Redundantie – het vergroten van de betrouwbaarheid van een object door redundantie te introduceren, d.w.z. aanvullende middelen en mogelijkheden die verder gaan dan het minimum dat nodig is om het object de toegewezen functies te laten uitvoeren.

Op verschillende technologiegebieden worden verschillende soorten redundantie gebruikt: structureel, tijdelijk, functioneel, informatief.

In de energiesector wordt vooral gebruik gemaakt van structurele redundantie. ze gebruiken redundante (back-up) structurele elementen die parallel zijn aangesloten op de belangrijkste (werkende) en deze dupliceren. In dit geval wordt het hoofdelement van de objectstructuur het element genoemd dat minimaal noodzakelijk is om het object de gespecificeerde functies te laten uitvoeren, en het back-upelement zorgt voor de bruikbaarheid van het object in het geval van een storing van het hoofdelement.

Structurele redundantie kan op verschillende manieren worden geïmplementeerd. Bij algemene reservering wordt het object als geheel gereserveerd en bij afzonderlijke reservering worden de afzonderlijke elementen ervan gereserveerd. De redundantieverhouding is de verhouding tussen het aantal reserve-elementen en het aantal hoofdelementen: K p = N res /N main.

Op basis van het aantal reserve-elementen wordt onderscheid gemaakt tussen enkele, dubbele en meervoudige reserveringen. Onder afzonderlijk voorbehoud is Kp meestal een fractionele waarde, en onder algemeen voorbehoud is het een geheel getal.
In de energiesector wordt in de regel afzonderlijke redundantie gebruikt in de vorm van duplicatie van individuele, minst betrouwbare en meest kritische elementen, bijvoorbeeld voedingswaterleidingen van stoomketels, rookafzuigers, sommige voedingswaterinstallaties, condensaatpompen en veiligheidskleppen. Voor één hoofdelement is er doorgaans één back-upelement.

Bij doorlopende reservering nemen back-upelementen op gelijke voet met het hoofdelement deel aan het functioneren van het object, en bij vervangingsreservering worden de functies van het hoofdelement pas overgedragen naar het back-upelement na het falen van het hoofdelement.

Het verschil tussen de constante opname van een reserve en een geladen vervangingsreserve kan worden geïllustreerd aan de hand van de volgende voorbeelden: de eerste omvat een reservecondensaatpomp, die continu parallel werkt met de hoofdpomp, de tweede - een stoomketel, die zich in een verwarmde toestand, maar produceert geen stoom in de stoomleiding.

De termen warme, warme en koude reserves zijn zeer nuttig in relatie tot de energiesector en worden daarom vaak gebruikt in combinatie met de door GOST aanbevolen termen, respectievelijk geladen, lichte, ongeladen reserves.

Afhankelijk van de locatie van de aansluiting van de back-up-eenheid wordt onderscheid gemaakt tussen vaste reservering, wanneer de back-up-eenheid moet worden ingevoerd in plaats van een zeer specifieke operationele eenheid, en glijdende reservering, wanneer de reserve wordt ingevoerd in plaats van een van de operationele eenheden van deze groep.

Laten we eens kijken naar de eigenschappen van enkele redundantiemethoden die typisch zijn voor elektrische apparatuur.

Het voordeel van een ongeladen reserve is de mogelijkheid om de hulpbron van de reserve-eenheid te behouden terwijl de anderen normaal werken. In de energiepraktijk heeft een onbelaste reserve echter een ernstig nadeel: in veel gevallen kan deze niet onmiddellijk in gebruik worden genomen nadat er een storing in de hoofdapparatuur is opgetreden, en daarom kunnen de voorwaarden voor het in stand houden van een bepaalde belasting tijdelijk verslechteren. Dus als een bruikbare turbine-eenheid als reserve wordt stopgezet, worden de hulpbronnen ervan niet verbruikt, maar zelfs in de meest noodsituatie zal het een zeer specifieke tijd duren om te starten. De turbine-eenheid kan ook werken met een relatief lage belasting (de zogenaamde roterende reserve), en indien nodig wordt de belasting verhoogd in een tempo dat alleen wordt beperkt door de dynamische eigenschappen van de aandrijfeenheid, maar de hulpbronnen van de eenheid worden voortdurend geconsumeerd.

In de energiesector wordt een hele groep bedrijfsapparatuur vaak ondersteund door één of meerdere eenheden. Dit is hoe turbine-eenheden worden opgenomen in het algemene energiesysteem. In kruiselings verstevigde thermische energiecentrales kan een back-upketel elke defecte ketel vervangen. Daarom is dit een voorbeeld van een rollende reserve.

Het structureel afzonderlijk reserveren van een element gebeurt op twee manieren:

a) voortdurend inschakelen van de reserve


b) reservering door vervanging

Schema a). Wanneer het constant is ingeschakeld, is het back-upelement parallel verbonden met het hoofdelement en werkt het ermee samen. Als het hoofdelement uitvalt, blijft de installatie operationeel dankzij het back-upelement, dat de volledige belasting op zich neemt. In dit geval is het niet nodig om het back-upelement in te schakelen en het defecte hoofdelement uit te schakelen, maar het back-upelement verslijt en verbruikt zijn betrouwbaarheidsbron samen met het hoofdelement.

Betrouwbaarheid van een systeem van twee identieke elementen (primair en back-up) die parallel zijn aangesloten:

λ hoofd = λ res = λ = 1/T el

Dit systeem zal falen als beide elementen tegelijkertijd falen. Volgens de totale waarschijnlijkheidsformule, gegeven de onafhankelijkheid van gebeurtenissen, de kans op falen van een systeem van twee elementen met constante inschakeling:

Q c = ∏Q ik = (1 - P i) 2 = (1 - e -λt) 2 = 1 - 2e -λt + e -2λt

Waarschijnlijkheid van een storingsvrije werking van het gespecificeerde systeem

Pc = 1 — Qc = 2 e -λt — e -2λt

MTBF

T c = ∫ P c dt = ∫ (2 e -λt — e -2λt)dt = (-2/λ e -λt + 1/2λ e -2λt) = 3/2T el

Bij constant inschakelen nam de gemiddelde systeemuptime dus met 1,5 keer toe.

Schema b). Tijdens redundantie door vervanging wordt het back-upelement uitgeschakeld en is het gereed om het defecte primaire element te vervangen (koud, warm of warm gereed).

Tegelijkertijd blijft de betrouwbaarheidsreserve van redundante elementen behouden en wordt de algehele betrouwbaarheid van het systeem vergroot, maar het is noodzakelijk om de reserve in te schakelen, waarvan ook rekening moet worden gehouden met de waarschijnlijkheid. Het inschakelen van een reserve bestaat uit het zoeken naar een storing, het uitschakelen van het defecte element, het voorbereiden en in bedrijf stellen van het reserve-element.

Uit kwantitatieve analyse is gebleken dat de gemiddelde tijd van storingsvrij functioneren van systemen bestaande uit twee elementen wanneer deze door vervanging overbodig zijn geworden, verdubbelt

Daarom verdient redundantie door elementvervanging de voorkeur. Maar de voordelen van redundantie door vervanging ten opzichte van de constante opname van een reserve-element worden verminderd, aangezien de betrouwbaarheid van opname ook minder dan 1 is, en gaan verloren naarmate deze 1,5/2 = 0,75 nadert. Bovendien moet er rekening mee worden gehouden dat het reserve-element enigszins verslijt, zelfs als het niet in gebruik is.

Soorten reserveringen

Redundantie is het gebruik van back-upmiddelen om de bruikbaarheid van een object te garanderen. Afhankelijk van het type reservefonds dat wordt gebruikt, kan reservering: functioneel, tijdelijk, informatief, structureel zijn.

Functionele redundantie– dit is een reservering die gebruik maakt van het vermogen van elementen om aanvullende functies uit te voeren, evenals het vermogen om een ​​bepaalde functie met aanvullende middelen uit te voeren.

Een dergelijke redundantie wordt vaak gebruikt voor multifunctionele systemen waarin de waarden van dezelfde parameters van de toestand van het technologische proces kunnen worden verkregen met behulp van verschillende instrumenten en op basis van verschillende berekeningen.

Tijdelijke reservering– Dit is een reservering waarbij reservetijd wordt gebruikt om een ​​bepaalde functie uit te voeren.

Tijdelijke redundantie betekent dat de werking van een systeem of apparaat kan worden onderbroken als gevolg van het uitvallen van een element. Het kost bijvoorbeeld tijd om informatie over een bepaald bedrag te verzenden T. Bij het plannen van werkzaamheden wordt voor deze handeling tijd t + tð toegewezen, waarbij tð de reservetijd is. De reservetijd kan worden gebruikt om de overdracht van informatie te herhalen of om apparatuurstoringen te elimineren. De introductie van reservetijd maakt het mogelijk om de betrouwbaarheid van de werking van een object te vergroten, maar vermindert tegelijkertijd de productiviteit ervan.

