5.2 Основні поняття, визначення і класифікація методів резервованих ТЗ

Резервуванням називають метод підвищення надійності ТЗ за рахунок введення надлишку. Під надлишком при цьому розуміють додаткові засоби і можливості окрім мінімально необхідних для виконання ТЗ заданих функцій. Таким чином, задачею введення надлишку є забезпечення нормального функціонування ТЗ після виникнення відмов у її елементах.

Відповідно до ГОСТ 13377-75 розрізняють три основних види резервування:

- структурне;

- інформаційне;

- тимчасове.

Структурне резервування (або апаратне) передбачає використання надлишкових елементів ТЗ. Суть такого виду резервування полягає в тому, що в мінімально необхідний варіант ТЗ, елементи якого називають основними, вводяться додаткові елементи, вузли, пристрої або навіть замість одного ТЗ передбачається використання декількох ідентичних ТЗ. При цьому надлишкові резервні структурні елементи, вузли, пристрої тощо, призначені для виконання робочих функцій при відмові відповідних основних елементів, вузлів і пристроїв.

Інформаційне резервування передбачає використання надлишкової інформації. Найпростішим прикладом реалізації такого виду резервування є багаторазова передача одного й того ж повідомлення по каналу зв'язку. Як інший приклад можна навести використання спеціальних кодів, що виявляли до виправлення помилки, (коди з повторенням і інверсією, циклічний код, код Хеммінга і т. ін.), які з'являються в результаті збоїв і відмов апаратури. Тут варто відмітити, що використання інформаційного резервування спричиняє також необхідність введення надлишкових елементів.

Тимчасове резервування передбачає використання надлишкового часу. У випадку застосування цього виду резервування передбачається можливість поновлення функціонування ТЗ після того, як воно було перервано в результаті відмови, шляхом його відновлення. При цьому також передбачається, що на виконання ТЗ необхідної роботи приділяється час, свідомо більший мінімально необхідного.

Перераховані види резервування можуть бути застосовані або до ТЗ у цілому, або до окремих їхніх елементів чи до груп таких елементів. У першому випадку резервування називається загальним, у другому – роздільним.

Найбільш широкого поширення в даний час одержало структурне резервування. ТЗ із використанням цього виду резервування можуть класифікуватися за різними ознаках, основними з яких є:

- реакція ТЗ на появу відмови;

- режим роботи резервних елементів;

- вигляд схеми резервування;

- спосіб включення резервних елементів;

- ступінь надмірності тощо.

У першу чергу різні резервовані ТЗ відрізняються один від одного реакцією на появу відмов, тобто своїми «динамічними» властивостями. З цього погляду розрізняють два методи резервування: активне і пасивне.

У першому випадку структура ТЗ така, що з появою відмови вона перебудовується і відбувається відновлення роботоздатності, тобто відбувається ніби «саморемонт» ТЗ. При цьому ТЗ активно реагує на появу відмови. Звідси і назва методу резервування.

При пасивному резервуванні ТЗ відмова одного або навіть декількох елементів не впливає на його роботу. Елементи з'єднані постійно і перебудова структури не відбувається. ТЗ ніби пасивно чинить опір появі відмов елементів.

Як при активному, так і при пасивному методах резервування велике значення мають режими роботи резерву. Однак, якщо в першому випадку для розрахунку важливо знати навантаження на резервні елементи до появи відмови, то в другому випадку – після появи відмови.

За цією класифікаційною ознакою для активного резервування розрізняють навантажений, полегшений і ненавантажений резерви.

Навантажений резерв – резервний елемент знаходиться в тому ж режимі, що й основний. При цьому приймається, що характеристики надійності резервних елементів у період їхнього перебування як резервних і в період їхнього використання замість основних після відмови останніх залишаються незмінними.

Полегшений резерв – резервний елемент знаходиться в менш навантаженому режимі, ніж основний. При цьому приймається, що характеристики надійності резервних елементів у період їхнього перебування як резервних вища, ніж у період їхнього використання замість основних після їх відмови.

Ненавантажений резерв – резервний елемент практично не несе навантаження до початку виконання ним функцій основного елемента. При цьому приймається, що такий резервний елемент, знаходячись у резерві, відмовляти не повинен, тобто має в цей період «ідеальну» надійність. У період же використання резервного елемента замість основного після відмови останнього надійність резервного елемента стає рівною надійності основного.

При відмові хоча б одного із елементів ТЗ з пасивним резервуванням може змінюватися навантаження, що сприймається елементами, які залишились роботоздатними. Саме тому, у ТЗ із пасивним резервуванням велике значення мають умови роботи елементів після появи відмови, тобто стабільність навантаження на елементи, що залишилися роботоздатними. За цією ознакою розрізняють три види ТЗ із пасивним резервуванням:

- з незмінним навантаженням (при відмові одного або декількох елементів не змінюється навантаження на елементи, що залишилися роботоздатними);

- з перерозподілом навантаження (при відмові хоча б одного елемента змінюється, як правило в бік збільшення, навантаження на елементи, які залишились роботоздатними);

- з навантажуваним резервуванням (резервуванням за навантаженням), у яких при відмові хоча б одного елемента технічний засіб виходить з ладу, але інтенсивність відмов елементів зменшена за рахунок того, що навантаження, яке повинен сприймати один елемент, сприймається декількома елементами.

