Способы структурного резервирования и виды резерва 1 страница

Классификация методов резервирования

ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

РЕЗЕРВИРОВАНИЕ КАК СПОСОБ

Резервирование – это одно из основных средств обеспечения заданного уровня надежности (особенно безотказности) объекта при недостаточно надежных элементах.

Резервирование – это применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких элементов. Т.о. – это метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. В свою очередь избыточность – это дополнительные средства и (или) возможности сверхминимально необходимые для выполнения объектом заданных функций. Задачей введения избыточности является обеспечение нормального функционирования объекта после возникновения отказа в его элементах.

По виду резервирования принята следующая классификация методов резервирования (рис. 10.1).

Структурное (аппаратурное, элементное, схемное) предусматривает применение резервных элементов структуры объекта. Cуть структурного резервирования заключается в том, что в минимально необходимый вариант объекта вводятся дополнительные элементы.

Элементы в структурной схеме разделяют на основные (элемент, необходимый для выполнения объектом требуемых функций при отсутствии отказов его элементов и резервные (элемент, предназначенный для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего). Определение основного элемента не связано с понятием минимальности основной структуры объекта, поскольку элемент, являющийся основным в одних режимах эксплуатации, может служить резервным в других условиях. Резервируемый элемент – основной элемент, на случай отказа которого в объекте предусмотрен резервный элемент.

Временнóе резервирование связанно с использованием резерв времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом необходимой работы отводиться время, заведомо большее минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т.д. Для объектов химического машиностроения такой вид резервирования реализуется с использованием следующих приемов и операций:

1) увеличение в условиях эксплуатации расчетного времени функционирования, необходимого для выполнения поставленной цели или для выпуска заданного количества химической продукции;

2) аппараты и машины разрабатываются на бóльшее значение производительности, чем это требуется по расчету, и, следовательно, объекты могут выполнять задание за более короткий промежуток времени, чем это установлено планом;

3) ввод в структуру технологической схемы промежуточных емкостей (резервуаров и бункеров для накопления продукта) между отдельными аппаратами производства. Этот прием создает условия, позволяющие продолжать функционирование технологической схемы, даже, если часть оборудования до промежуточного резервуара или бункера остановлена. Подобную функцию выполняют, также, газгольдеры, склады и т.д.;

4) функциональная инерционность объектов, например тепловая инерционность печей, обусловленная массивами футеровки, предотвращает быстрое снижение температуры печи при перерыве в подаче горючего. Инерционность объектов позволяет за малый возможный промежуток времени ликвидировать аварию, переключив процесс на какой-либо резервный объект или выполнив какие-либо другие операции.

Информационное резервирование – это резервирование с применением избыточности информации. Примерами информационного 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 компенсировать искажения передаваемой информации или устранять их.

Функциональное резервирование – резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами.

Например, для изготовления детали используется группа станков, каждый из которых может выполнять одну из последовательных операций обработки. Функциональным резервированием будет в этом случае введение в технологическую линию универсального или многооперационного станка. В качестве другого примера можно привести создание конструкционно совмещенных реакционно-массообменных процессов, протекающих в одном аппарате химической технологии. К функциональному резервированию относится и производственно-избыточная избыточность (например, изготовление изделий с повышенным классом точности), часто используемая для обеспечения и повышения надежности объектов химического машиностроения. При этом создаются условия для увеличения надежности и долговечности, поскольку сначала в процессе функционирования объект изнашивается до традиционного класса точности, а затем уже идет обычный процесс изнашивания.

Нагрузочное (или режимное) резервирование – резервирование с применением нагрузочных резервов – предусматривает использование способности объекта воспринимать дополнительные, или избыточные, нагрузки. В химическом машиностроении его реализуют путем введения коэффициентов запаса прочности, снижения допустимых режимных параметров функционирования (давление, частоту вращения).

Резервирование в химической промышленности широко используют для повышения надежности систем энергоснабжения (электро-, тепло-, водоснабжения), резервируются устройства, обеспечивающие безопасность протекания процесса (устанавливают несколько предохранительных клапанов на один резервуар высокого давления).