Back-up van informatie- Dit is een reservering waarbij redundante backup-informatie als reserve wordt gebruikt. Dit type reservering omvat de introductie van redundante informatiesymbolen tijdens de verzending, verwerking en weergave van informatie, bijvoorbeeld het gebruik van extra bits bij het coderen van informatie. Hiermee kunt u fouten in de informatieoverdracht (correctiecodes) detecteren en zelfs elimineren.

Structurele redundantie– dit is een reservering waarbij gebruik wordt gemaakt van reserve-elementen van de objectstructuur.

Dit type redundantie is de meest voorkomende en meest effectieve manier om de betrouwbaarheid te vergroten, omdat de fysieke betekenis ervan het meest begrijpelijk is voor de ontwikkelaar en deze methode toegankelijker is dan andere voor implementatie. Als de ontwikkelaar twijfels heeft over de betrouwbaarheid van een bepaald element van de structuur van het object, introduceert hij bovendien een reserve-element in de structuur. Hetzelfde element kan als reserve worden gebruikt, maar het vervangen van een defect element door een reserveelement veroorzaakt een groot tijdverlies en is tijdens bedrijf vaak technisch onmogelijk. Het opnemen van reserve-elementen in de structuur is een soort automatisering van het proces van het vervangen van een defect element.

Met structurele redundantie kunnen alle elementen van het systeem worden onderverdeeld in hoofd- en back-up.

Het belangrijkste element van de structuur is het element dat de opgegeven functies uitvoert.

Een reservestructuurelement is een element dat bedoeld is om het hoofdelement te vervangen.

Niet aan elk primair element kan permanent een back-upelement zijn gekoppeld. Als u bijvoorbeeld een reservebatterij permanent op de primaire batterij aansluit, verandert de prestatie van het voedingssysteem. De opname van een back-upcomputer in de structuur houdt verband met het oplossen van een aantal complexe technische problemen, bijvoorbeeld het synchroniseren van de werking van de computer, het continu monitoren van de technische staat van het systeem, het garanderen van de betrouwbaarheid van schakelapparaten, enz. Daarom zijn er verschillende methoden voor structurele redundantie voor specifieke bedrijfsomstandigheden van de faciliteit.

Structurele redundantie is verdeeld in algemeen en afzonderlijk. Bij algemeen wordt er een back-up gemaakt van het systeem als geheel, waarbij afzonderlijke, individuele elementen of hun groepen worden geback-upt.

Als de back-upelementen op dezelfde manier functioneren als de belangrijkste, is er sprake van een permanente of passieve back-up. Indien na het uitvallen van het hoofdelement een reserve in het systeem wordt ingevoerd en gepaard gaat met schakelhandelingen, is er sprake van een vervangende reservering of een actieve reservering.

Wanneer ze door vervanging overbodig zijn, kunnen de reserve-elementen zich in een geladen, verlichte of onbelaste toestand bevinden. Als het back-upelement zich in dezelfde modus bevindt als het primaire element, wordt de redundantie een geladen of hot standby genoemd; als het back-upelement zich in een minder belaste modus bevindt dan het hoofdelement, wordt de redundantie lichte of warme redundantie genoemd; als het back-upelement geen belasting draagt, wordt de redundantie een onbelaste of koude redundantie genoemd.

Bij reservering door vervanging kan dezelfde reserve worden gebruikt om een ​​aantal elementen van hetzelfde type te vervangen. Deze manier van reserveren heet rollend.

Bij het berekenen van de betrouwbaarheid wordt ervan uitgegaan dat back-upelementen altijd gereed zijn voor onmiddellijke verbinding met gebruik zodra het commando om ze te verbinden wordt ontvangen. Als een dergelijke veronderstelling niet kan worden gemaakt, wordt een reëel of een fictief schakelapparaat met zijn kenmerken (storingsvrije werking, vertragingstijd) in het berekeningsschema opgenomen.

In informatiesystemen wordt gebruik gemaakt van dynamische redundantie - dit is redundantie bij het opnieuw opbouwen van de structuur van een object wanneer een element ervan faalt. In afb. Het hoofdpad voor gegevensoverdracht wordt aangegeven door een ononderbroken lijn, mogelijke paden worden aangegeven door een stippellijn.

Structurele redundantie wordt niet alleen gebruikt om de betrouwbaarheid van het product te vergroten, maar ook om de betrouwbaarheid van de uitvoerwaarden te vergroten. Om bijvoorbeeld de betrouwbaarheid van het resultaat van een computer te vergroten, lossen twee machines hetzelfde probleem op. Het resultaat wordt als correct beschouwd als de resultaten van de twee machines overeenkomen. Deze "reservering" wordt genoemd duplicatie.

De verbinding van werkelementen kan complexer zijn dan bij duplicatie. Het aantal werkende machines kan bijvoorbeeld drie zijn. Het resultaat wordt als correct beschouwd als het overeenkomt met de resultaten van ten minste twee machines. Dit “voorbehoud” wordt meerderheidsvoorbehoud of “stemvoorbehoud” genoemd. In dit geval wordt dit een meerderheidsvoorbehoud genoemd, gebaseerd op het ‘twee uit drie’-principe.

Om de relatie tussen het aantal reserve- en hoofdelementen te karakteriseren, wordt het concept van de redundantieratio k geïntroduceerd.

De waarde k is een geheel getal wanneer gereserveerd met een veelvoud van gehele getallen, wanneer het aantal hoofdelementen gelijk is aan één. De waarde k is een fractioneel getal wanneer gereserveerd met een fractionele veelheid, wanneer het aantal hoofdelementen groter is dan één. In dit geval kan de fractie niet worden verminderd.

Redundantie is een methode om de betrouwbaarheid van het systeem te garanderen door het gebruik van extra tools en mogelijkheden die redundant zijn in verhouding tot het minimum dat nodig is om de vereiste functies uit te voeren. Redundantie kan niet alleen worden gebruikt om de betrouwbaarheid te vergroten, maar ook om de nauwkeurigheid, stabiliteit, betrouwbaarheid, enz. te vergroten. Soms wordt in plaats van de term 'redundantie' de uitdrukking 'introductie van redundantie' gebruikt. Er zijn veel overeenkomsten tussen deze concepten, maar er zijn ook verschillen, dus ze kunnen niet als synoniemen worden opgevat. Onder redundantie wordt verstaan ​​de overmaat aan gewicht, afmetingen, prestaties, kosten en andere technische en economische indicatoren van een product boven het vereiste minimum. Het is duidelijk dat de introductie van redundantie niet automatisch een verbetering in de indicatoren van betrouwbaarheid, betrouwbaarheid, enz. betekent. Om verbeteringen te bewerkstelligen is het noodzakelijk om overtollige hulpbronnen op de juiste manier te beheren, bepaalde voorwaarden en regels voor het gebruik ervan te creëren, en in sommige gevallen , speciale technische en softwarematige middelen bieden voor het bijwerken van deze bronnen. Als dit wordt bereikt, wordt de introductie van redundantie redundantie, en kunnen beide concepten als synoniemen worden beschouwd.

De soorten en methoden van redundantie zijn behoorlijk gevarieerd en hangen zowel af van het soort kenmerken dat moet worden verbeterd als van de klasse van systemen waarin redundantie wordt gebruikt. Om de betrouwbaarheid van besturingssystemen te vergroten, wordt gebruik gemaakt van structurele, functionele, tijd-, informatie- en algoritmische redundantie. Laten we dit soort reserveringen eens nader bekijken.

Structurele redundantie. Structurele redundantie (SR) is een methode om de betrouwbaarheid van technische middelen te vergroten, die bestaat uit het gebruik van aanvullende (back-up) elementen in het systeem die niet nodig zijn om de aan het systeem toegewezen functies uit te voeren, maar die door het systeem worden gebruikt na de storing van de belangrijkste elementen. Kenmerkend voor SR is dat in een ideaal betrouwbaar systeem alle back-upelementen uit het systeem kunnen worden verwijderd zonder dat de kwaliteit van het functioneren ervan achteruitgaat. Ze zijn alleen nodig als er een fundamentele mogelijkheid bestaat dat de belangrijkste elementen falen.

In tegenstelling tot een sequentieel systeem leidt bij een systeem met CP geen enkel falen van een element tot systeemfalen, aangezien de werking van het systeem wordt ondersteund door de herstructurering (herconfiguratie) van de structuur en het verbinden van back-upelementen. Een systeemstoring treedt alleen op als een storing in een van de hoofdelementen niet kan worden gecompenseerd door het tijdig aansluiten van een functioneel back-upelement (groep elementen).