При пасивному резервуванні найбільший виграш у надійності досягається в ТЗ із незмінним навантаженням, найменший – з резервуванням за навантаженням. Тут варто підкреслити, що в ТЗ з активним резервуванням відбувається порушення роботи об'єкта на час з моменту відмови основного елемента до моменту включення резервного. Таким чином, якщо така перерва в роботі ТЗ принципово неприпустима, то метод пасивного резервування є єдино можливим. І це один із найбільш суттєвих моментів, на який розроблювач ТЗ повинен звернути свою увагу при виборі між активним і пасивним методами резервування.

Обидва розглянутих вище методи реалізуються за різними схемами резервування. Принципового розходження між видами схем резерву немає.

Однак при цьому все-таки розрізняють резервування загальне, автономне, окреме, одиничне, внутрішньоелементне, ковзаюче та з вибірковими схемами.

Загальне резервування полягає в резервуванні ТЗ в цілому і, завдяки своїй простоті, цей спосіб є найбільш відомим (рис. 5.1, а).

Рисунок 5.1 – Структури загального резервування: а) – схема загального активного резервування; б) – схема автономного резервування; ВхБ – вхідний блок; – основні ТЗ; – резервні ТЗ; – перемикачі; ВихБ – вихідний блок

Автономне резервування – один з варіантів загального. Воно полягає в застосуванні декількох незалежних об'єктів, що виконують одну й ту ж саму задачу. Кожний з цих об'єктів має свій вхід і вихід і, звичайно, незалежні джерела живлення. Прикладом об'єктів з автономним резервуванням може служити сукупність засобів вимірювання, що виконують ті самі вимірювання, при цьому кожен засіб має свої вхідні датчики, перетворювачі та джерела живлення. Автономне резервування, як правило, застосовується при проведенні відповідальних експериментів у системах відповідального призначення. При цьому автономне резервування (див. рис. 5.1, б) завжди є пасивним.

Окреме резервування полягає в резервуванні ТЗ за окремими елементами або їхніми групами (ділянками). ТЗ з активним загальним резервуванням можна вважати частковим випадком ТЗ із окремими резервуванням при одній ділянці резервування.

Одиничне резервування полягає в заміні елементів ТЗ елементарними резервованими схемами (звичайно пасивними). У складних ТЗ дуже важко знайти раціональну схему окремого резервування. Крім того, схеми резервування різних ТЗ щоразу доводиться проектувати знову, що вимагає іноді досить значних матеріальних затрат і часу. Тому одиничне резервування, при якому найпростіші схеми резерву типових елементів можуть виконуватися у вигляді готових блоків (комірок), часто виявляється зручним через простоту побудови складних резервованих ТЗ. При одиничному резервуванні не потрібно складати спеціальних схем, а можна просто ставити на місце кожного елемента у функціональній схемі ТЗ його аналог – типову резервовану комірку.

Внутрішньоелементне резервування полягає в резервуванні внутрішніх зв'язків елемента. Якщо при одиничному резервуванні використовуються схеми з існуючих елементів (комірок), то застосування внутрішньоелементного резервування пов'язано із зміною конструкції елемента. Прикладом використання внутрішньоелементного резервування може служити так званий релер - резервоване реле.

Змінне резервування застосовується в ТЗ із великою кількістю однакових елементів. Воно полягає в тому, що використовується невелике число резервних елементів, що можуть підключатися замість будь-якого з несправних елементів основного ТЗ.

При резервуванні з вибірковою схемою порівнюються сигнали на виході непарного числа паралельно працюючих засобів і в зовнішнє коло видається сигнал, наявний на виході більшості засобів. Вибіркові схеми застосовуються в тих випадках, коли важко установити, відмовили чи ні окремі засоби.

За способом включення резервних елементів усі розглянуті вище схеми резервування поділяються на схеми з постійно включеним резервом (постійне резервування) і схеми резервування заміщенням.

Постійне резервування – це таке резервування, при якому резервні елементи беруть участь у функціонуванні ТЗ нарівні з основними. При цьому основні і резервні елементи можуть мати загальний вхід і загальний вихід, зокрема, гальванічний зв'язок за входом і виходом, а можуть бути і автономними, тобто не мати такого зв'язку. При постійному резервуванні у випадку відмови основного елемента не потрібно спеціальних перемикальних пристроїв, що вводять у дію резервний елемент, оскільки він вводиться в дію одночасно з основним.

Резервування заміщенням – це таке резервування, при якому функції основного елемента передаються резервному тільки після відмови основного. При використанні цього виду резервування необхідні контролювальні і перемикальні пристрої для виявлення факту відмови основного елемента та переключення з основного на резервний.

Ще однією класифікаційною ознакою резервованих ТЗ є ступінь надмірності, що характеризується кратністю резервування.

Кратність резервування – це відношення кількості резервних елементів до кількості резервованих або основних елементів ТЗ. Розрізняють резервування з цілою і дробовою кратністю. Резервування з цілою кратністю має місце, коли один основний елемент резервується одним і більше резервними елементами. Резервування з дробовою кратністю має місце, коли два і більше однотипних елементи резервуються одним і більше резервними елементами. Найбільш розповсюдженим варіантом резервування з дробовою кратністю є такий, коли кількість основних елементів перевищує кількість резервних. Резервування, кратність якого дорівнює одиниці, називається дублюванням.

Слід зазначити, що надійність ТЗ значною мірою визначається застосуванням резервування з відновленням або без нього. Резервування, при якому роботоздатність будь-якого основного і резервного елементів ТЗ у випадку виникнення відмов підлягає відновленню в процесі експлуатації засобу, називається резервуванням з відновленням. У іншому випадку має місце резервування без відновлення.