Методы резервирования (Виды резервирования)

Содержание:

Введение

Для современной техники характерны такие тенденции развития, как увеличение степени автоматизации, повышением нагрузок, скоростей, температур, давления, уменьшения габаритов и массы, повышения требований к точности функциональности и эффективности и т.д. Повышение сложности и усиление технических требований неизбежно приводит к необходимости повышения требований к надежности и долговечности техники.
      Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами «жизненного цикла» технического объекта от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании объекта его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации реализуется. Поэтому проблема надежности – комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами.
      Однако в настоящее время в инженерной практике расчеты технических объектов на надежность, как правило, не производятся. Такое положение объясняется, во-первых, сложностью и объемом вычислений и, во-вторых, отсутствием алгоритмов автоматизированного расчета с использованием средств вычислительной техники.
      Методы теории надежности позволяют определить уровень качества проектируемой техники, определить ожидаемую реальную эффективность функционирования, оценить риск выхода из строя, организовать оптимальное техническое обслуживание и снизить эксплуатационные затраты.
      Достоверное суждение о надежности проектируемой и выпускаемой техники возможно только на основе экспериментального исследования реальных образцов серийной продукции в реальных эксплуатационных условиях. Решение этой задачи является сущностью экспериментальных исследований и испытаний на надежность.
      Поэтому, повышение надежности машин – одна из важнейших задач современности.
     Надежность машин необходима для повышения уровня автоматизации, уменьшения огромных затрат на ремонт и убытков от простоев машин, обеспечения безопасности людей.  
 

Виды резервирования

Применяются четыре основных вида резервирования:

• Аппаратное резервирование, например, дублирование
• Информационное резервирование, например — методы обнаружения и коррекции ошибок
• Временное резервирование, например, методы альтернативной логики.
• Программное резервирование, применение независимых функционально равноценных программ

Общее резервирование системы

При общем резервировании резервируется вся система в целом. Общее резервирование, в зависимости от способа включения резервных устройств можно разделить на постоянное резервирование и резервирование замещением, при котором резервные изделия замещают основные только после отказа. При общем постоянном резервировании резервные устройства подключены к основному в течение всего времени работы и находятся в одинаковом с ним режиме работы.

Постоянное резервирование

К преимуществам постоянного общего резервирования относятся:

• относительная простота построения схем;
• отсутствие даже кратковременного перерыва в работе при отказе от одного до m-1 элементов системы;
• отсутствие дополнительных подключаемых элементов, снижающих общую надёжность схемы.

Очевидные недостатки нагруженного резерва, кроме увеличения габаритов и массы системы, — повышенный расход энергии, а также то, что резервные элементы «стареют» одновременно с основными элементами системы. В случае общего резервирования системы, требуется полный состав записанных элементов. При общем постоянном резервировании может использоваться только нагруженный резерв.

Задача резервирования

При эксплуатации компьютера по самым разным причинам возможна порча или потеря информации на магнитных носителях (винчестере или дискетах). Это может произойти из-за физической порчи магнитного диска, неправильной корректировки или случайного уничтожения файлов, разрушения информации компьютерными вирусами и т.д. Для того чтобы уменьшить или вообще предотвратить потери в таких ситуациях, следует иметь копии используемых файлов и периодически обновлять копии изменяемых рабочих файлов.

Рассмотрим способы резервирования и сохранения информации для разработчиков, занимающихся САПР, обработкой цифрового звука, изображений, то есть связанных с большим объемом используемой и обрабатываемой информации.

Использовать дискеты для целей сохранения информации (как это делается обычно) очень не рационально и, более того, очень не удобно, в связи с ее большим объемом. Поэтому целесообразно применять накопители, обеспечивающие сравнительно небольшое время доступа и обладающие большой емкостью. Используем для этих целей лазерные диски и, появившиеся недавно (для рядового пользователя) накопители на магнитооптических и магнитных дисках.

Классификация методов резервирования

В соответствии с ГОСТ 27.002 - 89 резервированием называется применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Таким образом, резервирование - это эффективный метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. В свою очередь, избыточность - это дополнительные средства и (или) возможности, сверхминимально необходимые для выполнения объектом заданных функций. Введением избыточности обеспечивается нормальное функционирование объекта после возникновения отказа в его элементах.

Методы резервирования разделяют по виду резервирования, способу соединения элементов, кратности резервирования, способу включения резерва, режиму его работы и восстанавливаемости (рис. 7.1).

К дополнительным средствам и возможностям при резервировании относятся элементы, введенные в структуру системы в качестве резервных, функциональные и информационные средства и возможности, использование избытка времени и запасов нагрузочной способности. По типу дополнительных средств различают следующие виды резервирования.

