План курсовой работы

4.2. Специальные методы повышения надежности РЭА на стадии проектирования

Если в процессе проектирования перед конструктором стоит задача повышения надежности РЭА в целом без повышения надежности комплектующих элементов, то применяют метод резервирования.

Резервирование является способом повышения надёжности путём включения резерва, предусмотренного при проектировании аппаратуры или в процессе её эксплуатации. Это эффективный способ повышения надёжности, позволяющий создавать аппаратуру, надёжность которой может быть выше надёжности входящих в неё элементов. Однако практическая реализация резервирования связана с усложнением аппаратуры, увеличением её массы, габарита, потребляемой мощности и стоимости.
Присоединение резервных элементов к основным выполняется параллельно. Существует 4 основных метода резервирования: общее, раздельное, скользящее и смешанное.
Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых называется кратностью резервирования. Резервные элементы могут быть как ремонтируемые, так и неремонтируемые. Различают однократное резервирование, т.е.дублирование, а также многократное резервирование.
Если в процессе эксплуатации аппаратуры допускается ремонт основного или резервного элемента, то в этом случае имеет место резервирование с восстановлением. При резервировании без восстановления, ремонт отказавших элементов не предусматривается.
По способу включения резерва различают постоянное резервирование и резервирование замещением.
При постоянном резервировании резервные элементы участвуют в функционировании аппаратуры наравне с основными. Следовательно, ресурс работы резервных элементов расходуется с момента включения в работу всей аппаратуры.
Так как резервные элементы функционируют наравне с основными элементами, то такой резерв называют нагруженным. Недостаток постоянного резервирования состоит в значительном увеличении объема аппаратуры, а также в том, что с появлением отказов в резерве изменяются параметры РЭА, что может привести к изменению режимов работы.
При резервировании замещением после отказа основного элемента его функции передаются резервному элементу с помощью коммутирующего устройства. Резервные элементы до включения в работу могут находиться в нагруженном, недогруженном или ненагруженном состоянии. Включение резервных элементов осуществляют вручную или автоматически.
При рассмотрении различных схем резервирования принимают два допущения. Во-первых, учитывая то, что в зависимости от поставленной задачи резервироваться может как РЭА в целом, так и отдельные ее части, под термином “резервируемый элемент” имеется в виду резервируемая РЭА или ее резервируемая часть. Во-вторых, приведенные ниже математические зависимости выведены для экспоненциального закона распределения параметров надежности, т.е. для случая, когда период приработки для аппаратуры уже закончился, а ее старение еще не наступило.

4.2.1. Общее резервирование.

Общее резервирование предусматривает подключение к резервируемой схеме идентичных ей резервных элементов. В случае общего резервирования резервируемый и резервные элементы аналогичны между собой. Схема общего постоянного резервирования показана на рис.1. Резервируемый элемент состоит из n функциональных блоков. Такую же структуру имеют и m резервных элементов, которые подключены к резервируемому элементу. Анализ схемы устройства с общим постоянным резервированием показывает, что оно может нормально функционировать, пока будет сохраняться работоспособность хотя бы одной параллельно включённой цепи.

Рис. 1. Схема общего постоянного резервирования

На основании теоремы умножения вероятностей вероятность отказа схемы общего постоянного резервирования

,
где - вероятность отказа устройства с общим постоянным резервированием;
- вероятность отказа i-го резервного или резервиру емого элемента.
Вероятность безотказной работы устройства с общим постоянным резервированием
,
где - вероятность безотказной работы устройства с общим резервированием;
- вероятность безотказной работы i-го резервного или резервируемого элемента.
Безотказная работа любого резервного или резервируемого элемента возможна лишь при безотказной работе каждого из n последовательно включенных функциональных блоков, входящих в этот элемент, поэтому
,
где - вероятность безотказной работы j-го блока в i-м резервном или резервируемом элементе.
Решая совместно два предыдущих выражения, получим
. (1)
Среднее время безотказной работы устройства с общим постоянным резервированием находится по формуле


, (2)
которая применима для устройств с любым видом резервирования.



Рис.2. Схема общего резервирования с замещением

На рис.2 показана схема общего резервирования с замещением. Логическое устройство постоянно контролирует работоспособность резервируемого элемента и в случае его отказа дает команду коммутатору на замещение отказавшего резервируемого элемента исправным резервным элементом. Резервные элементы могут находиться в нагруженном, недогруженном или ненагруженном состоянии.

Для случая общего резервирования с замещением вероятность безотказной работы и среднее время работы до отказа в нагруженном состоянии резерва определяется формулами (1) и (2).
При недогруженном состоянии резерва
,
,
где ;
- интенсивность отказов резервируемого элемента;
- интенсивность отказов резервного элемента до замещения.
При ненагруженном состоянии резерва


,
,
где - интенсивность отказов устройства до первого отказа резервируемого элемента;
- средняя наработка устройства до первого отказа резервируемого элемента.

4.2.2. Раздельное резервирование

При раздельном резервировании резервные элементы подключают к отдельным узлам или блокам РЭА.

Схема раздельного постоянного резервирования, приведенная на рис.3, имеет n основных элементов, к каждому из которых подключены m резервных элементов.

Рис. 3. Схема раздельного постоянного резервирования

Если сравнить схемы общего и раздельного резервирования с одинаковым количеством основных и резервных элементов, имеющих одинаковую надежность, то можно сделать следующий вывод. Для отказа схемы общего резервирования достаточно, чтобы в каждой цепи отказал хотя бы один элемент. Для отказа схемы раздельного резервирования необходимо, чтобы вслед за отказом какого-либо рабочего элемента отказали все резервирующие его элементы. Следовательно, раздельное резервирование является более эффективным по сравнению с общим резервированием.

Для схемы раздельного постоянного резервирования вероятность безотказной работы j-й ветви
,
где - вероятность отказа j-й группы элементов;
- вероятность отказа i-го элемента в j-й группе элементов;
- вероятность безотказной работы i-го элемента в j-й группе элементов.
Общую вероятность безотказной работы РЭА с раздельным постоянным резервированием определим, пользуясь теоремой умножения вероятностей
.(3)



Рис.4. Схема раздельного резервирования замещением

Для случая раздельного резервирования замещением при нагруженном состоянии резерва значения вероятности безотказной работы и средней наработки на отказ рассчитывают по формулам (3) и (2).

4.2.3. Скользящее резервирование

Скользящее резервирование является частным случаем резервирования замещением, когда группа резервируемых элементов аппаратуры резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе.

Скользящее резервирование применяется при наличии в аппаратуре одинаковых узлов или блоков.
На рис.5 представлена схема скользящего резервирования. Схема резервируемой РЭА состоит из n функциональных элементов, входы и выходы которых подключены к логическому устройству, контролирующего работоспособность каждого элемента. Если какой-либо функциональный элемент выходит из строя, то логическое устройство с помощью коммутатора включает в схему РЭА вместо дефектного функционального элемента один из резервных элементов р1-р4. Из общего набора резервных элементов выбирается такой, который может заменить отказавший элемент.

Рис.5. Схема скользящего резервирования

При скользящем резервировании резервные элементы не нагружены, поэтому вероятность безотказной работы устройства равна

,
где - интенсивность отказов нерезервированного устройства.
Средняя наработка на отказ может быть определена как


,

где - среднее время безотказной работы нерезервируемого устройства;

- число резервных элементов каждого типа.