интенсивность отказов элементов уменьшена за счет того, что нагрузка, которую должен был воспринимать один элемент, воспринимается несколькими элементами.

При пассивном резервировании наибольший выигрыш в надежности достигается в ТС с неизменной нагрузкой, наименьший - с резервированием по нагрузке. Здесь следует подчеркнуть, что в ТС с активным резервированием происходит нарушение работы объекта на время с момента отказа основного элемента до момента включения резервного. Таким образом, если такой перерыв в работе ТС принципиально недопустим, то, следовательно, метод пассивного резервирования является единственно возможным. И это один из самых существенных моментов, на который разработчик ТС должен обратить свое внимание при выборе между активным и пассивным методами резервирования.

Оба рассмотренных выше метода реализуются по различным схемам резервирования. Принципиального различия между видами схем резерва нет. Однако при этом все же различают резервирование общее, автономное, раздельное, единичное, внутриэлементное, скользящее и с избирательными схемами.

а - схема общего активного резервирования; б - схема автономного р езервирования;

ВхБ - входной блок; ТС₀ - основные ТС; ТС_р - резервные ТС; П, - переключатели;

ВыхБ - выходной блок.

Рисунок 2.1 – Структуры общего резервирования:

Общее резервирование состоит в резервировании ТС в целом и, благодаря своей простоте, этот способ наиболее известен (рис. 2.1.а).

Автономное резервирование - один из вариантов общего. Оно состоит в применении нескольких независимых объектов, выполняющих одну и ту же задачу. Каждый из этих объектов имеет свой вход и выход и, обычно, независимые источники питания. Примером объектов с автономным резервированием может служить совокупность устройств телеизмерения, выполняющих одну и ту же задачу, если каждое устройство имеет свои входные датчики, записывающие (выходные) блоки и источники питания. Автономное резервирование обычно применяется при проведении ответственных экспериментов в системах ответственного назначения. При этом автономное резервирование (рис. 2.1.б) всегда является пассивным.

Раздельное резервирование состоит в резервировании ТС по отдельным элементам или их группам (участкам). ТС с активным общим резервированием можно считать частным случаем ТС с раздельным резервированием при одном участке резервирования.

Единичное резервирование состоит в замене элементов ТС элементарными резервированными схемами (обычно пассивными). В сложных ТС очень трудно найти рациональную схему раздельного резервирования. Кроме того, схемы резервирования различных ТС каждый раз приходится проектировать заново, что требует иногда довольно значительных материальных затрат и времени. Поэтому единичное резервирование, при котором простейшие схемы резерва типовых элементов могут выполняться в виде готовых блоков (ячеек), часто оказывается удобным из-за простоты построения сложных резервированных ТС. При единичном резервировании не нужно составлять специальных схем, а можно просто ставить на место каждого элемента в функциональной схеме ТС его аналог - типовую резервированную ячейку.

Внутриэлементное резервирование состоит в резервировании внутренних связей элемента. Если при единичном резервировании используются схемы из существующих элементов (ячейки), то применение внутриэлементного резервирования связано с изменением конструкции элемента. Примером использования внутриэлементного резервирования может служить так называемый релер - резервированное реле.

Скользящее резервирование применяется в ТС с большим количеством одинаковых элементов. Оно состоит в том, что используется небольшое число резервных элементов, которые могут подключаться взамен любого из отказавших элементов основной ТС.

При резервировании с избирательной схемой сравниваются сигналы на выходе нечетного числа параллельно работающих устройств и во внешнюю цепь выдается сигнал, имеющийся на выходе большинства устройств. Избирательные схемы применяются в тех случаях, когда трудно установить, отказали или нет отдельные устройства.

По способу включения резервных элементов все рассмотренные выше схемы резервирования разделяются на схемы с постоянно включенным резервом (постоянное резервирование) и схемы резервирования замещением.

Постоянное резервирование - это такое резервирование, при котором резервные элементы участвуют в функционировании ТС наравне с основными. При этом основные и резервные элементы могут иметь общий вход и общий выход, в частности, гальваническую связь по входу и выходу, а могут быть и автономными, т.е. не иметь такой связи. При постоянном резервировании в случае отказа основного элемента не требуется специальных переключательных устройств, вводящих в действие резервный элемент, поскольку он вводится в действие одновременно с основным.

Резервирование замещением - это такое резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа

основного. При использования этого вида резервирования необходимы контролирующие и переключающие устройства для обнаружения факта отказа основного элемента и переключения с основного на резервный.

Еще одним классификационным признаком резервированных ТС является степень избыточности, которая характеризуется кратностью резервирования.

Рисунок 2.2 – Классификация резервированных ТС.

Кратность резервирования - это отношение числа резервных элементов к числу резервируемых или основных элементов ТС. Различают резервирование с целой и дробной кратностью. Резервирование с целой кратностью имеет место, когда один основной элемент резервируется одним и более резервными элементами. Резервирование с дробной кратностью имеет место, когда два и более однотипных элементов резервируются одним и более резервными элементами. Наиболее распространенным вариантом резервирования с дробной кратностью является такой, когда число основных элементов превышает число резервных. Резервирование, кратность которого равна единице, называется дублированием.

В заключении следует отметить, что надежность ТС в значительной степени определяется применением резервирования с восстановлением или без него. Резервирование, при котором работоспособность любого основного и резервного элементов ТС в случае возникновения отказов подлежит восстановлению в процессе эксплуатации системы, называется резервированием с восстановлением. В противном случае имеет место резервирование без восстановления.

Общая схема классификации резервированных ТС приведена на рис. 2.2