Функциональное резервирование - это резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами. Например, для осуществления функции передачи информации в АСУ могут использоваться радиоканалы, телеграф, телефон и другие средства связи; поэтому в данном случае обычные усредненные показатели надежности (средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы и т. п.) становятся малоинформативными и недостаточно пригодными. Наиболее приемлемыми для оценки функциональной надежности являются вероятность выполнения данной функции, среднее время выполнения функции, коэффициент готовности для выполнения данной функции.

Информационное резервирование - это резервирование с применением избыточности информации. Примерами такого резервирования являются: многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи; применение при передаче информации по каналам связи различных кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки, которые появляются в результате отказов аппаратуры и влияния помех; введение избыточных информационных символов при обработке, передаче и отображении информации. Избыток информации позволяет в той или иной мере компенсировать искажения передаваемой информации или устранять их.

Временное резервирование связано с использованием резервов времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом требуемой работы отводится время, которое заведомо больше минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т. д.

Нагрузочное резервирование - это резервирование с применением нагрузочных резервов. Оно заключается в обеспечении оптимальных запасов способности элементов выдерживать действующие на них нагрузки или во введении в систему дополнительных защитных или разгружающих элементов для защиты некоторых основных элементов системы от действующих на них нагрузок.

Указанные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к ее отдельным элементам или их группам. В первом случае резервирование называется общим, во втором - раздельным. Сочетание различных видов резервирования называется смешанным.

По способу включения резерва различают постоянное и динамическое резервирование.

Постоянное резервирование осуществляется без перестройки структуры системы при возникновении отказа ее элемента. Для такого типа резервирования характерно то, что в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, а также перерывов в работе (рис. 7.2 и 7.3).

Динамическое резервирование осуществляется с перестройкой структуры системы при возникновении отказа ее элемента.

Постоянное резервирование представляет собой параллельное или последовательное соединение элементов без использования переключающих устройств; при динамическом резервировании требуются переключающие устройства, реагирующие на отказы элементов.

Часто динамическое резервирование представляет собой резервирование замещением, при котором функции основного элемента в случае его отказа передаются резервному. Резервирование с включением резерва замещением (рис. 7.4 и 7.5) обладает следующими преимуществами:

- не нарушает режима работы резерва;

- сохраняет в большей степени надежность резервных элементов, так как при работе основных элементов они находятся в нерабочем состоянии;

- позволяет задействовать резервный элемент в цепях на несколько основных элементов.

Существенным недостатком резервирования замещением является необходимость наличия переключающих устройств. При раздельном резервировании число переключающих устройств равно числу основных элементов, что может значительно понизить надежность всей системы. Поэтому резервировать замещением целесообразно крупные узлы или всю систему, при этом надежность переключающих устройств должна быть достаточно высокой.

Распространенным видом резервирования замещением является скользящее резервирование, при котором группа основных элементов системы резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе (рис. 7.6).

В зависимости от режима работы резервных элементов до отказа основного элемента различают следующие виды резерва:

-нагруженный (один или несколько резервных элементов находятся в режиме основного элемента);

-облегченный (один или несколько резервных элементов находятся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент);

- непогруженный (один или несколько резервных элементов находятся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента).

В системах управления широко применяется мажоритарное резервирование (с использованием «голосования»). Этот способ основан на применении дополнительного элемента, называемого мажоритарным или логическим (рис. 7.7). Благодаря этому элементу можно сравнивать сигналы, поступающие от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты сравнения совпадают, то они передаются на выход устройства.

На рис. 7.7 изображено мажоритарное резервирование по принципу «2 из 3», т. е. любые два совпадающих результата из трех считаются истинными и проходят на выход устройства. По такому принципу построены многие схемы подсистем систем управления и защиты (СУЗ). Главное достоинство мажоритарного резервирования - обеспечение повышения надежности при любых видах отказов элементов и повышение достоверности информационно-логических объектов.

Резервные элементы различаются по уровню надежности. Элементы нагруженного резерва имеют тот же уровень надежности (безотказности, долговечности и сохраняемости), что и резервируемые ими основные элементы объекта, поскольку ресурс резервных элементов расходуется так же, как и основных. Элементы облегченного резерва обладают более высоким уровнем надежности, так как интенсивность расхода ресурса резервных элементов до момента включения их вместо отказавших элементов значительно ниже, чем у основных. При ненагруженном резерве ресурс резервных элементов начинает расходоваться практически только с момента включения их вместо отказавших элементов.

По способу резервирования объекта (элемента объекта) различают резервирование общее и раздельное. При общем резервировании объект резервируется в целом, вместо одного объекта предусматривается одновременная эксплуатация двух или более объектов, однотипных или аналогичных по выполняемым функциям. Этот способ достаточно простой; он широко применяется при резервировании наиболее ответственных систем. При раздельном резервировании резервируются отдельные элементы объекта или группы элементов, которые обычно встроены в объект; раздельно могут резервироваться как отдельные элементы системы, так и достаточно крупные ее части (блоки).