Een opmerkelijke eigenschap van SR, die het wijdverbreide gebruik ervan verklaart, is dat de introductie van back-upapparatuur, waardoor het totale uitvalpercentage van elementen (primair en back-up) toeneemt, het uitvalpercentage van het systeem aanzienlijk wordt verlaagd. Als gevolg hiervan verbeteren ook andere betrouwbaarheidsindicatoren. En omgekeerd, in tegenstelling tot een sequentieel systeem, waar elke vereenvoudiging nuttig is vanuit het oogpunt van betrouwbaarheid, verslechtert vereenvoudiging door het verwijderen van overtollige elementen in een redundant systeem de betrouwbaarheidsindicatoren. In de aanwezigheid van een stroom van storingen van SR-elementen maakt dit een continue werking van het systeem mogelijk gedurende een periode die vele malen groter is dan de gemiddelde tijd tot falen van een niet-redundant systeem. In systemen die bestaan ​​uit meerdere gelijktijdig werkende apparaten met dezelfde prestaties, waarbij het uitvallen van een van de apparaten de algehele systeemprestaties vermindert, stabiliseert CP de systeemprestaties.

Om SR effectief in te kunnen zetten is het soms nodig om andere vormen van (tijdelijke) redundantie in te zetten om tijdige detectie van storingen en tijdige aansluiting van back-upapparatuur te garanderen. Informatie en algoritmische reserveringen worden voor dezelfde doeleinden gebruikt.

Structurele redundantiemethoden.

MSR's verschillen:

Op basis van de omvang van de reservering;

De verhouding tussen het aantal hoofd- en reserve-elementen;

Wijze van inschakelen van de reserve;

Bedrijfsmodus van reserve-elementen;

Methoden voor het aansluiten van back-upapparatuur.

Reservering heet algemeen als het hele sequentiële systeem is gereserveerd, afzonderlijk (element per element) als individuele elementen van een sequentieel systeem zijn gereserveerd, en groep als een groep systeemelementen is gereserveerd. Een set van hoofd- en reserve-elementen die elkaar vervangen als een van de elementen faalt, wordt een redundante groep genoemd. Bij algemene redundantie is er slechts één redundante groep in het systeem; er zijn evenveel redundante groepen als er elementen in het sequentiële systeem zijn. Bij groepsreservering heeft het aantal gereserveerde groepen een tussenwaarde. Een systeem met een structurele reserve faalt wanneer ten minste één van de redundante groepen uitvalt. In het structurele betrouwbaarheidsdiagram zijn redundante groepen in serie geschakeld, wat betekent dat de kans op een storing van een redundante groep kan worden gedefinieerd als:

Glijdende reservering of met dubbelzinnige correspondentie wordt gebruikt wanneer alle hoofdelementen van het systeem hetzelfde zijn. Reserve-elementen zijn niet toegewezen aan bepaalde hoofdelementen, maar kunnen deze allemaal vervangen.

De belangrijkste parameter van structurele redundantie is de veelheid k, wat de verhouding is tussen het totale aantal elementen van hetzelfde type n en het aantal r werkelementen dat nodig is voor het functioneren van het systeem:

De waarde van k kan een geheel getal zijn, if, en een breuk, if. In het laatste geval kan de breuk niet worden verminderd.

Volgens de methode om de reserve in te schakelen, worden ze onderscheiden:

Redundantie met altijd-aan-reserve;

Reservering met opname door vervanging.

Rijst. 4

Schema's van algemene (a) en element-voor-element (b) permanente redundantie worden getoond in Fig. 4. Bij continu inschakelen functioneren het hoofd- en back-upelement (subsystemen) gelijktijdig, vanaf het moment dat het systeem wordt ingeschakeld (Fig. 4, a en b). Permanente reservering is passief. Wanneer ingeschakeld door vervanging (Fig. 4, c en d), wat actieve redundantie is, worden back-upelementen (subsystemen) pas in gebruik genomen na het falen van de belangrijkste. Voordien bevinden ze zich in een opslagstatus (onbelaste reserve), gedeeltelijk ingeschakeld (lichtreserve) of volledig ingeschakeld (geladen reserve). Wanneer de reserve is geladen, hebben de reserve-elementen hetzelfde uitvalpercentage als de hoofdelementen, d.w.z.

Bij een onbelaste reserve is het uitvalpercentage van de reserve-elementen vele malen lager dan het uitvalpercentage van de hoofdelementen, dus hiermee kan rekening worden gehouden in de berekeningen. Lichtreserve neemt een tussenpositie in wanneer

Het vervangen van een defect primair element door een back-upelement kan handmatig, semi-automatisch of automatisch worden gedaan. In het eerste geval is er geen schakelapparatuur nodig, maar is de schakeltijd vrij lang. Voor automatisch schakelen wordt een speciale automatische omschakelaar gebruikt. Het reduceert de schakeltijden tot enkele seconden of fracties van seconden, maar is zelf uiteindelijk betrouwbaar. Bij semi-automatisch schakelen wordt een deel van de functies door de machine uitgevoerd en een ander deel door de operator.

Omdat structurele redundantie gepaard gaat met extra kosten voor back-upelementen, zouden deze laatste hun vruchten moeten afwerpen door de betrouwbaarheid van het systeem te vergroten en de verliezen als gevolg van storingen te verminderen. De gemakkelijkst te bepalen indicatoren voor redundantie-efficiëntie zijn de volgende:

waar is de winst als gevolg van een toename van de gemiddelde tijd tot falen van een redundant systeem vergeleken met de bedrijfstijd van een niet-redundant systeem; - vergelijkbare indicatoren voor het vergroten van de kans op een storingsvrije werking en het verkleinen van de kans op falen. Reservering is effectief als de indicatorwaarde langer is dan één.

Tijdelijke reservering (tijdreservering)

Tijdelijke back-up (TR) is een methode om de betrouwbaarheid te vergroten, waarbij het systeem tijdens bedrijf de kans krijgt om enige tijd te besteden, reserve genoemd, om de technische kenmerken te herstellen. De tijdreserve kan worden besteed aan het omschakelen van de structurele reserve, het opsporen en elimineren van storingen, het herhalen van werkzaamheden die door storingen ongeldig zijn geworden, en het wachten op laden in werkende staat. U kunt meerdere back-uptijdbronnen opgeven.

Tijdreserve kan worden gecreëerd door de tijd die aan het systeem is toegewezen om een ​​taak te voltooien, de zogenaamde operationele tijd, te vergroten. Het komt ook voor bij het creëren van een prestatiereserve voor het hele systeem of de afzonderlijke apparaten, en zonder de bedrijfstijd te verlengen. De prestatiereserve ontstaat op zijn beurt wanneer de snelheid van elementen toeneemt of wanneer verschillende apparaten (systemen) met dezelfde of verschillende prestaties worden geïntegreerd om een ​​gemeenschappelijke taak uit te voeren.

In systemen waarvan het resultaat wordt beoordeeld aan de hand van de hoeveelheid geproduceerd (verwerkt) product, kan een tijdsreserve worden gecreëerd ten koste van de interne reserves aan outputproducten. In ASOIU zijn dergelijke producten informatie, in energievoorzieningssystemen - elektrische energie, in watervoorzieningssystemen - watervoorraden, in machinebouwbedrijven - onderdelen, assemblages, apparaten, enz. Om voorraden op te slaan, zijn er speciale opslagapparaten voorzien: geheugenapparaten, batterijen, tanks, bunkers, enz. Totdat de voorraad is uitgeput, gaat het product naar de uitgang van het systeem en de aangrenzende systemen, zonder de gedeeltelijke “opmerking” te hebben. of zelfs volledige stopzetting van het functioneren ervan, beschouw het als efficiënt.

Een andere bron van tijdreserve is de functionele traagheid van processen die in het systeem plaatsvinden. Bij de werking van veel technische systemen zijn kleine onderbrekingen toegestaan ​​die optreden zonder verlies van de kwaliteit van de werking (zolang de gecontroleerde parameters binnen de toleranties vallen), die kunnen worden gebruikt om de functionaliteit ervan te herstellen. Geautomatiseerde procescontrolesystemen, temperatuurcontrolesystemen, verzendingscontrolesystemen, levensondersteunende systemen voor vliegtuigen en andere mobiele voertuigen, enz. hebben dergelijke eigenschappen.

Voor systemen met VR gaat een storing niet noodzakelijkerwijs gepaard met een storing van het systeem, zelfs als de elementen in serie zijn geschakeld, aangezien het mogelijk is om de functionaliteit tijdens de reservetijd te herstellen. SVR-storing is een gebeurtenis die bestaat uit een storing die onaanvaardbare gevolgen heeft of niet binnen een aanvaardbare tijd wordt verholpen. De betrouwbaarheid van het geautomatiseerde controlesysteem wordt beoordeeld aan de hand van de resultaten van het voldoen aan de vastgestelde tijdslimieten gedurende het gehele werkingstraject of van de resultaten van het voltooien van een bepaalde taak.

De taak wordt gegeven:

Volgorde en omvang van de werkzaamheden;

Vastgestelde punten voor het begin en de voltooiing van werkfasen;

Beperkingen op het gebruik van verschillende bronnen die beschikbaar zijn voor het systeem;

Beperkingen op wederzijdse hulp en interactie van verschillende apparaten.

