Глава 8 повышение надежности систем при эксплуатации

Если в результате проектирования нерезервированной системы не удается обеспечить требуемую безотказность, можно применять следующие методы повышения надежности системы при эксплуатации:

1) обратные связи;

2) резервирование.

Применение отрицательных обратных связей позволяет стаби­лизировать параметры отдельных узлов, блоков и приборов си­стемы, т. е. уменьшать вероятность отказа системы вследствие постепенных отказов. В ряде случаев полезно применять положи­тельные обратные связи.

Повышение надежности изделий и систем может быть достигнуто с по­мощью резервирования.

Резервиро­вание бывает информационное, временное, функциональное, аппа­ратурное и структурное. Рассмотрим два последних вида резерви­рования. Аппаратурное резервирование обеспечивается примене­нием нескольких одинаковых устройств для достижения заданной цели, например, прием и запись уникальной информации одновре­менно на 2—3 устройства. Структурное (схемное) резервирование состоит в применении специальных схем соединений основного и резервного элементов.

Используют поэлементное резервирование и резервирование всей цепи основных элементов (нагруженный резерв) (рис. 8.1 а, б). В полностью резер­вированной системе отказ одного или нескольких элементов не приводит к отказу всей системы. При постоянном резервировании, которое иногда называют пас­сивным, резервные устройства постоянно включены в схему, при этом до момента ремонта включенными в схему остаются и отка­завшие устройства. Постоянное резервирование отличается просто­той схем, возможностью применения к различным конструкциям (системам, приборам, узлам, элементам) и даже к внутриэлементным связям. Наиболее эффективно постоянное резервирование для элементов и внутриэлементных связей.

Существенным недостатком постоянного резервирования яв­ляется изменение параметров схемы и режимов работы при отказах резервных устройств, что в некоторых случаях недопустимо. Опре­деленные технические трудности встречаются также при резерви­ровании устройств, характеризующихся двумя типами отказов (обрыв и короткое замыкание). Кроме того, для ряда устройств автоматических систем постоянное резервирование технически трудно осуществить, а в некоторых случаях даже невозможно.

Как и всякому способу повышения безотказности, связанному с приме­нением большего количества элементов, чем это требуется функ­циональной схемой, постоянному резервированию присущи также недостатки, связанные с увеличением веса, объема, стоимости аппа­ратуры и усложнением эксплуатации. Вес системы с постоянным резервированием может быть значительно уменьшен благодаря применению микроминиатюрных и молекулярных элементов.

Рис. 8.1 Схемы резервирования:

а — поэлементного; б — общего; в — поэлементного замещением; г -т

общего замещением; д — мажоритарного; ОЭ — основной элемент;

РЭ — резервный элемент

Резервирование с поэлементным замещением (ненагруженный резерв). Достоинство — в сохранении ресурса резервных элементов. Недостаток — в дополнительной возможности отказа переклю­чающего элемента (рис. 8.1 в).

Резервирование с общим замещением (ненагруженный резерв (рис. 8.1 г)). Общее правило, которое можно применять в схемном резервировании, гласит: чем мельче масштаб резервирования, тем больше надежность.

Широко используется схема мажоритарного резервирования, которая носит также название «схема голосования из трех по два». Неисправный канал автоматически исключается из линии передачи информации (рис. 8.1 д).

Резервирование осуществляют также с применением логических схем. Такое резервирование называют активным. Применение логиче­ских схем обеспечивает неизменность параметров схемы при отка­зах элементов, повышает безотказность системы при их использова­нии для устройств, характеризующихся отказами двух типов, позволяет сохранять ресурс резервных устройств, находящихся в ре­жиме ожидания в ненагруженном состоянии. Резервирование с ло­гическими схемами неизбежно связано с применением дополни­тельных устройств в виде индикаторов отказа, переключателей и т. д.

Надежность автоматической системы может в значительной степени снизиться также под воздействием внешних помех, пере­межающихся или самовосстанавливающихся отказов и др., приво­дящих к искажению передаваемой информации. В этих случаях эффективным средством повышения надежности систем является применение, особенно в дискретных информационных системах, самокорректирующих кодов и избыточности передаваемой инфор­мации. Применение того или иного метода резервирования зависит от конкретных условий, от назначения и особенностей работы системы.

Высокая надежность системы может быть обеспечена только в результате комбинированного применения методов резервирова­ния. Одним из направлений создания высоконадежных автомати­ческих систем на основе комбинированных методов резервирова­ния является применение самонастраивающихся и самооргани­зующихся систем. При помощи постоянного резервиро­вания можно обеспечить функционирование системы с вероят­ностью, весьма близкой к единице. Однако при отказах резервных элементов в значительной степени могут измениться выходные параметры, при этом отклонения параметров могут быть такими, что, несмотря на отсутствие отказа системы, она не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Комбинированное применение по­стоянного резервирования и метода самонастройки параметров при отказе резервных элементов позволяет избежать недостатков, присущих только постоянному резервированию. Еще большие возможности повышения надежности могут пред­ставиться в результате применения самоорганизующихся систем, в которых при отказах отдельных элементов или изменении внеш­них условий изменяется структура системы, перераспределяются функции между ее отдельными элементами.

Одним из наиболее важных средств обеспечения высокой без­отказности системы на стадии эксплуатации является строгое соблюдение условий технологических процессов. Соблюдение установлен­ных технологических процессов должно начинаться с входного контроля материалов и изделий, применяемых в системе, обеспечении при необходимости качественной замены материалов. В ряде случаев причиной низкой безотказности выпускаемых систем мо­жет быть загрязненное содержание оборудования и рабочих мест. Важным методом повышения безотказности систем является пра­вильная организация производственного контроля и уровень культуры производства.

Особый вред качеству системы наносится скрытыми производ­ственными дефектами в результате нарушения технологического процесса. Обычно скрытые дефекты представляют наибольшие технические трудности при производственном контроле.

Наряду с производственным контро­лем безотказность сложных систем может быть существенно повышена, особенно для начального периода эксплуатации, прове­дением тренировочных испытаний системы (приработки) в произ­водственных условиях. Это позволяет устранить большинство производственных и скрытых отказов, если приработка системы проходит при больших, по сравнению с номи­нальными, нагрузками.

Правильная организация эксплуатации системы является одним из решающих факторов обеспечения высокой надежности. Большое значение имеет и своевременное проведение профилакти­ческих мероприятий, позволяющих предупредить появление отка­зов системы в рабочий период времени. Одним из современных методов профилактики является прогнозирование отказов, позво­ляющее своевременно заменить так называемые кри­тические элементы и тем самым исключить их отказы. Естественно, что полностью исключить отказы в рабочий период не удается, поэтому необходимо проектировать систему и правила ее эксплуа­тации таким образом, чтобы обеспечить минимальное время вос­становления отказавшей системы. В этой связи большое значение имеет разработка схем автоматической проверки и обнаружения отказов (системы диагностирования), а также, если это возможно, и схем самовосстановления отказов. Из эксплуатационных факторов важная роль в поддер­жании высокой надежности автоматических систем принадлежит обслуживающему персоналу, его технической подготовке, опыту и другим качествам. Большое значение для повышения надежности системы имеет организация эксплуатации, в частности снабжение систем запас­ными элементами и материалами, техническими описаниями и ин­струкциями по эксплуатации, организация ремонтных органов и др.

Таким образом, высокая надежность автоматических систем может быть обеспечена только комплексом методов, применяемых на всех фазах создания и эксплуатации системы.