Динамическое резервирование может быть раздельным и общим, позволяет использовать резервные элементы не только в нагруженном, но и в облегченном и ненагруженном резерве, что, в свою очередь, позволяет сохранить ресурс резервных элементов, повысить надежность электрической системы в целом и уменьшить расход энергии.

При резервировании замещением может быть использовано скользящее резервирование, обеспечивающее требуемую надежность системы при малых затратах и незначительном увеличении ее массы и габаритов. К недостаткам динамического резервирования замещением следует отнести необходимость использования переключающих устройств, перерывов в работе при переходе на резервные элементы, а также системы поиска отказавшего элемента или блока, что снижает надежность всей резервированной системы. Этот способ целесообразно применять для резервирования достаточно крупных функциональных узлов и блоков сложных электрических систем.

Постоянное резервирование, предполагающее постоянное соединение резервных элементов с основными, отличается простотой. При таком виде резервирования не требуются переключающие устройства. В случае отказа основного элемента система продолжает работать нормально без перерыва и переключений. К недостаткам постоянного резервирования относится повышенный расход ресурса резервных элементов и изменение параметров резервируемого узла при отказе элементов. Такой тип резервирования применяется в ответственных системах, для которых недопустим даже кратковременный перерыв в работе, а также при резервировании относительно мелких элементов - узлов, блоков и элементов электронной техники СА (резисторов, конденсаторов, диодов и т. п.).

Методы резервирования

Система без резервирования имеет существенный недостаток – ее надежность всегда меньше надежности самого ненадежного элемента сис­темы.

Резервирование – это метод повышения надежности введением за­пасных (резервных) элементов, являющихся избыточными по отношению к минимальной структуре системы.

Аппаратуру с избыточными элементами называют резервированной. Эффективность резервирования определяется тем, что за счет избыточно­сти можно создать надежную аппаратуру даже из относительно ненадеж­ных элементов.

Кратностью резервирования называют число резервных элементов на один резервируемый.

Эффективность резервирования оценивается с помощью коэффици­ентов повышения надежности, определяемых как отношение показателя надежности до и после преобразования системы:

- коэффициент безотказности:

(2.30)

- коэффициент долговечности:

 (2.31)

Классическими методами являются постоянное резервирование и ре­зервирование замещением.

При постоянном резервировании резервные элементы соединяются с основными через элементы связи (ЭС). Резервные элементы работают в том же режиме, что и основные, в течение всего периода работы системы. Это способ резервирования элементов и простых узлов (рис. 2.10).

При резервировании замещением функции основного элемента пере­даются резервному только при отказе основного элемента (рис. 2.11). Этот способ применяется при резервировании крупных блоков или целых сис­тем.

Рис. 2.10. Постоянное резервирование Рис. 2.11. Резервирование замещением

В последнее время получило распространение функциональное ре­зервирование. Функциональное резервирование может работать как в ре­жиме постоянно включенного резерва, так и в режиме резервирования за­мещением. Функциональное резервирование основано:

– на способности отдельных элементов системы выполнять, помимо основных, еще и дополнительные функции;

– возможности различных элементов системы выполнять одина­ко­вые функции, но разными физическими способами.

К первому направлению можно отнести методы синтеза избыточных схем из однотипных модулей или многофункциональных элементов, до­пускающих перестроение своей структуры в случае отказа отдельных эле­ментов, например однотипные структуры.

Ко второму направлению можно отнести, например, дублирование одних блоков аппаратуры другими с различными физическими действия: электропривод самолета дублируется гидроприводом, магнитный компас на корабле дублируется радиокомпасом.

Заключение

Резервирование — эффективный метод повышения надёжности технических устройств посредством введения дополнительного числа элементов и связей по сравнению с минимально необходимым для выполнения заданных функций в данных условиях работы. Элементы минимизированной структуры устройства, обеспечивающей его работоспособность, называются основными элементами; резервными элементами называются элементы, предназначенные для обеспечения работоспособности устройства в случае отказа основных элементов. Резервирование классифицируют по ряду признаков, основные из которых — уровень резервирования, кратность резервирования, состояние резервных элементов до момента включения их в работу, возможность совместной работы основных и резервных элементов с общей нагрузкой, способ соединения основных и резервных элементов.
       По уровню резервирования его подразделяют на общее, при котором резерв предусматривается на случай отказа объекта в целом, и раздельное, при котором резервируются отдельные части объекта (блоки, узлы, элементы); возможно также сочетание общего и раздельного резервирования — так называемое смешанное резервирования. Под кратностью резервирования понимают отношение числа резервных к числу основных элементов устройства. Однократное резервирование называется дублированием.