Фильтр по тематике

Безотказность преобразователя напряжения с параллельными резервированными силовыми каналами

В статье рассмотрена адаптация стандартного подхода к оценке безотказности резервированных систем применительно к преобразователям напряжения и проведена сравнительная оценка различных способов резервирования их силовых каналов.

Безотказность преобразователя напряжения с параллельными резервированными силовыми каналами

Исследования причин отказов средств вычислительной техники (СВТ), установленных в центрах обработки данных (ЦОД) [1], показывают, что преобладающее их количество обусловлено влиянием человеческого фактора. Учитывая постоянное усложнение СВТ, увеличение объёма и уровня критичности решаемых ими задач, всё более высокие требования предъявляются к квалификации обслуживающего персонала. К тому же участие оператора в обслуживании вспомогательных систем СВТ, таких как системы их электропитания, отвлекает его от выполнения основных задач, что повышает вероятность возникновения нештатных ситуаций, приводящих к сбоям в работе СВТ, отказам и авариям. В связи с этим задача максимального снижения доли оперативного участия обслуживающего персонала в обеспечении штатной работы СВТ в целом и систем их электропитания в частности является весьма актуальной.

При наличии в системах электропитания развитых подсистем контроля, определяющих отказы на уровне основных функциональных узлов, главной задачей оператора является свое­ временная замена вышедших из строя сменных составных частей системы электропитания на работоспособные из состава комплекта ЗИП. От продолжительности восстановления работоспособности системы электропитания зависит выполнение регламентированного значения средней наработки на отказ СВТ в целом.

Для повышения вероятности безотказной работы системы электропитания при некотором снижении требования к оперативности замены оператором отказавшей составной части относительно давно используются преобразователи напряжения (ПН) с параллельной работой однотипных силовых каналов (СК) на общую шину нагрузки ПН. При этом в ПН закладывается определённая избыточность по мощности для осуществления резервирования по способу N+1, т.е. в них имеется общее количество М СК, работающих совместно, из которых N суммарно обеспечивают заданное значение выходной мощности ПН, а один является нагруженным резервным, заменяющим один любой отказавший из N СК без участия оператора, при этом отказ системы не происходит. Участие оператора требуется для своевременного восстановления утраченного резерва, заключающегося в замене «на ходу» отказавшего СК на исправный из состава ЗИП.

В любых обслуживаемых системах безотказность определяется двумя составляющими: собственной безотказностью компонентов системы и временем их восстановления, поэтому невыполнение оператором по любой причине своевременной замены отказавшего компонента вызовет увеличение второй составляющей. В связи с этим данный способ резервирования ПН эффективен только в том случае, если предполагаемое восстановление ПН будет произведено в регламентированный интервал времени с момента обнаружения отказа СК. При невыполнении этого условия следующий отказ любого из оставшихся работоспособных N СК вызовет и отказ ПН (системы электропитания с зависимым отказом СВТ).

С целью существенного облегчения решения данной проблемы применяют другой способ резервирования, а именно N+L, при котором в ПН, кроме N основных, устанавливают L>1 нагруженных резервных СК.

Увеличение количества нагруженных резервных СК в ПН сверх одного, обеспечивающего расчётное время безотказной работы c заданной вероятностью, позволяет проводить замену отдельных отказавших за это время СК в предусмотренный период технического обслуживания. При этом может быть использован более укомплектованный групповой ЗИП.

Третий применяемый способ резервирования – N+1+K, при котором в ПН, кроме N основных, устанавливают дополнительно 1 нагруженный резервный СК и K ненагруженных резервных СК.

Главное достоинство двух последних способов – отсутствие необходимости оперативного обслуживания в межрегламентный период. При этом способ резервирования N+L привлекателен своей относительной простотой, а N+1+K – отсутствием расходования ресурса у невключённых резервных СК. Но здесь возникает расхождение во взглядах разработчиков на реализацию конкретного способа резервирования. Разность мнений обусловлена ответом на вопрос: в каком режиме должны работать резервные СК – нагруженном или ненагруженном?