Рис. 10.1 Классификация методов резервирования

Резервирование позволяет создавать объекты, надежность которых выше, чем надежность составляющих их элементов, однако возможности применения резервирования ограниченны из-за увеличения массы и производственной площади системы и из-за повышения стоимости единицы продукта по сравнению с нерезервированной. Это приводит к задаче выбора оптимального способа резервирования и оптимального числа резервных элементов.

Для анализа структурной надежности технических систем интерес представляет структурное резервирование – введение в структуру объекта дополнительных элементов, выполняющих функции основных элементов в случае их отказа.

Классификация различных способов структурного резервирования осуществляется по следующим признакам:

1) по схеме включения резерва:

- общее резервирование, при котором резервируется объект в целом;

- раздельное резервирование, при котором резервируются отдельные элементы или их группы;

- смешанное резервирование, при котором различные виды резервирования сочетаются в одном объекте;

2) по способу включения резерва:

- постоянное резервирование, без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента;

- динамическое резервирование, при котором при отказе элемента происходит перестройка структуры схемы. В свою очередь динамическое подразделяется н а:

а) резервирование замещением, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного;

б) скользящее резервирование, при котором несколько основных элементов резервируется одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой основной (те. группы основных и резервных элементов идентичны).

3 ) по режиму работы резерва:

- нагруженное резервирование, при котором резервные элементы (или один из них) находятся в режиме основного элемента;

- облегченное резервирование, при котором резервные элементы (по крайней мере один из них) находятся в менее нагруженном режиме по сравнению с основными;

- ненагруженное резервирование, при котором резервные элементы до начала выполнения ими функций находятся в ненагруженном режиме.

4) по условиям восстановления работоспособности в процессе эксплуатации:

- резервирование с восстановлением;

- резервирование без восстановления.

Основной характеристикой структурного резервирования является кратность резервирования – отношение числа резервных элементов к числу резервируемых (основных) элементов. Резервирование может быть с целой и дробной кратностью (типа 2:3; 4:2 и т.д.).

Резервирование одного основного элемента одним резервным (т.е. с кратностью 1:1) называется дублированием.

При резервировании с дробной кратностью нормальная работа резервированного соединения возможна при условии, когда число исправных элементов не меньше необходимого для нормальной работы. При резервировании с дробной кратностью один резервный элемент системы приходится на два или более основных элементов. К резервированию с дробной кратностью относится также резервирование со скользящим (плавающим) резервом.

В химическом машиностроении надежность невосстанавливаемых резервируемых аппаратов и технологических линий, как правило, повышают за счет:

– общего и раздельного резервирования с постоянно включенным резервом;

– общего и раздельного резервирования способом замещения;

– резервирования системы со скользящим (плавающим) резервом.

Использование же такого вида структурного резервирования как скользящее возможно лишь при наличии специального диагностического устройства, позволяющего отыскать неисправный элемент и подключить вместо него резервный. При этом, резервные элементы должны быть однотипными. Однако, такой вид резервирования дает наибольший выигрыш надежности.

Количественно повышение надежности системы в результате резервирования или применения высоконадежных элементов можно оценить по коэффициенту выигрыша надежности, определяемому как отношение показателя надежности до и после преобразования системы

Структурная схема резервной группы, состоящей из одного основного и m резервных элементов, представлена на рис. 20.3.3.1.

Рис. 10.2. Структурная схема системы из одного основного и m резервных элементов

Если дана система с постоянно включенным резервом, состоящая из двух параллельно работающих элементов (рис. 10.2, m = 1) с вероятностью безотказной работы основного элемента р ₁, резервного – р ₂, то вероятность безотказной работы такой системы равна

P (t) = 1 – (1 – p ₁(t)) (1 – p ₂(t))

В случае равнонадежных элементов:

P (t) = 1 – (1 – p ₁(t))² = 2 р ₁ – р ₁²= р ₁(2 – р ₁). (10.1)

Для экспоненциального распределения отказов каждого из двух параллельно работающих элементов p ₁(t) = p ₂(t) = exp(–l t) с учетом (10.1) вероятность безотказной работы системы определяется как P (t) = 2 e ^{-l t} – e ^{-2l t}.

