ECHIPAMENTE TOLERANTE LA DEFECTARI

Echipamente tolerante la defectari

1. Introducere

Dezvoltarea tehnologica din ultimele decenii a condus la aparitia unor domenii de activitate ce necesita echipamente care sa nu se defecteze pe durata misiunii (centrale nucleare, sateliti de telecomunicatii, transport aerian si cosmic etc). In unele cazuri, starea de defectare poate avea consecinte catastrofale, iar in altele, odata cu prima defectare, se termina si durata de viata a echipamentului, datorita faptului ca interventia operatorului uman nu este posibila (ex. satelitii de telecomunicatii, sondele spatiale etc). Rezolvarea problemei defectarilor in aceste cazuri a condus la elaborarea unor structuri de echipamente tolerante la defectari. Un echipament tolerant la defectari este acel echipament care isi poate continua executia corecta a functiilor sale de intrare / iesire, fara o interventie din exterior, in prezenta unei anumite multimi de defectari ce apar in timpul functionarii sale.

Prin executie corecta se intelege ca rezultatele obtinute (marimile de iesire) nu sunt afectate de erori, iar timpul de executie nu depaseste o limita precizata.

O defectare ce apare in timpul functionarii operationale a unui echipament este o schimbare in valoarea uneia sau a mai multor variabile de iesire sau de stare ce caracterizeaza echipamentul, defectarea fiind consecinta imediata a evenimentului "defect". Evenimentul fizic "defect" poate fi o imperfectiune fizica a unui element al echipamentului, care conduce la o functionare permanent, temporar sau intermitent eronata sau poate fi un factor extern (variatii necontrolabile ale parametrilor mediului ambiant: temperatura, umiditate, vibratii, socuri etc; perturbatii prin camp electric sau electromagnetic etc.) care pot conduce la nefunctionarea echipamentului. Defectarile se clasifica dupa durata in permanente sau temporare, iar dupa extindere pot fi singulare sau multiple.

Defectarile permanente sunt cauzate de defectele permanente ale componentelor echipamentului. Protectia impotriva acestor defectari se poate face fie prin utilizarea de componente de rezerva care vor fi puse in functiune in locul celor defecte, fie prin masuri de reconfigurare in urma carora componenta defecta este izolata, iar functiile ei sunt preluate de alta componenta aflata in rezerva.

Defectele temporare sunt de durata limitata, fiind cauzate de nefunctionari temporare ale componentelor sau de interferente externe, echipamentul revenind la parametrii normali de functionare fara o interventie externa.

Defectarile pseudo-temporare sunt defectari determinate de defectele permanente ale componentelor echipamentului, pentru a caror manifestare este necesara o anumita combinatie a valorilor semnalelor de intrare.

Defectarile singulare (locale) afecteaza o singura variabila corespunzatoare unui semnal de iesire sau unei stari interne, in timp ce defectarile multiple (distribuite) afecteaza mai multe variabile de iesire sau de stare ale echipamentului.

Eroarea este un simptom al unui defect, fiind cauzata de prezenta unei defectari. Se considera ca in momentul utilizarii unui echipament au fost deja eliminate erorile de proiectare si de fabricatie. Eliminarea acestor erori/defecte se realizeaza in timpul testelor de laborator efectuate in vederea omologarii echipamentului respectiv.

O interpretare mai generala data tolerantei la defectari presupune ca aceasta sa includa si totalitatea erorilor de proiectare, nedetectate inainte de utilizarea operationala a echipamentului. Prin tolerarea defectelor nu se intelege o amanare a defectarii echipamentului, ci posibilitatea localizarii automate a elementelor defecte si a dezactivarii elementului afectat de erori, echipamentul continuand sa functioneze corect pe baza elementelor redundante.

Defectarile de proiectare sunt de regula consecinta unor specificatii de proiectare incomplete sau incorecte si se pot manifesta atat pe partea de hardware cat si pe partea de software a unui echipament. Toleranta la defectari este un aspect esential al realizarii echipamentelor fiabile si, in sensul cel mai general, inseamna executia corecta a unui set de operatii specificate in prezenta unui anumit numar de defecte.