Рассмотрим два многоканальных ПН, для каждого из которых справедливо следующее:

  • ПН состоит из M идентичных СК;
  • все СК соединены параллельно;
  • СК в количестве N условно являются основными;
  • СК в количестве L условно являются резервными;
  • отказ любого из СК не влияет на возникновение отказов остальных СК;
  • ПН работает непрерывно до предельного состояния;
  • восстановление отказавших СК не производится.

При этом в первом ПН применён способ резервирования N+L, при котором все L резервных СК находятся в нагруженном режиме, а во втором ПН – способ резервирования N+1+K, при котором один резервный СК находится в нагруженном режиме, а K резервных СК (K=L-1) – в ненагруженном. В дальнейшем для краткости будем первый и второй ПН называть ПН с нагруженным и ненагруженным резервом соответственно.

Оценку этих ПН будем вести путём сравнения наиболее характерного показателя их безотказности – гамма­процентной наработки до отказа.

В большинстве случаев СК в рассматриваемых ПН представляют собой промышленно выпускаемые преобразователи в модульном исполнении. Данные модули являются электронными изделиями, а их наработка до отказа, согласно [2], подчиняется экспоненциальному закону распределения с постоянной интенсивностью l. При этом поведение обоих ПН во времени будет описываться однородным марковским процессом [3], которому соответствует граф переходов состояний, представленный на рисунке 1.

Представленный граф следует интерпретировать следующим образом: ПН может находиться в конечном счётном множестве {M} состояний, причём нахождение ПН в этих состояниях образует группу несовместных случайных событий. Переход из одного состояния в другое осуществляется с интенсивностью перехода Λi, i∈{M} при отказе любого из СК, включённых в текущем состоянии i. При этом состояние M является поглощающим, т.е. состоянием отказа ПН в целом, а все состояния, кроме M, – непоглощающими, или состояниями работоспособности.

Гамма­процентная наработка ПН до отказа зависит от вида функции вероятности безотказной работы и может быть получена из следующего выражения:

где 
γ – заданное значение вероятности безотказной работы, P(t) – функция вероятности безотказной работы ПН, определяемая, согласно [3], следующим образом:

Модель отказов СК в общем характеризуется интенсивностью отказов 
λ. Тогда интенсивность перехода ПН из одного состояния в другое Λi, согласно [3], определяется следующим образом:


г
де:

  • индекс AR означает Active Reserve – нагруженный резерв;
  • индекс SR означает Standby Reserve – ненагруженный резерв;
  • коэффициент подобия ξ равен отношению суммарной интенсивности отказов контрольно­переключающих устройств каждого из СК к интенсивности отказов СК λ;
  • коэффициент подобия ζ характеризует долю интенсивности отказов, приходящуюся на компоненты СК, не зависящие от нагрузки ПН;
  • Af – коэффициент ускорения Аррениуса, характеризующий влияние температуры СК на его интенсивность отказов и определяемый по [5].

Гамма­процентная наработка ПН в соответствии с (2) и с учетом (3) и (4) будет определяться следующим образом:

Для оценки пары значений (5) и (6) будем использовать величину относительного отклонения δ(T1), характеризующего отклонение показателя T1 от комплиментарного ему показателя T2:

В качестве T1 для (6) будем использовать показатель безотказности ПН с нагруженным резервом, а в качестве T2 – соответствующий показатель безотказности ПН с ненагруженным резервом.

Подставляя в (6) соответствующие значения наработок, получим зависимость, представленную на рисунке 2. Для определённости при расчёте вероятность безотказной работы g принята равной 0,99999. В качестве аргументов функции и δ(TARγ) выступают количество основных и резервных СК. При этом количество основных СК целесообразно определять исходя из их требуемой мощности, которую удобно представить в виде доли суммарной мощности ПН ∆P.