Поскольку среднее время безотказной работы одного нерезервируемого элемента равно:

среднее время безотказной работы системы будет:

Тогда выигрыш надежности для системы. состоящей из двух параллельно работающих элементов, по сравнению с одним нерезервируемым элементом равен:

Вероятность безотказной работы системы, состоящей из одного основного и m резервных неравнонадежных элементов (рис. 10.2), определяется по формуле:

В случае равнонадежных элементов эта формула примет вид:

(10.2)

Для экспоненциального распределения вероятности безотказной работы элементов, т. е. p (t) = e ^{-l t}, получаем:

(10.3)

При малых t справедлива простая оценка снизу:

где i – интенсивность отказов i -го элемента.

При идентичных элементах предыдущая формула принимает вид:

(10.4)

Выигрыш надежности W_T ⁽²⁾ по среднему времени безотказной работы системы, состоящей из (m + 1) параллельно работающих равнонадежных элементов, по сравнению со средним временем безотказной работы одного нерезервируемого элемента при условии, что закон распределения вероятности безотказной работы каждого элемента экспоненциальный, равен:

(10.5)

Средняя наработка до отказа системы Т (рис. 10.2) в общем случае может быть найдена только численным интегрированием по формуле

. (10.6)

Для идентичных элементов средняя наработка до отказа при вероятности безотказной работы элементов р (t) = exp(–l t) с учетом определяется как:

(10.7)

При больших значениях m:

(10.8)

10.2.1 По схеме включения резерва при общем резервировании резервируется объект в целом. При раздельном резервировании резервируются отдельные элементы (подсистемы) объекта или их группы.

Примерами общего резервирования (рис. 10.3, а) являются резервные технологические линии или агрегаты большой единичной мощности. При раздельном резервировании (рис. 10.3, б) резервируют отдельные элементы объекта.

Рис. 10.3. Схемы резервирования системы, состоящей из n основных элементов: а) общего резервирования с постоянно включенным резервом (число резервных цепей m = 1); б) раздельного (поэлементного) дублирования с постоянно включенным резервом

Для системы с последовательным соединением n элементов при общем резервировании (дублировании) (рис. 10.3, а) вероятность безотказной работы равна:

(10.9)

При раздельном резервировании (дублировании) (рис. 10.3, б):

(10.10)

Коэффициенты выигрыша надежности системы по вероятности безотказной работы для этих двух случаев соответственно равны:

(10.11)

Отсюда следует, что раздельное резервирование эффективнее общего: например, для системы из трех одинаковых элементов (n = 3) при р = 0,9 Р = 0,9³ = 0,729; Р ⁽¹⁾ = 0,729(2 – 0,729) = 0,9266, Р ⁽²⁾ =0,729(2 – 0,9) = 0,9703. Тогда: G_p ⁽¹⁾ = 1,27; G_p ⁽²⁾ =1,33.

Раздельное резервирование при прочих равных условиях дает больший выигрыш в надежности, чем общее. Раздельное резервирование особенно выгодно при большом числе элементов в системе и при увеличении кратности резервирования.

Вероятность отказа системы, состоящей из n элементов (одного основного и (n – 1) резервного), без учета надежности переключателей рассчитывается по формуле

(10.12)

Система с последовательным соединением n элементов с общим резервированием (m резервных цепей) будет нормально функционировать при сохранении работоспособности хотя бы одной из них.

Для схемы общего резервирования с постоянно включенным резервом вероятность безотказной работы системы (рис. 10.4), ВБР равна (элементы равнонадежны, вероятность безотказной работы каждого элемента равна p (t)):

(10.13)

В свою очередь безотказная работа i -й цепи (i = 1,..., m) будет иметь место при безотказной работе каждого из n элементов. Тогда:

(10.14)

Здесь: р_ij – вероятность безотказной работы j -го элемента i -й цепи (j = 1,..., n); n – число последовательно соединенных элементов цепи.