Daarom worden taken onderscheiden:

Eentraps;

Meertraps;

Brigade;

Individueel (autonoom);

Groep;

Aankomen voordat het systeem in werking treedt (volgens schema);

Aankomst tijdens de werking van het systeem (op willekeurige tijdstippen volgens verzoeken). De voltooiing van een taak is een gebeurtenis die bestaat uit de voltooiing van een bepaalde hoeveelheid werk met vastgestelde beperkingen op het tijdstip van voltooiing van al het werk en hun individuele fasen, en wanneer aan de vereisten voor de kwaliteit en het ritme van het systeem wordt voldaan. Overtreding van vastgestelde eisen en beperkingen wordt beschouwd als een mislukking van de bedrijfsvoering. Daarom kan een falen van een besturingssysteem worden gedefinieerd als een gebeurtenis die onmiddellijk of met enige vertraging leidt tot het niet voltooien van een taak, tot het mislukken van de werking.

Om tekenen van CVR-storingen te identificeren, is het noodzakelijk om statistieken van tijdverlies bij te houden en speciale metingen uit te voeren, bijvoorbeeld van productvoorraden in opslagapparaten. Structureel, in algemene vorm, kan het tijdmanagementsysteem worden beschouwd als een combinatie van het oorspronkelijke object en de tijdreserve (Fig. 5).

Na een systeemstoring treedt de tijdreserve in werking. Systeemstoringen kunnen verschillende gevolgen hebben. Als een mislukking slechts een vertraging in de voltooiing van de taak veroorzaakt, maar niet leidt tot herhaling van het werk, wordt dit niet-beperkend of niet-destructief genoemd. Anders wordt het depreciërend of destructief genoemd. De afschrijving van verrichte werkzaamheden kan geheel of gedeeltelijk zijn. Vanwege de aanwezigheid van afschrijvingsfouten wordt de gehele bedrijfstijd van het systeem verdeeld in nuttig en afgeschreven. De nuttige bedrijfstijd is de bedrijfstijd die niet wordt afgeschreven door systeemstoringen, en de gedevalueerde bedrijfstijd is de bedrijfstijd die niet is inbegrepen in de nuttige bedrijfstijd. Tijdreservering wordt veel gebruikt in computers, computernetwerken en communicatiesystemen. Het gebruik van VR is vooral effectief bij het tegengaan van storingen en interferentie. Het wordt vaak gebruikt om de efficiëntie van andere vormen van redundantie te verbeteren.

Rijst. 5

Methoden voor tijdreservering

De classificatie van structurele reserveringsmethoden kan gedeeltelijk worden uitgebreid naar tijdelijke reserveringsmethoden. Onder de VR-methoden kan men algemene, afzonderlijke, groeps-, gehele en fractionele veelheid onderscheiden. Bij algemene reservering kan de aangemaakte tijdreserve door elk onderdeel van het systeem worden gebruikt. Bij aparte VR wordt ieder element voorzien van een eigen tijdreserve, die niet door andere elementen gebruikt kan worden. In groep VR is de tijdreserve bedoeld voor elk element in deze groep en kan niet worden gebruikt door elementen buiten de groep. De VR-multipliciteit is de verhouding tussen de hoeveelheid tijdreserve en de minimale tijd voor het voltooien van de taak. Het kan geheel of gedeeltelijk zijn.

Als het mogelijk is om tijdens de werking van een systeem met een tijdreserve (SVR) te vergroten, wordt er onderscheid gemaakt tussen een niet-aanvulbare en een aangevulde tijdreserve. Een niet-aanvulbare tijdsreserve wordt vooraf, vóór aanvang van de werkzaamheden, aangelegd en neemt niet toe tijdens de voltooiing van de taak. Wanneer alle elementen van het systeem in goede staat verkeren, verandert de huidige waarde van de tijdreserve niet, en in het geval van elementstoringen kan deze abrupt afnemen (met afnemende storingen) of lineair afhankelijk van de tijd waarop het systeem niet operationeel is. De aangevulde reserve neemt toe volgens een bepaalde wet wanneer het hele systeem in goede staat verkeert, maar ook tijdens het herstel van de functionaliteit van enkele defecte elementen. De onmiddellijk aangevulde reserve wordt met een sprong hersteld naar het oorspronkelijke niveau, onmiddellijk nadat de reparatie is voltooid. Beide soorten tijdreserve kunnen in hetzelfde systeem worden gebruikt - dan wordt het gecombineerd of gemengd genoemd. Bij het maken van een losse of groepsreservering kunnen aanvullende beperkingen worden gesteld aan de wijze van aanvullen en benutten van de tijdreserve. In dit geval wordt het een reserve met complexe beperkingen genoemd.

Net als bij structurele redundantie wordt er, afhankelijk van het type structuur, onderscheid gemaakt tussen SVR's met seriële, parallelle, serie-parallelle aansluiting van elementen, en SVR's met een netwerkstructuur. Er zijn hier echter enkele eigenaardigheden. Er zijn dus twee soorten serieschakelingen: basis- en meerfasig. Met de hoofdaansluiting zijn er geen productopslagapparaten in het systeem (afb. 6, a).

Rijst. 6

Bij een meerfasige aansluiting is er minimaal één opslagapparaat in het systeem aanwezig. Het aantal fasen wordt bepaald als het aantal aandrijvingen met één wordt verhoogd (Fig. 6, b). Parallelle verbinding heeft ook twee typen: redundant en meerkanaals. Bij een back-upverbinding zijn er duidelijke verschillen tussen het primaire en back-upelement. Functionele hoofdelementen zijn in bedrijf. Reserve-elementen worden, ongeacht de modus (geladen, ongeladen, licht), niet in gebruik genomen terwijl de hoofdelementen operationeel zijn (Fig. 6, c). Bij een meerkanaalsverbinding is er geen onderscheid tussen primaire en back-upelementen. Alle parallel verbonden elementen nemen deel aan het werk en de resultaten van hun werk worden op de een of andere manier gebruikt bij het vormen van de resultaten van het hele systeem. Als de elementen worden gekenmerkt door prestaties (doorvoer, snelheid, vermogen, etc.), dan kan bij een systeem met een meerkanaalsverbinding van elementen een prestatiereserve worden gecreëerd, in tegenstelling tot een systeem met het minimaal vereiste aantal elementen ( Afb. 6d). Voorbeelden van SVR met serie-parallelle en parallel-serieschakeling van elementen worden getoond in Fig. 6, dz. Complexere structuren kunnen recursief worden gebouwd.

Functionele redundantie

Functionele redundantie (FR) is een methode om de betrouwbaarheid te vergroten, waarbij gebruik wordt gemaakt van de eigenschappen van technische systemen (maar ook van levende organismen, biologische en sociale systemen) om een ​​storingsvrije werking te garanderen in het geval van elementstoringen als gevolg van de herverdeling van functies en meer intensieve werking van elementen die alleen hun hoofdfuncties vervulden tot ze faalden. Ze zijn slechts tijdelijk in staat aanvullende functies uit te voeren, en dit kan gepaard gaan met enige verslechtering van de algehele kwaliteit van het werk, maar binnen aanvaardbare grenzen. Met FD zijn er geen “extra” elementen in het systeem; ze zijn allemaal nodig om de vereiste reeks functies uit te voeren. Een kenmerkend kenmerk van dit soort redundantie is juist het feit dat zelfs uit een ideaal betrouwbaar systeem geen enkel element verwijderd kan worden zonder een herverdeling van de functies van de elementen en een voortdurende toename van hun functionele belasting te veroorzaken, eventueel met een overgang naar moeilijkere bedrijfsmodi.

Het gebruik van DF gaat meestal gepaard met de introductie van informatie en algoritmische redundantie.

Back-up van informatie

In moderne besturingstechnologie en informatiecomputertechnologie worden informatieredundantie en informatieredundantie gebruikt om veel kenmerken te verbeteren. Het beïnvloedt indicatoren van betrouwbaarheid, betrouwbaarheid van informatieverwerking en -overdracht, nauwkeurigheid van berekeningen en productiviteit. Methoden voor het introduceren van informatieredundantie zijn zeer divers. Er bestaat informatieredundantie in de vorm van redundantie van de interne informatietaal van apparaten voor gegevensverwerking en -overdracht, in de vorm van redundantie van ruisbestendige codes. Het kan zowel worden geïntroduceerd als redundantie van data-arrays als onderdeel van een databestand, als als redundantie van de bestandsstructuur in het computergeheugen. Het is veilig om te zeggen dat het zonder informatieredundantie in een of andere vorm onmogelijk is om enig informatieproces in een geautomatiseerd informatiesysteem voor te stellen. Zonder informatieredundantie kunnen andere soorten reserveringen vaak niet worden gebruikt. Zonder stil te staan ​​bij de indirecte manieren waarop informatieredundantie de betrouwbaarheidsindicatoren beïnvloedt, zullen we alleen de belangrijkste manieren van directe beïnvloeding bespreken. Informatieredundantie (AI) vermindert:

Stroom van systeemfouten, aangezien alle elementfouten systeemfouten worden; als de gevolgen van het falen van een element kunnen worden geëlimineerd met behulp van AI, wordt dit niet als een systeemfout beschouwd;

Hersteltijd door het verminderen van de hoeveelheid werk die door mislukkingen wordt gedevalueerd; tegelijkertijd neemt de tijd die wordt besteed aan het herhalen van het afgeschreven deel van het werk af en neemt de nuttige bedrijfstijd toe;

Hersteltijd door de tijd te verkorten die nodig is om een ​​fout te detecteren en op te lossen.