Анализ зависимости, представленной на рисунке 2, показывает, что величина рассматриваемого относительного отклонения растёт с уменьшением количества основных и увеличением количества резервных СК. Практически для всех комбинаций, позволяющих реализовать способ резервирования N+1+K, т.е. при L≥2, величина относительного отклонения больше нуля, что означает соответствующее превышение величины наработки ПН с ненагруженным резервом.

Преимущество использования ненагруженного резерва по сравнению с нагруженным в ряде случаев заключается в возможности увеличения наработки до отказа (увеличение вероятности безотказной работы) при том же количественном составе СК, что и у ПН с нагруженным резервом, а также в возможности сокращения количества резервных СК при сохранении того же значения наработки, что и у ПН с нагруженным резервом.

Кроме того, применение ненагруженного резервирования позволяет реализовать в ПН временну¢ю и ситуационную ротации [7], что также позволит достичь вышеописанных положительных результатов.

На основании вышеизложенного можно сформулировать основные преимущества применения ненагруженного резервирования и, в частности, способа резервирования N+1+K по сравнению с нагруженным резервированием по способу N+L.

Во­первых, при любом количестве резервных СК (не превышающем количества основных СК) гамма­процентная наработка до отказа ПН выше до 20%, и чем меньше основных СК при прочих равных условиях, тем больше прирост наработки ПН. Добавление каждого нового резервного СК увеличивает данную разницу в наработках на величину до 7,5% также в зависимости от количества основных СК.

Во­вторых, благодаря наличию автоматизированной системы контроля и управления, обусловленной применением способа резервирования N+1+K, появляется возможность реализации в ПН временнóй ротации [7], при которой за счёт равномерного и периодического расходования ресурса СК появляется возможность ещё большего повышения безотказности ПН в целом при одновременном сокращении количества резервных СК.

Следует отметить, что ввиду простоты реализации применение способа резервирования N+1 (частный случай N+L) целесообразно в недорогих и некритичных приложениях, а способа N+L, и особенно N+1+K, – в ответственных приложениях, для которых предъявляются высокие требования к безотказности.

Благодаря наличию в ПН со способом резервирования N+1+K магистрально­модульной архитектуры и аппаратной избыточности появляется возможность реализации в нём дополнительных преимуществ: параметрической многовариантности, адаптивности к внешним и внутренним условиям, а также организации динамической выходной шины постоянного тока [8–10].

Литература

  1. И.К.С. Исследования. Консалтинг. Стратегии. Исследование причин отказов в ЦОД. Пути снижения рисков – 2013.
  2. ГОСТ Р 27.004­2009. Надёжность в технике. Модели отказов. – М.: Стандартинформ, 2010. – 18 с.
  3. Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчёту надёжности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. – М.: Советское радио, 1975. – 472 с.
  4. Четин А.Н. Влияние структуры управляющей части на надёжность системы электропитания. Вопросы радио­электроники, сер. ЭВТ. 2012. Вып. 2. С. 162–170.
  5. Четин А.Н. Параллельная работа и безотказность преобразователей напряжения. Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ. 2013. Вып. 2. С. 156–161.
  6. Радиосхемы. Схема преобразователя напряжения: http://www.radioskot.ru
  7. Четин А.Н. Применение метода ротации силовых каналов для повышения безотказности многоканального преобразователя напряжения. Практическая силовая электроника. 2013. № 49(1). С. 33–36.
  8. Либенко Ю.Н., Михальченко Г.Я., Четин А.Н. Специфические возможности систем вторичного электропитания с магистрально­модульной архитектурой. Доклады ТУСУРа. 2011. № 2(24). Ч. 1. С. 264–268.
  9. Либенко Ю.Н. Эволюция интеллектуализации средств вторичного электропитания. Практическая силовая электроника. 2012. № 2(46). С. 10–13.
  10. Либенко Ю.Н. Эксплуатационные возможности преобразователей напряжения с магистрально­модульной архитектурой. Практическая силовая электроника. 2012. № 4(48). С. 6–9.

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!

Комментарии
Рекомендуем

  Подписывайтесь на наш канал в Telegram и читайте новости раньше всех! Подписаться