Рис. 10.4. Блок-схема общего резервирования с постоянно включенным резервом системы с последовательным соединением n элементов

Для случая, когда все элементы равнонадежные (с вероятностью безотказной работы, равной р), вероятность безотказной работы основной системы из n элементов (отказы случайные и независимые) равна: .

Следовательно, вероятность отказа всей системы, состоящей из одной основной и m резервных систем, будет равна:

(10.15)

Тогда вероятность безотказной работы системы с общим резервированием равна:

(10.16)

Если интенсивность отказов постоянна, т. е. р (t) = exp (–l t), то и, пользуясь (10.5), можно найти выигрыш надежности W_T ⁽³⁾ по среднему времени безотказной работы при работе системы, состоящей из (m + 1) параллельно работающих резервных систем (рис. 10.4) по сравнению со средним временем безотказной работы нерезервируемой системы:

(10.17)

Выигрыш надежности W_T ⁽⁴⁾ по среднему времени безотказной работы при работе системы, состоящей из (m + 1) параллельно работающих резервных систем (рис. 10.4), по сравнению со средним временем безотказной работы одного элемента:

(10.18)

Рассмотрим случай системы с раздельным резервированием с постоянно включенным резервом, предполагая, что все элементы равнонадежные с вероятностями безотказной работы p (t) (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Блок-схема раздельного резервирования с постоянно включенным резервом системы с последовательным соединением n элементов

Для системы с раздельным резервированием по формуле (10.14) могут быть определены вероятности безотказной работы отдельных элементов с резервированием. Тогда общая вероятность безотказной работы системы с раздельным резервированием определяется по формуле:

(10.19)

Для случая, когда все элементы равнонадежные, вероятность безотказной работы системы с раздельным резервированием равна:

(10.20)

Выигрыш надежности по среднему времени безотказной работы при работе резервируемой системы по сравнению со средним временем безотказной работы основной системы при экспоненциальном законе распределения:

. (10. 21)

10.2.2 По способу включения резерва. Резервные элементы можно постоянно включать на все время эксплуатации – применять постоянное резервирование (резервирование с постоянно включенным резервом без переключений) или только лишь при отказе основных – резервирование замещением.

При постоянном резервировании резервные элементы подсоединены к основным в течение всего времени работы и находятся в одинаковом с ними рабочем режиме. Постоянное включение резерва является единственно возможным в системах, где недопустим даже кратковременный перерыв в работе (например, в регулирующих системах технологических процессов). Хотя оно отличается простотой (отсутствием переключателей и кратковременных остановок в работе аппаратов), основным недостатком постоянного резервирования является повышенный расход ресурса резервных элементов. По этому способу обычно резервируются насосы, фильтры и т. п.

Если не удается применить постоянную параллельную работу аппаратов в химическом машиностроении, то необходимо использовать резервирование замещением («замещение с ненагруженным резервом»). Замещение производится автоматически или вручную.

При резервировании замещением (или «замещением с ненагруженным резервом») система проектируется таким образом, что при появлении отказа элемента она перестраивается и восстанавливает свою работоспособность путем замещения отказавшего элемента резервным. При этом не требуется регулировка в момент включения резервного элемента; резервный аппарат до включения его в работу может находиться в «теплом» или «холодном» состоянии – это сохраняет ресурс надежности каждого из устройств и повышает общую надежность всей системы. В случае однотипных элементов несколько резервных (или один) могут быть использованы для замены основных элементов в случае отказа.

Скользящее резервирование – это резервирование замещением, при котором группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой из отказавших элементов данной группы.

Скользящее резервирование используется для резервирования нескольких одинаковых или взаимозаменяемых элементов системы одним или несколькими резервными, причем резервирование может быть как нагруженным, так и ненагруженным. Отказ системы произойдет, если число отказавших основных элементов превысит число резервных. При скользящем (плавающем) резерве любой из резервных элементов может замещать любой основной элемент системы (например, холодильники, насосы). Скользящий резерв дает наибольший выигрыш в повышении надежности, но существенный его недостаток в том, что он возможен лишь для однотипных элементов (подсистем).