Algoritmische reservering (AR)

Om de taken uit te voeren waarmee het systeem wordt geconfronteerd, is het niet alleen noodzakelijk om over een bepaalde hoeveelheid informatie te beschikken over de aard en omstandigheden van de taak, over de processen die plaatsvinden in het systeem en de omgeving, maar ook om de verwerking van deze informatie op een adequate manier te garanderen. in overeenstemming met de functionerende algoritmen. Elk systeem kan worden geassocieerd met een algoritme van minimale complexiteit. Alle andere algoritmen die een extra aantal operators bevatten, zijn redundant ten opzichte van het minimumalgoritme. AR wordt geïntroduceerd om interferentie en willekeurige storingen te ondervangen die met name worden veroorzaakt door defecten aan hardware-elementen. Het wordt gebruikt in interactie met andere soorten reserveringen en is in sommige gevallen een noodzakelijke voorwaarde voor de implementatie ervan.

4 Berekening van de betrouwbaarheid van niet-herstelbare systemen met constante reserve

Algemene constante reservering met een geheeltallig veelvoud. De faalkans Q p van t elementen die parallel werken bij r = 1 wordt bepaald door uitdrukking (2), vandaar voor even betrouwbare elementen

Hoe lager de faalkans van elk element, hoe hoger de effectiviteit van continue redundantie. Dus als q = 0,1 en 0,01, en k = 1, dan zal de winst bij het verminderen van de faalkans tijdens redundantie respectievelijk 10 en 100 zijn redundantiefactor k en de duur van de werking van elementen t exponentieel de wet van verdeling van de tijd van hun storingsvrije werking. Als het uitvalpercentage van elk element, dan hebben we volgens (1.12), (1.21), (1.22)

Grafieken van veranderingen in P P (t/) en p (t/)/ afhankelijk van de redundantieverhouding en de duur van de systeemwerking worden weergegeven in Fig. 7. Ze laten zien dat constante reservering effectief is in de beginfase van de systeemwerking, wanneer t.

Voor een groep overtollige elementen betekent dit de tijd tot falen

Rijst. 7

De werking van de beschouwde groep redundante elementen wordt gekenmerkt door een opeenvolgende overgang naarmate er storingen optreden van m werkelementen naar m-1, m-2 en verder naar één, het falen van laatstgenoemde leidt tot het falen van de hele groep. Deze reeks overgangen wordt geïllustreerd door de grafiek in figuur 2. 8. Op willekeurige tijdstippen t 1, t 2, enz. treden elementstoringen op, het aantal werkende elementen n(t) neemt geleidelijk af. Omdat in elk van de secties T 1 = t 1, T 2 = t 2 - t 1, etc. de gezamenlijke werking van t, t-1, etc. elementen plaatsvindt, dan willekeurige tijdsintervallen T 1, T 2, ...,T t hebben een exponentiële verdeling met respectievelijk faalpercentages m, (t-1), ... en gemiddelde duur 1 = 1/(m), 2 = 1/[(t-1)], = 1/. Sindsdien wordt de waarde van de gemiddelde tijd tot falen van een groep redundante elementen bepaald als 1/(m)+1/[(t-1)]+ 1/.

Rijst. 8

Redundantie van tweepolige elementen. In de meeste gevallen zijn back-upelementen parallel verbonden met de hoofdelementen. Wanneer u echter onderscheid maakt tussen soorten storingen, kan redundantie voor elk ervan worden uitgevoerd met behulp van verschillende methoden voor het inschakelen van reserve-elementen. Het meest kenmerkende in dit opzicht is de redundantie van elementen in geval van storingen zoals “open” en “kortsluiting” (SC). Voor elementen van het tweepolige relaistype die twee mogelijke toestanden 1 en 0 hebben, komen deze storingen overeen met niet-werking bij aanwezigheid van een stuursignaal en foutieve werking bij afwezigheid daarvan.

Bij het in serie verbinden van relaiselementen (Fig. 9, a) leidt het falen van een van de elementen tot de afwezigheid van een circuit tussen de punten a en b. Voor dit type storing is de serieschakeling van relaiselementen dus eenvoudig. Bij valse uitschakelingsfouten is de serieschakeling redundant, omdat dit type circuitstoring alleen optreedt als twee elementen uitvallen.

Rijst. 9

Uit wat is overwogen volgt hieruit dat twee structurele diagrammen overeenkomen met dezelfde verbinding van elementen voor dit soort storingen. Wanneer relaiselementen in serie worden aangesloten, wordt redundantie geboden voor fouten van het kortsluitingstype. Als de kans op dit soort storingen voor elk element q is, dan is B a = q/q 2 = q -1. Voor storingen zoals een open circuit, dat wil zeggen, leidt de sequentiële aansluiting van relaiselementen tot een toename van de kans op storingen zoals een open circuit. Wanneer relaiselementen parallel zijn aangesloten (Fig. 9,b), wordt redundantie geboden voor storingen van het open type met een efficiëntie van B Q = 1/q, en voor storingen van het kortsluittype wordt de betrouwbaarheid verminderd.

Fractionele redundantie. Met fractionele redundantie kan het systeem functioneren als r van n vergelijkbare elementen die parallel werken, in werkende staat zijn. Het systeem faalt als het aantal mislukte elementen z is. Met behulp van de statusopsommingsmethode bepalen we de faalkans van een dergelijk systeem

In elke toestand is het aantal werkzame elementen n - z, en dus de waarschijnlijkheid van deze toestand

waarbij C n z = n!/ het aantal combinaties van n elementen in z is, en 0! = 1; =1. Bij<<1 .

Met een exponentiële wet van verdeling van de storingsvrije bedrijfstijd en uitvalpercentages van elk element

Omdat het systeem zonder reserve r bedieningselementen bevat, is de faalkans van het oorspronkelijke systeem bij het beoordelen van de effectiviteit van de reservering 1-(1-q) r. Dus als het systeem drie parallelle bedieningselementen bevat en r = 2, dan bij q = 0,1, k = 1/2, m = 2 volgens (11)

Een vorm van permanente reservering met een fractionele veelheid is reservering met meerderheidsstemming (meerderheid). Een blokdiagram van een systeem dat deze redundantiemethode gebruikt, wordt getoond in Fig. 10. Een oneven aantal elementen werkt parallel, hun uitgangssignalen x 1, x 2,..., x n worden naar de ingang van het stemelement Г (quorumelement) gestuurd, waarvan het uitgangssignaal samenvalt met het signaal van de meeste elementen. Systemen met dit type redundantie gebruiken meestal drie elementen, minder vaak vijf. Om het systeem operationeel te laten zijn, is de juiste werking van de meeste elementen noodzakelijk. Systeemstoring treedt op wanneer het aantal storingen z m = (n + 1)/2.

Rijst. 10

Rijst. 11

De faalkans van een systeem met meerderheidsredundantie met n = 3 en n = 5 even betrouwbare elementen volgens (10) is respectievelijk:

Q3 = 3q2 - 2q3; Q5 = 10q 3 - 15q 4 + 6q 5. (12)

De efficiëntie van deze reserveringsmethode voor n=3 is B Q = q/(3q 2 - 2q 3) = 1/(3q - 2q 2). Als q< 0,5, резервирование эффективно, при q = 0,5 надежность системы при резервировании не изменяется, а при q >0,5 redundantie leidt tot een afname van de betrouwbaarheid.

Meerderheidsredundantie wordt veel gebruikt in beveiligingssystemen voor reactoren en verwarmingsapparatuur. Dus het systeem van bescherming tegen overdruk in de keteltrommel, getoond in Fig. 11a, omvat elektrische contactmanometers M1, M2, M3, vermogensrelais CP en elektrische overdrukklep K. Het beveiligingssysteem wordt geactiveerd wanneer de contacten van twee van de drie manometers gesloten zijn. Het aansluitschema voor manometercontacten wordt getoond in Fig. 11, geb. Er vloeit stroom door de wikkeling van het CP-vermogensrelais wanneer twee paar contacten gesloten zijn; in dergelijke systemen is geen speciaal quorumelement vereist. Storingen van het type “valse activering” of “niet-werking” in het systeem treden op met overeenkomstige storingen van twee van de drie manometers, d.w.z. deze back-upmethode is even betrouwbaar voor beide soorten storingen.

