РЕЗЕРВИРОВАНИЕ

Среди методов повышения надежности,  предусматриваемых при проектировании, особое место занимает использование избыточности. Избыточность - дополнительные средства  (или  возможности)  сверх минимально необходимых для выполнения заданной функции.

Резервирование - это метод повышения надежности путем введения избыточности.

Особое место, отводимое этому методу, объясняется тем, что резервирование наиболее полно позволяет решить задачу получения требуемой надежности при относительно малонадежных элементах.

В зависимости от вида используемой избыточности различают следующие виды резервирования:

·         структурное - предусматривающее использование избыточных элементов; в структуре объекта (узлов, блоков, аналогичных имеющимся);

·         временное - предусматривающее использование избыточного времени;

·         функциональное - предусматривающее использование способности элементов выполнять дополнительные функции;

·         информационное - предусматривающее использование способности к восприятию дополнительной информации, поступающей на объект;

·         нагрузочное - предусматривающее использование способности к восприятию дополнительной нагрузки.

Одним из основных способов повышения надежности систем является структурное резервирование, которое предусматривает включение в состав системы дополнительных объектов. Структурное резервирование различается по ряду признаков:

·         резерв включен постоянно или резервный элемент включается по мере необходимости (резервирование замещением, ненагруженный резерв);

·         индивидуальное или групповое резервирование;

·         переход на резервный элемент происходи мгновенно или требуется конечное время на переключение;

·         система контроля работоспособности и управления резервом абсолютно надежна или имеет конечную надежность и т.д.

Многообразие видов резервирования привело к созданию десятков различных моделей, учитывающих конкретную специфику систем.

При структурном резервировании следует различать следующие понятия:

·         основной элемент - это элемент структуры машины, минимально необходимый для выполнения заданных функций;

·         резервный элемент - это элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности машины в случае отказа основного элемента;

·         кратность резерва - отношение числа резервных элементов к числу резервируемых или основных элементов объекта, выраженное несокращенной дробью.

Различают однократное резервирование (дублирование), кратность которого равна единице, и многократное, кратность которого больше единицы.

По характеру восстанавливаемости резерва различают:

Резервирование с  восстановлением - при котором работоспособности любого основного и резервного элементов в случае возникновения их отказов подлежат восстановлению.

Резервирование без восстановления - когда любой основной или резервный элемент восстановлению не подлежит.

Применение резервирования обычно связано с увеличением веса, объ¬ема, стоимости изготовления и эксплуатации ЭВМ. Часто один из этих факторов является лимитирующим. Поэтому возникает необходимость подоб¬рать оптимальный способ резервирования, наилучшим образом отвечающий поставленной задаче.

Под оптимальным резервированием понимают резервирование, обеспе¬чивающее получение наибольшего эффекта повышения надежности с наимень¬шими затратами. Выбор критерия оптимальности зависит от конкретных ус¬ловий, т.е. учета конкретных доминирующих факторов.

Параллельное резервирование.

Присоединение резервных элементов к основным производится парал¬лельно.

Параллельной называется система, которая сохраняет свою рабо¬тоспособность до тех пор, пока работоспособен хотя бы один ее элемент. Предполагается, что все элементы находятся во включенном состоянии с самого начала.

В инженерной практике такой резерв называют нагруженным или горячим.

В каждый момент времени функции системы выполняются основным элементом, а в случае его отказа происходит мгновенное переключение на любой из исправных к данному моменту резервных элементов.

Параллельной называется система, которая сохраняет свою работоспособность до тех пор, пока работоспособен хотя бы один ее элемент. Предполагается, что все элементы находятся во включенном состоянии с самого начала.

В инженерной практике такой резерв называют нагруженным или горячим.

Следует отметить, что среднее время безотказной работы па­раллельной системы с нагруженным резервом растет довольно медленно с ростом числа резервных элементов. В табл. 1.1 приве­ден расчет для экспоненциального распределения, которое, кста­ти, дает еще относительно большой рост по сравнению с боль­шинством стареющих распределений.  В то же время мы видим, что такой вид резервирования очень эффективен для повышения ВБР.

Таблица

Теоретически путем резервирования возможно добиться любой заданной вероятности безотказной работы. Но такой способ повышения надежности связан с существенным ростом материальных затрат. А с ростом кратности резерва возрастает сложность реализации контроля и управления в системе, что также сказывается на надежности.

Система с параллельным резервированием состоит из двух или более модулей ИБП, включенных в параллель и работающих на общую нагрузку. По отношению к проектной нагрузке система должна иметь определенную избыточность по мощности в виде одного или нескольких дополнительных модулей для обеспечения резерва. Как правило, каждый модуль оснащен своим батарейным блоком, хотя и не исключен вариант использования общего батарейного комплекта для всей системы в целом.

При безаварийной работе нагрузка системы равномерно распределяется между модулями (например ИБП), а в случае выхода из строя или принудительного отключения одного из них нагрузка распределяется среди оставшихся модулей. Такая схема включения обеспечивает высокую степень защиты (99.99%). При этом процесс технического обслуживания отдельных модулей не приводит к временному питанию нагрузки от “грязной” сети. Однако все еще остается необходимость отключения системы при проведении работ с шиной питания нагрузки или оборудованием, расположенным между ИБП и нагрузкой.

Последовательное резервирование

Система с последовательным резервированием состоит из одного или нескольких основных модулей и одного резервного. Каждый основной модуль работает на собственную нагрузку. Резервный модуль используется в качестве первичного источника питания входов Bypass основных модулей системы.

Такая конфигурация позволяет производить техническое обслуживание основных и резервного модулей без отключения нагрузки и без снятия ее защиты. В этой схеме выходы основных модулей синхронизированы c выходом резервного модуля системы.

При пропадании питания на входе одного из основных элементов (модулей ИБП) переходит в автономный режим работы и нагрузка потребляет энергию батарейного комплекта данного ИБП. Если к моменту его разряда питание не восстановится, произойдет автоматический переход модуля в Bypass, т.е. на резервный блок. Разумеется, в этом случае резервный блок становится недоступен для оставшихся основных модулей, и при переходе в Bypass второго основного модуля подключенный к нему сегмент нагрузки запитывается от незащищенного входа системы.

Системы со смешанной структурой

Системы с чисто последовательной или чисто параллельной структурой встречаются на практике довольно редко. Чаще приходится иметь дело со смешанными структурами: с параллельно-последовательными системами (параллельное соединение последовательных подсистем) и с последовательно-параллельными системами (последовательное соединение параллельных подсистем), представленными на рис., а также их комбинациями.

Кроме того, следует учитывать вид  структуры системы – простые двухполюсные, сетевые, иерархические структуры.

С.А. Филин, 2016 г.

Еще по теме:

N-power_redundancy_article.pdf

ИБП на вырост.pdf

Oбзор типовых схем резервирования.pdf

Резервирование инженерных систем.pdf

Схемы резервирования инженерных систем ЦОД.pdf

Аппаратное резервирование.pdf

Повышение надежности за счет резервирования оборудования.pdf