Файл: Методы резервирования..pdf

Введение

Резервирование является универсальным принципом обеспечения надёжности, широко применяемым в природе, технике и технологии, впоследствии распространившимся и на другие стороны человеческой жизни.

Резервирование— метод повышения характеристик надёжности технических устройств или поддержания их на требуемом уровне посредством введения аппаратной избыточности за счет включения запасных (резервных) элементов и связей, дополнительных по сравнению с минимально необходимым для выполнения заданных функций в данных условиях работы.

Резервирование широко применяется на опасных производственных объектах, во многих случаях его необходимость диктуется требованиями промышленной безопасности или государственных правил и стандартов. Некоторые технические устройства изначально в своей конструкции предусматривают резервирование, например предохранительные клапаны непрямого действия — импульсные предохранительные устройства. Также резервирование широко используется в военной технике.

Резервирование — один из главных принципов обеспечения безопасности АЭС, наряду с физическим разделением и разнотипностью оборудования отвечающий за практическую реализацию важнейшего принципа единичного отказа. Системы, важные для безопасности АЭС (то есть очень многие), имеют трёхкратное резервирование, а в последних российских проектах, реализованных при строительстве Тяньваньской АЭС в Китае — четырёхкратное резервирование.

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 в технологических системах 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. В резервированном изделии отказ наступает тогда, когда выйдут из строя основное устройство (элемент) и все резервные устройства (элементы). Группа элементов считается резервированной, если отказ одного или нескольких её элементов не нарушает нормальной работы схемы (системы), а оставшиеся исправные элементы выполняют ту же заданную функцию. Такое резервирование называется функциональным резервированием.

---

• Кратность резервирования — отношение числа резервных элементов к числу основных элементов устройства. Кратность резервирования принято обозначать m. Например, если m=3, то это означает что: основное устройство — одно, число резервных устройств — три, а общее число устройств равно (три плюс один) четырём. Если m=4/2, то это означает резервирование с дробной кратностью, при котором число резервных устройства равно четырём, число основных — двум, а общее количество устройств — шести. Сократить дробь нельзя, так как если m=4/2=2, то это резервирование с целой кратностью, при котором число резервных устройств — два, основное — одно, а общее количество устройств — три!
  Однократное резервирование называется дублированием.
• По состоянию резервных элементов до момента включения их в работу различают:
  • нагруженный (горячий) резерв — резервные элементы нагружены так же, как и основные;
  • облегчённый (ждущий) резерв — резервные элементы нагружены меньше, чем основные;
  • ненагруженный (холодный) резерв — резервные элементы практически не несут нагрузки[3].

Использование облегчённого или ненагруженного резерва даёт возможность снизить расход энергии, потребляемой резервируемой системой и увеличить надежность аппаратуры (T_{ср р ненагр} > T_{ср р обл} > T_{ср р нагр}), так как надёжность резервных устройств выше, чем основных. Однако следует учитывать, что перерыв на переключение с основного устройства на резервное допустим не во всех схемах.

• В зависимости от масштаба и принятой единицы резервирования различают:
  • общий резерв, при котором резерв предусматривается на случай отказа объекта в целом, и
  • раздельный (поэлементный) резерв, при котором резервируются отдельные части объекта (блоки, узлы, элементы).
    Частным случаем поэлементного резервирования является скользящее резервирование, которое можно использовать, если резервировать группу одинаковых элементов.
  • Возможно также сочетание общего и раздельного резервирования — так называемое смешанное резервирование.

Целесообразность применения резервирования определяется следующими факторами:

• • исходным уровнем надёжности комплектующих изделий;
  • заданным временем эксплуатации;
  • наличием эффективной системы контроля и периодичностью проведения профилактики;
  • возможностями использования менее избыточных методов повышения надёжности.

---

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

Для повышения надежности сложных систем и отдельных объектов имеются четыре основных пути:

1) повышение надежности элементов системы. Это обычный, легкий путь, но, чтобы им воспользоваться, нужны более надежные комплектующие элементы. Но даже если они имеются, они всегда значительно дороже прежних и нужен экономический расчет;

2) конструктивные мероприятия повышения надежности (к примеру, демпфирование возможных вибраций, переход от статически неопределимой конструкции к статически определимой, всевозможные защитные покрытия твердым металлом, полимерами и т.д.). Этот путь связан с технологией машиностроения и также может явиться предметом специального изучения в теории надежности;

3) коренное изменение принципа функционирования системы данного назначения. Связан с созданием новой техники, это качественный скачок в развитии данной отрасли - он возникает из экономической нецелесообразности прежних инженерных решений.