Rijst. 12

Reservering per element. De betrouwbaarheid van een systeem dat groepen elementen of individuele elementen bevat met redundantie per element, wordt berekend met behulp van de algemene formules voor constante redundantie (1), (2), (10). Dus als het systeem bestaat uit n secties met element-voor-element redundantie van gehele getallen k i , dan is de kans op een storingsvrije werking van het systeem

waarbij q ij de faalkans is van het j-de element dat is opgenomen in de i-de redundantiesectie.

Om de effectiviteit van algemene en element-voor-element redundantie te vergelijken, vergelijken we de faalkansen van twee systemen die hetzelfde n(k+1) aantal even betrouwbare elementen bevatten (Fig. 12). In het eerste geval (Fig. 12, a) wordt een algemene redundantie van een systeem van n elementen met een veelvoud van k uitgevoerd, in het tweede geval (Fig. 1 2, b) met redundantie per element, elk van de n elementen van het systeem heeft k reserve-elementen.

Waarschijnlijkheid van systeemstoring bij gedeelde redundantie

Ervan uitgaande dat de faalkans van elk element q<<1 и (1- q) n 1 - nq, получаем. Для раздельного резервирования, используя (13) и считая q<<1, получаем

De efficiëntie van een element-voor-element reservering vergeleken met de algemene reservering zal nk zijn. Met toenemende diepte n en veelvoud k van redundantie neemt de efficiëntie ervan toe. Het gebruik van element-voor-element redundantie gaat gepaard met de introductie van extra verbindingselementen die een beperkte betrouwbaarheid hebben. In dit opzicht is er een optimale redundantiediepte n opt; met n>n opt neemt de efficiëntie van de redundantie af.

Soorten reserveringen

Om de vereiste betrouwbaarheid te garanderen, is het in de ontwerpfase van een zonne-energiecentrale in veel gevallen noodzakelijk om op zijn minst individuele elementen en zelfs individuele systemen te dupliceren, d.w.z. gebruik reservering.

Redundantie wordt gekenmerkt door het feit dat het de betrouwbaarheid van het systeem vergroot in vergelijking met de betrouwbaarheid van de samenstellende elementen. Het vergroten van de betrouwbaarheid van individuele elementen vereist grote materiaalkosten.

Onder deze omstandigheden is redundantie, bijvoorbeeld door de introductie van aanvullende elementen, een effectief middel om de vereiste betrouwbaarheid van systemen te garanderen.

Als bij het in serie schakelen van elementen de algehele betrouwbaarheid van het systeem (d.w.z. de kans op een storingsvrije werking) lager is dan de betrouwbaarheid van het meest onbetrouwbare element, dan kan bij redundantie de algehele betrouwbaarheid van het systeem hoger zijn dan de betrouwbaarheid van het meest betrouwbare element.

Redundantie wordt bereikt door redundantie te introduceren. Afhankelijk van de aard hiervan is reserveren:

Structureel (hardware);

Informatief;

Tijdelijk.

Structurele redundantie ligt in het feit dat extra elementen, apparaten worden geïntroduceerd in de minimaal vereiste versie van een systeem dat uit basiselementen bestaat, of zelfs in plaats van één systeem, het gebruik van meerdere identieke systemen wordt geboden.

Back-up van informatie impliceert het gebruik van overbodige informatie. Het eenvoudigste voorbeeld is de herhaalde verzending van hetzelfde bericht via een communicatiekanaal. Een ander voorbeeld zijn de codes die in besturingscomputers worden gebruikt om fouten als gevolg van hardwarestoringen en storingen op te sporen en te corrigeren.

Tijdelijke reservering impliceert het gebruik van overtollige tijd. Het hervatten van de werking van het systeem, onderbroken als gevolg van een storing, gebeurt door het te herstellen als er een bepaalde tijd is.

Er zijn twee methoden om de systeembetrouwbaarheid te vergroten door middel van structurele redundantie:

1) algemene redundantie, waarbij het systeem als geheel redundant is;

2) afzonderlijke (element-voor-element) redundantie, waarbij afzonderlijke delen (elementen) van het systeem worden gereserveerd.

Schema's van algemene en afzonderlijke structurele redundantie worden respectievelijk weergegeven in figuur 1. 5.3 en 5.4, waarbij n het aantal opeenvolgende elementen in het circuit is, is m het aantal back-upcircuits (met algemene redundantie) of reserve-elementen voor elke hoofdcircuit (met afzonderlijke redundantie).

Wanneer m = 1 vindt duplicatie plaats, en wanneer m = 2 vindt verdrievoudiging plaats. Meestal proberen ze waar mogelijk afzonderlijke redundantie te gebruiken, omdat Bovendien wordt de winst in betrouwbaarheid vaak behaald tegen aanzienlijk lagere kosten dan bij algemene redundantie.

Afhankelijk van de wijze van opname van reserve-elementen wordt onderscheid gemaakt tussen vaste reservering, vervangende reservering en glijdende reservering.

Permanente reservering – Dit is een reservering waarbij back-upelementen samen met de belangrijkste deelnemen aan de werking van de faciliteit. In het geval van een storing van het hoofdelement zijn er geen speciale apparaten nodig om het back-upelement te activeren, aangezien het gelijktijdig met het hoofdelement in gebruik wordt genomen.

Reservering door vervanging – Dit is een redundantie waarbij de functies van het primaire element pas worden overgedragen naar het back-upelement nadat het hoofdelement uitvalt. Wanneer redundantie door vervanging nodig is, zijn bewakings- en schakelapparatuur nodig om het falen van het hoofdelement te detecteren en van het hoofdelement naar het back-upelement over te schakelen.

Doorlopende reservering – is een type reservering door vervanging, waarbij de hoofdelementen van een object worden ondersteund door elementen, die elk elk defect element kunnen vervangen.

Beide soorten reserveringen (permanent en vervangend) hebben hun voor- en nadelen.

Het voordeel van permanente reservering is de eenvoud, want in dit geval zijn er geen bewakings- en schakelapparatuur nodig, die de betrouwbaarheid van het systeem als geheel verminderen, en, belangrijker nog, er is geen onderbreking in de werking. Het nadeel van constante redundantie is de verstoring van de werkingsmodus van de back-upelementen in het geval van uitval van de belangrijkste.

Het mogelijk maken van een reserve door vervanging heeft het volgende voordeel: het verstoort de werking van reserve-elementen niet, behoudt de betrouwbaarheid van reserve-elementen in grotere mate en maakt het gebruik van één reserve-element voor meerdere werknemers mogelijk (met glijdende reservering).

Afhankelijk van de werkingsmodus van de reserve-elementen wordt onderscheid gemaakt tussen geladen (warme) en onbelaste (koude) reserve.

Geladen (warme) reserve in de energiebranche wordt het ook wel roterend of geschakeld genoemd. In deze modus bevindt het back-upelement zich in dezelfde modus als het hoofdelement. De hulpbron van de reserve-elementen begint te worden verbruikt vanaf het moment dat het hele systeem in gebruik wordt genomen, en de waarschijnlijkheid van een storingsvrije werking van de reserve-elementen hangt in dit geval niet af van het moment waarop ze in gebruik worden genomen.

Lichtgewicht (warme) reserve gekenmerkt door het feit dat het reserve-element zich in een minder belaste modus bevindt dan het hoofdelement. Hoewel de hulpbronnen van de reserve-elementen ook beginnen te worden verbruikt vanaf het moment dat het hele systeem wordt ingeschakeld, is de snelheid van het hulpbronnenverbruik van de reserve-elementen totdat ze worden ingeschakeld in plaats van de defecte elementen aanzienlijk lager dan onder bedrijfsomstandigheden. . Dit type reserve wordt meestal geplaatst op eenheden die stationair draaien, en daarom wordt in dit geval de bron van de reserve-elementen minder gebruikt

vergeleken met bedrijfsomstandigheden waarbij de units een last dragen. De waarschijnlijkheid van een storingsvrije werking van reserve-elementen in het geval van dit type reserve zal zowel afhangen van het moment van activering als van hoe verschillend de distributiewetten van de waarschijnlijkheid van hun storingsvrije werking zijn in bedrijfs- en back-upomstandigheden.

In het geval dat onbelaste (koude) reserve back-upelementen beginnen hun bronnen te verbruiken vanaf het moment dat ze in gebruik worden genomen in plaats van de belangrijkste. In de energiesector wordt dit type reserve doorgaans gebruikt door losgekoppelde eenheden.

Betrouwbaarheidsberekeningen voor systemen met parallel geschakelde elementen zijn afhankelijk van de redundantiemethode.

Betrouwbaarheid van systemen met constante algemene redundantie

We gaan ervan uit dat de gereserveerde en back-upelementen even betrouwbaar zijn, d.w.z. En . Gemakshalve worden de waarschijnlijkheid van een storingsvrije werking en het optreden van storingen van afzonderlijke elementen in dit en de volgende hoofdstukken met hoofdletters aangegeven.

Rekening houdend met het equivalente circuit (Fig. 5.5) en formule (5.18), kan de faalkans van een systeem met m back-upcircuits als volgt worden berekend:

, (5.22)

waarbij (t) de faalkans van het hoofdcircuit is, is de faalkans van het i-de back-upcircuit.

