10 Резервирование как способ повышения надежности
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.
10.1 Классификация методов резервирования
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:
увеличение в условиях эксплуатации расчетного времени функционирования, необходимого для выполнения поставленной цели или для выпуска заданного количества химической продукции;
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;
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.;
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.