4) введение различного вида избыточности.

Избыточность - это дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций

Методом повышения надежности объекта введением избыточности является резервирование.

Существует несколько методов повышения надежности за счет избыточности. Различают резервирование:

- структурное (избыточность в структуре - в количестве элементов системы);

- режимное (избыточность в режимах работы - в количестве элементов системы);

- временное,

- функциональное,

- информационное

- и ряд других.

Наибольший интерес представляет структурное, или схемное, резервирование, предусматривающее использование избыточных элементов структуры объекта.

1. По способам резервирование может быть общим и раздельным (рисунок 1).

Рисунок 1 – Классификация способов резервирования

Общее резервирование - резервируется весь объект, аппарат или система в целом (рисунок 2):

---

Рисунок 2 – Раздельное резервирование

Кратностью резервирования называется отношение числа резервных элементов к числу основных элементов объекта.

2) Различают резервирование с целой и дробной кратностью:

2.1) резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один аппарат (т.е. за основным насосом закреплены один или несколько резервных);

Рисунок 3 – Резервирование с целой кратностью

2.2) резервированием с дробной кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения может быть неисправным только один аппарат (т.е. на несколько насосов имеется только один резервный).

Рисунок 4 – Резервирование с дробной кратностью

Число кратности резервирования:

Рисунок 5

где m - общее число элементов в группе;

r - число элементов, необходимое для нормальной работы системы.

Например, проанализируем схемы (рисунок 5).

Рисунок 6 - Схемы с резервированием

Методы резервирования элементов

Резервирование элементов используется в тех случаях, когда необходимо создавать высоконадежные системы из малонадежных элементов. Различают методы нагруженного и ненагруженного резервирования. Ненагруженное резервирование или резервирование замещением осуществляется путем включения резервного элемента при отказе в системе основного. До отказа это включение невозможно. Схема резервирования приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Ненагруженное резервирование (замещением)

Методы резервирования систем

Резервирование систем предполагает резервирование всех входящих в систему элементов. Различают: общее резервирование, раздельное и смешанное (комбинированное) резервирование.

Общее резервирование имеет место, когда при отказе любого из элементов основной системы последняя заменяется резервной. Структурная схема общего резервирования представлена на рисунке 8.

---

Число элементов в системе – n, число резервных цепей m-1, общее число систем – m.

Вероятность безотказной работы системы при общем резервировании

Рисунок 8. Модель общего резервирования

Дальнее резервирование

Дальнее резервирование обеспечивает локализацию аварий, прекращение протекания токов КЗ и развитие повреждения оборудования, однако необходимо считаться со следующими его недостатками.

1. При отказе выключателя присоединения, отходящего от подстанции с двумя системами (секциями) шин, и включенном шиносоединительном или секционном выключателе, работа защит в режиме дальнего резервирования приводит к погашению обеих систем шин или секций и к обесточиванию всех питающихся от данной подстанции потребителей. При этом также происходит погашение отпаечных подстанций, подключенных к линиям, отходящим от подстанции с отказавшим выключателем. Так, при схеме сети, показанной на рис. 1, одновременно с обесточением шин ПС1 происходит погашение отпаечных подстанций и ПС8-ПС12.

2. В режиме дальнего резервирования устройства защиты действуют на значительном числе подстанций. Так, в изображенной на рис. 1 сети отключение происходит на шести подстанциях. Это усложняет диспетчерскую ликвидацию аварий, затрудняет сбор информации об объемах отключений, что в ряде случаев не позволяет оперативно принять нужное решение по ликвидации аварийной ситуации.

3. Дальнее резервирование осуществляется, как правило, последними ступенями защит, т.е. защитами с большими выдержками времени. Во многих случаях их чувствительность обеспечивается только в результате каскадного действия. Например, вначале имеют чувствительность к' данному виду и месту повреждения защиты только на ПС2 и ПС5, после отключения обоих выключателей увеличивается до необходимого значения ток в защите ПС4, после отключения выключателя повышается чувствительность защиты на ПС6 и т.д. В результате полное время отключения КЗ может быть больше 10-20 с. При таких временах отключения возрастает вероятность устойчивых повреждений и неуспешных АПВ с обесточением большого числа потребителей. Даже при неустойчивых повреждениях АПВ большинства присоединений будет неуспешным, поскольку при выборе времени срабатывания АПВ обычно не учитывается столь длительное существование режима КЗ.

---