Dienovereenkomstig de waarschijnlijkheid van een storingsvrije werking van het systeem

(5.23)

In overeenstemming met formule (5.8) hebben we dat gedaan

(5.24)

Met gelijke kansen op uitval van de hoofd- en back-upcircuits formules (5.22) en (5.23) hebben de vorm:

, (5.25)

. (5.26)

Gemiddelde systeemuptime met algemene redundantie

(5.27)

waar is het uitvalpercentage van het systeem, is het uitvalpercentage van elk van de (m+1) circuits, is het uitvalpercentage van het i-de element.

Voor een systeem van twee parallelle circuits (m=1) heeft formule (5.27) de vorm

De gemiddelde systeemhersteltijd in het algemene geval wordt bepaald door de formule

, (5.29)

waar is de gemiddelde hersteltijd van de i-de keten.

Voor het speciale geval m = 1 heeft formule (5.29) de vorm

Voorbeeld 5.2

Bereken de kans op een storingsvrije werking gedurende 3 maanden, het uitvalpercentage en de gemiddelde tijd tussen storingen van een bovengrondse lijn met één circuit van lengte l= 35 km samen met een 110/10 kV spanningstransformator en schakelapparatuur (Fig. 5.6).

Het bvan de SES in kwestie is een sequentiële structuur (Fig. 5.7).

Faalpercentages van elementen zijn uit de tabel gehaald. 3.2:

; ;

; ;

; .

Volgens formule (5.7) bepalen we het uitvalpercentage van het voedingscircuit:

Uit deze berekening blijkt dat de dominante invloed op het falen van circuits de schade aan de bovenleiding is. Gemiddelde tijd tussen storingen van een stroomcircuit

Waarschijnlijkheid van een storingsvrije werking van het circuit voor t = 0,25 jaar.

In overeenstemming met GOST 27.002 - 89 is redundantie het gebruik van aanvullende middelen en (of) mogelijkheden om de operationele staat van een object te behouden in het geval van falen van een of meer van zijn elementen. Redundantie is dus een effectieve methode om de betrouwbaarheid van een object te vergroten door redundantie te introduceren. Op zijn beurt is redundantie aanvullende middelen en (of) mogelijkheden die verder gaan dan het minimum dat een object nodig heeft om gespecificeerde functies uit te voeren. De introductie van redundantie zorgt ervoor dat een object normaal functioneert nadat er een storing in zijn elementen is opgetreden.

Redundantiemethoden zijn onderverdeeld op basis van het type redundantie, de methode voor het verbinden van elementen, de veelheid van redundantie, de methode voor het inschakelen van de reserve, de werkingsmodus en de herstelbaarheid (Fig. 7.1).

Bijkomende middelen en mogelijkheden voor redundantie omvatten elementen die in de systeemstructuur zijn geïntroduceerd als back-up, functionele en informatieve hulpmiddelen en mogelijkheden, het gebruik van overtollige tijd en reserves aan laadcapaciteit. Op basis van het type aanvullende fondsen worden de volgende soorten reserveringen onderscheiden.

Functionele redundantie is een redundantie waarbij een bepaalde functie op verschillende manieren en met verschillende technische middelen kan worden uitgevoerd. Om bijvoorbeeld de functie van het verzenden van informatie naar een geautomatiseerd controlesysteem uit te voeren, kunnen radiokanalen, telegraaf, telefoon en andere communicatiemiddelen worden gebruikt; daarom worden in dit geval de gebruikelijke gemiddelde betrouwbaarheidsindicatoren (gemiddelde tijd tussen storingen, waarschijnlijkheid van een storingsvrije werking, enz.) niet-informatief en onvoldoende geschikt. De meest geschikte voor het beoordelen van de functionele betrouwbaarheid zijn de waarschijnlijkheid van het uitvoeren van een bepaalde functie, de gemiddelde tijd om een ​​functie te voltooien en de gereedheidsratio voor het uitvoeren van een bepaalde functie.

Informatieredundantie is redundantie waarbij gebruik wordt gemaakt van informatieredundantie. Voorbeelden van een dergelijke reservering zijn: meervoudige verzending van hetzelfde bericht via een communicatiekanaal; het gebruik van verschillende codes bij het verzenden van informatie via communicatiekanalen die fouten detecteren en corrigeren die optreden als gevolg van apparatuurstoringen en de invloed van interferentie; introductie van redundante informatiesymbolen bij het verwerken, verzenden en weergeven van informatie. Overtollige informatie maakt het mogelijk om vervormingen in verzonden informatie tot op zekere hoogte te compenseren of te elimineren.

Tijdreservering gaat gepaard met het gebruik van tijdreserves. In dit geval wordt ervan uitgegaan dat de tijd die het object krijgt om de vereiste werkzaamheden uit te voeren uiteraard meer is dan het minimaal vereiste. Tijdreserves kunnen worden gecreëerd door de productiviteit van een object, de traagheid van zijn elementen, enz. te vergroten.

Belastingredundantie is redundantie waarbij gebruik wordt gemaakt van belastingreserves. Het bestaat uit het verzekeren van optimale reserves van het vermogen van elementen om de belastingen te weerstaan ​​die erop inwerken, of uit het introduceren van extra beschermende of ontlastende elementen in het systeem om enkele van de belangrijkste elementen van het systeem te beschermen tegen de belastingen die erop inwerken.

Dit soort redundantie kan worden toegepast op het systeem als geheel, of op de afzonderlijke elementen of hun groepen. In het eerste geval wordt de reservering algemeen genoemd, in het tweede geval afzonderlijk. De combinatie van verschillende soorten reserveringen wordt gemengd genoemd.

Op basis van de wijze van inschakelen van de reserve wordt onderscheid gemaakt tussen permanente en dynamische reserve.

Permanente redundantie wordt uitgevoerd zonder de systeemstructuur te herstructureren in het geval van een storing van een element ervan. Dit type redundantie wordt gekenmerkt door het feit dat in het geval van een storing van het hoofdelement geen speciale apparaten nodig zijn om het back-upelement te activeren, evenals onderbrekingen in de werking (Fig. 7.2 en 7.3).

Dynamische redundantie wordt uitgevoerd bij de herstructurering van de systeemstructuur wanneer een element ervan faalt.

Permanente redundantie is een parallelle of seriële verbinding van elementen zonder gebruik van schakelapparatuur; dynamische redundantie vereist schakelapparaten die reageren op elementstoringen.

Vaak is dynamische redundantie een vervangingsredundantie, waarbij de functies van het primaire element in het geval van een storing worden overgedragen naar het back-upelement. Reservering met opname van reserve door vervanging (Fig. 7.4 en 7.5) heeft de volgende voordelen:

Schendt de reservebedrijfsmodus niet;

Behoudt de betrouwbaarheid van back-upelementen in grotere mate, omdat wanneer de hoofdelementen in werking zijn, ze niet werken;

Hiermee kunt u een reserve-element gebruiken in circuits van verschillende hoofdelementen.

Een belangrijk nadeel van redundantie door vervanging is de noodzaak van schakelapparaten. Bij afzonderlijke redundantie is het aantal schakelapparaten gelijk aan het aantal hoofdelementen, wat de betrouwbaarheid van het gehele systeem aanzienlijk kan verminderen. Daarom is het raadzaam om grote eenheden of het hele systeem te reserveren voor vervanging, terwijl de betrouwbaarheid van de schakelapparaten vrij hoog moet zijn.

Een veel voorkomend type vervangingsredundantie is rollende redundantie, waarbij een groep hoofdsysteemelementen wordt ondersteund door een of meer redundante elementen, die elk elk defect hoofdelement in deze groep kunnen vervangen (Fig. 7.6).

Afhankelijk van de werkingsmodus van de reserve-elementen vóór het falen van het hoofdelement, worden de volgende soorten reserves onderscheiden:

Geladen (een of meer back-upelementen bevinden zich in de primaire elementmodus);

Lichtgewicht (een of meer back-upelementen bevinden zich in een minder geladen modus dan het hoofdelement);

Ongeladen (een of meer reserve-elementen bevinden zich in de ontladen-modus voordat ze de functies van het hoofdelement beginnen uit te voeren).

Meerderheidsreservering (met behulp van “stemmen”) wordt veel gebruikt in managementsystemen. Deze methode is gebaseerd op het gebruik van een extra element dat meerderheid of logisch wordt genoemd (Fig. 7.7). Dankzij dit element is het mogelijk om signalen te vergelijken die afkomstig zijn van elementen die dezelfde functie vervullen. Als de vergelijkingsresultaten overeenkomen, worden ze naar de apparaatuitgang verzonden.

In afb. Figuur 7.7 toont een meerderheidsvoorbehoud op basis van het ‘2 uit 3’-principe, dat wil zeggen dat twee van de drie overeenkomende resultaten als waar worden beschouwd en worden doorgegeven aan de uitvoer van het apparaat. Veel circuits van subsystemen voor controle- en beveiligingssystemen (CPS) zijn op dit principe gebouwd. Het belangrijkste voordeel van meerderheidsredundantie is het garanderen van een grotere betrouwbaarheid in het geval van elk type elementstoring en het vergroten van de betrouwbaarheid van informatie en logische objecten.