Схема скользящего резервирования в блоке очистки моноэтаноламина показана на рис.10.6.

Рис. 10.6. Схема скользящего резервирования в блоке очистки моноэтаноламина:

1 – абсорбер; 2, 3 – насосы; 4 – узел регенерации; 5 – резервный насос

При нагруженном скользящем резервировании с идеальными переключателями расчет надежности системы аналогичен расчету системы типа «m из n». Если интенсивности отказов основных и резервных элементов постоянны и одинаковы, то вероятность безотказной работы системы, состоящей из n основных и m резервных элементов, в режиме нагруженного резерва можно определять по формуле:

. (10.22)

Если вероятность безотказной работы элементов подчиняется экспоненциальному закону, то можно рассчитать и среднюю наработку на отказ системы:

. (10.23)

При ненагруженном скользящем резервировании в общем случае характеристики надежности системы выражаются сложными формулами. Однако если интенсивности отказов основных и резервных элементов постоянны и одинаковы, т. е. вероятность безотказной работы элементов подчиняется экспоненциальному закону, то вероятность безотказной работы системы, состоящей из n основных и m резервных элементов, в режиме ненагруженного резерва можно определять по формуле Пуассона:

. (10.24)

Так как при ненагруженном скользящем резервировании суммарная интенсивность отказов равна n и отказ системы произойдет в момент отказа (m + 1)-го элемента, средняя наработка на отказ системы:

. (10.25)

10.2.3 По режиму работы резерва. Расчет систем с нагруженным резервированием осуществляется по формулам последовательного и параллельного соединения элементов. При этом считается, что отказ резервной группы, состоящей из основного и резервных элементов, произойдет тогда, когда откажет ее последний элемент, и резервные элементы работают в режиме основных как до, так и после их отказа, поэтому надежность резервных элементов не зависит от момента их перехода из резервного в основное состояние.

При резервировании замещением возможны три вида условий работы резервных элементов до момента их включения в работу:

а) нагруженный (горячий) резерв. Внешние условия резерва полностью совпадают с условиями, в которых находится рабочий аппарат. Резервные элементы работают в том же режиме, что и основной элемент, их надежность (вероятность безотказной работы) не зависит от того, в какой момент они включились на место основного. При этом ресурс резервных элементов объекта начинает расходоваться с момента включения в работу всей системы;

б) ненагруженный (холодный) резерв. Резервные элементы выключены и по условию (до момента их включения на место основного) не могут отказать. Внешние условия, в которых находится резерв, настолько легче рабочих, что практически резервные элементы начинают расходовать свой ресурс только с момента включения в работу вместо отказавшего элемента.

в) облегченный (теплый) резерв. Внешние условия, воздействующие на аппарат до момента его включения в работу, – облегченные. Резервные элементы находятся в облегченном режиме до момента их включения на место основного. Во время ожидания в резерве они могут отказать, но с вероятностью меньшей, чем вероятность отказа основного элемента (резерв, находящийся в более легких условиях, чем основной элемент).

Наработка на отказ системы с m -кратным общим нагруженным резервом может быть найдена из выражения:

. (10.26)

В случае экспоненциального закона надежности элементов получим:

. (10.27),

где L = 1/ T_О – интенсивность отказов цепи.

После интегрирования представим (10.27) в виде конечной разности: .

Подставляя в это уравнение последовательно m = 1, 2, 3,..., получим:

где

. (10.28)

При ненагруженном резервировании замещением резервные элементы включаются в работу при отказе основного, затем первого резервного и т. д., поэтому надежность элементов в каждый момент времени зависит от момента их перехода из резервного состояния в основное. При этом считается, что замена отказавшего элемента резервным происходит мгновенно, отказ системы произойдет тогда, когда откажет последний элемент. В нерабочем состоянии элемент не может отказать и его надежность не изменяется.

Ненагруженное резервирование встречается часто, т. к. оно аналогично замене отказавших элементов (деталей, узлов, агрегатов) на запасные.

Дата добавления: 2015-04-30