Redundante elementen variëren in hun mate van betrouwbaarheid. Elementen van een geladen reserve hebben hetzelfde betrouwbaarheidsniveau (storingsvrije werking, duurzaamheid en opslagbaarheid) als de belangrijkste elementen van het object dat ze reserveren, aangezien de hulpbron van de reserve-elementen op dezelfde manier wordt verbruikt als de belangrijkste. Lichte reserve-elementen hebben een hoger betrouwbaarheidsniveau, omdat de intensiteit van het hulpbronnenverbruik van reserve-elementen totdat ze worden ingeschakeld in plaats van defecte elementen aanzienlijk lager is dan die van de belangrijkste. Met een ongeladen reserve begint de hulpbron van de reserve-elementen vrijwel pas te worden verbruikt vanaf het moment dat ze worden ingeschakeld, in plaats van de defecte elementen.

Afhankelijk van de wijze van reserveren van een object (element van een object) wordt onderscheid gemaakt tussen algemene en afzonderlijke reservering. Bij algemene reservering wordt het object als geheel gereserveerd; in plaats van één object wordt de gelijktijdige werking van twee of meer objecten van hetzelfde type of vergelijkbaar in functies mogelijk gemaakt. Deze methode is vrij eenvoudig; het wordt veel gebruikt bij het maken van back-ups van de meest kritische systemen. Bij afzonderlijke reservering worden individuele elementen van een object of een groep elementen, die doorgaans in het object zijn ingebouwd, gereserveerd; Zowel individuele elementen van het systeem als vrij grote delen ervan (blokken) kunnen afzonderlijk worden geback-upt.

Dynamische redundantie kan afzonderlijk en algemeen zijn; het maakt het gebruik van reserve-elementen mogelijk, niet alleen in geladen, maar ook in lichte en onbelaste reserves, waardoor u op zijn beurt de bron van reserve-elementen kunt besparen en de betrouwbaarheid van het elektrische systeem kunt vergroten. als geheel en het energieverbruik verminderen.

Bij redundantie door vervanging kan gebruik worden gemaakt van glijdende redundantie, waardoor de vereiste betrouwbaarheid van het systeem wordt geboden tegen lage kosten en een lichte toename van het gewicht en de afmetingen. De nadelen van dynamische redundantie door vervanging zijn onder meer de noodzaak om schakelapparaten te gebruiken, onderbrekingen in de werking bij het overschakelen naar back-upelementen, evenals een zoeksysteem voor een defect element of blok, waardoor de betrouwbaarheid van het gehele redundante systeem afneemt. Deze methode is raadzaam om te gebruiken voor redundantie van vrij grote functionele eenheden en blokken van complexe elektrische systemen.

Permanente redundantie, waarbij de back-upelementen voortdurend met de belangrijkste worden verbonden, is eenvoudig. Bij dit type redundantie zijn schakelapparaten niet nodig. Als het hoofdelement uitvalt, blijft het systeem normaal werken zonder onderbreking of schakeling. De nadelen van constante redundantie zijn onder meer een verhoogd resourceverbruik van back-upelementen en veranderingen in de parameters van het redundante knooppunt wanneer elementen uitvallen. Dit type redundantie wordt gebruikt in kritieke systemen waarvoor zelfs een korte onderbreking van de werking onaanvaardbaar is, evenals voor redundantie van relatief kleine elementen - knooppunten, blokken en elementen van elektronische apparatuur (weerstanden, condensatoren, diodes, enz.) .

Redundantie van radio-elementen in de eenheid, waarvan het falen tot bijzonder gevaarlijke gevolgen kan leiden, wordt uitgevoerd rekening houdend met de mogelijkheid van zowel kortsluiting als elementbreuk. In het geval van elementbreuken wordt redundantie uitgevoerd door ze parallel aan te sluiten, in geval van kortsluiting - door een seriële verbinding, ervan uitgaande dat het element uitvalt, maar het elektrische circuit van andere elementen die er in serie mee verbonden zijn, niet wordt verstoord. Permanente afzonderlijke redundantie van een diode met een geladen reserve in geval van storing als gevolg van kortsluiting (SC), open circuit of kortsluiting en open circuit wordt bijvoorbeeld uitgevoerd door de back-updiodes respectievelijk in serie, parallel in te schakelen en serie-parallel aan de belangrijkste (Fig. 7.8, a-c).

Algemene permanente back-up van de VD-gelijkrichter met een geladen reserve wordt uitgevoerd door de reserve parallel in te schakelen; diodes worden in dit geval gebruikt om te voorkomen dat de back-upgelijkrichterstroom door het uitgangscircuit van de defecte gelijkrichter vloeit (Fig. 7.9).

Algemene redundantie van de gelijkrichter met een onbelaste reserve wordt uitgevoerd met behulp van schakelaar P, die het storingssignaal CO ontvangt en een stuursignaal YC verzendt naar schakelaar QW om de defecte gelijkrichter uit te schakelen en de back-up in te schakelen (Fig. 7.10).

Permanente redundantie kan worden uitgevoerd door een parallelle of seriële verbinding met het hoofdelement (systeem) van een of meer back-upelementen, waarbij dezelfde functies worden uitgevoerd als het hoofdelement (systeem). Een dergelijke redundantie wordt bijvoorbeeld gebruikt bij parallelle werking van computers, CA-eenheden, weerstanden, maar ook bij serieschakeling van diodes, verbreekcontacten, condensatoren, enz. In Fig. 7.11 toont verschillende opties voor redundante condensatoren.

De gevolgen van het falen van elementen met constante redundantie in extreme gevallen kunnen een kortsluiting of breuk van een of meer elementen zijn, waarmee bij het ontwerpen van het systeem rekening moet worden gehouden. Om deze negatieve verschijnselen te voorkomen, worden beperkende weerstanden geïntroduceerd, worden scheidingstransformatoren ingeschakeld en worden de toleranties van individuele systeemparameters vergroot, enz.

Momenteel wordt het volgende criterium gehanteerd om de betrouwbaarheid van een systeem te beoordelen: het systeem wordt als absoluut betrouwbaar beschouwd als het falen van één element niet leidt tot het falen van het hele systeem. De implementatie van dit criterium in de praktijk wordt uitgevoerd door element-voor-element of blok-voor-blok reservering.

De eigenschappen van verschillende soorten redundantie kunnen worden geïdentificeerd door de winst in systeembetrouwbaarheid te analyseren op basis van de belangrijkste kwantitatieve kenmerken. Laten we de effectiviteit van verschillende redundantiemethoden evalueren, waarbij we de waarschijnlijkheid en de gemiddelde tijd tot falen als kwaliteitscriteria nemen en de volgende vereenvoudigende veronderstellingen maken:

Alle elementen van het systeem zijn even betrouwbaar;

De faalstroom van elementen is de eenvoudigste;

De redundantieverhouding van alle elementen is hetzelfde.

Als, onder de geaccepteerde aannames, de waarschijnlijkheid en de gemiddelde tijd tot falen van een niet-redundant systeem worden uitgedrukt door de formules:

dan is de winst in betrouwbaarheid van een redundant systeem vergeleken met een niet-redundant systeem gelijk aan:

Op basis van de analyse van Fig. 7.12-7.14 kunnen we de volgende belangrijke conclusies trekken over de eigenschappen van redundantie.

1. Ongeacht het uitvalpercentage van een niet-redundant systeem, het uitvalpercentage van een redundant systeem begint altijd vanaf nul. Naarmate de bedrijfstijd van het systeem toeneemt, neigt het uitvalpercentage van het redundante systeem asymptotisch naar het uitvalpercentage van het niet-redundante systeem. Wanneer het redundant is met een fractioneel veelvoud, kan het uitvalpercentage van het redundante systeem bij bepaalde waarden groter zijn dan het uitvalpercentage van het niet-redundante systeem. Dit betekent dat een systeem waarop fractionele redundantie is toegepast, mogelijk minder betrouwbaar is dan een niet-redundant systeem.

2. Uit afb. 7.15 is het duidelijk dat er een kritische waarde is van de bedrijfstijd r, waarboven fractionele redundantie onpraktisch is.

3. De winst in betrouwbaarheid in termen van faalkans is groter naarmate het faalpercentage van een niet-redundant systeem lager is, dat wil zeggen hoe betrouwbaarder het systeem redundant is. Dit is de belangrijkste tegenstrijdigheid van voorbehouden in het algemeen. Het leidt ertoe dat om de betrouwbaarheid van systemen voor langdurig gebruik te vergroten, een hoge redundantieratio vereist is.

4. Voor elke redundantie, behalve glijden, leidt een significante toename van de massa van het systeem tot een minder significante toename van de gemiddelde tijd tot falen.