Pentru ca echipamentul sa fie considerat tolerant la defectari este necesar ca dezactivarea elementului defect sa se execute automat de catre echipamentul in cauza.

Atunci cand se utilizeaza forme ale redundantei de tip static pentru a implementa toleranta la defectari a unui echipament, se spune ca echipamentul are o toleranta statica la defectari, iar cand se utilizeaza procedee de detectie a defectarilor elementelor echipamentului urmate de inlocuirea modului defect cu unul de rezerva, sau se realizeaza reconfigurarea automata a acestuia, echipamentul va fi cu toleranta dinamica la defectari.

Pentru implementarea tolerantei la defectari a echipamentelor se pot utiliza urmatoarele trei tipuri de strategii:

strategii bazate pe diagnosticarea defectarilor si inlocuirea elementelor defecte;

strategii bazate pe mascarea defectarilor;

strategii hibride bazate pe mascarea defectarilor, diagnosticarea si inlocuirea elementelor defecte.

In toate strategiile intervine "redundanta": fie la nivel hardware sau software, fie o redundanta a functiilor echipamentului. Metodologia de implementare a tolerantei la defectari implica parcurgerea urmatoarelor etape:

specificarea cerintelor de fiabilitate pentru echipament;

selectarea metodelor de diagnosticare a defectarilor si a algoritmilor de mascare a defectarilor sau de reconfigurare a echipamentului;

evaluarea tolerantei la defectari;

calculul performantelor de fiabilitate;

determinarea avantajelor obtinute din punct de vedere economic.

2. Algoritmi de detectie si diagnosticare a defectarilor

Detectia si diagnosticarea defectarilor constituie punctul de pornire a oricarei implementari a tolerantei la defectari, atunci cand aceasta este realizata prin reconfigurarea echipamentului. Algoritmul de diagnosticare a defectarilor contine de regula si toate actiunile de localizare a acestora.

Intr-un algoritm de diagnosticare a defectarilor se disting mai multe abordari [2]:

Testarea initiala, care are loc inaintea utilizarii normale a echipamentului. In aceasta etapa se pot identifica erorile de proiectare sau de fabricatie, elementele defecte (hardware si software).

Testarea "on-line" ce are loc simultan cu functionarea normala a echipamentului. Aceasta se poate realiza fie cu mijloace hardware fie cu mijloace software. Se pot utiliza circuite autotestabile, coduri detectoare de erori, module redundante etc. Aceasta testare are avantajul ca detectia sau diagnosticarea defectarii se poate face inainte de a se produce pierderi importante in echipament.

Testarea echipamentelor in vederea detectiei sau diagnosticarii defectarilor atunci cand operarea normala este intrerupta. Aceasta metoda de testare se realizeaza prin programe speciale de test sau prin executii repetate ale aceleiasi secvente, pentru a se compara rezultatele obtinute. Aceasta testare se desfasoara in timpul operatiilor de mentenanta preventiva, sau cand s-a constatat defectarea echipamentului.

Testarea modulelor redundante consta in verificarea daca modulele de rezerva sunt in buna stare de functionare. Se pot utiliza metode on-line (pentru echipamentele autotestabile) sau metode off-line ce utilizeaza programe de diagnoza, in functie de tipul redundantei folosite.

2.1. Algoritmi de reconfigurare a echipamentelor

Implementarea tolerantei la defectari a echipamentelor utilizand tehnici de reconfigurare presupune in primul rand diagnosticarea defectelor. Toate actiunile intreprinse din momentul diagnosticarii defectului si pana la repunerea in functiune, la parametri nominali, constituie algoritmul reconfigurarii echipamentului [2].

Metodele de reconfigurare se pot clasifica in functie de starea echipamentului dupa reconfigurare astfel:

Metode ce realizeaza o reconfigurare totala a echipamentului, atunci cand echipamentul este adus in starea anterioara defectarii prin inlocuirea elementelor defecte.

Metode ce realizeaza o reconfigurare partiala, adica aduc echipamentul intr-o stare de functionare, dar cu o restrangere a functiilor sale anterioare. Aceasta se realizeaza prin inlaturarea elementului defectat si prin preluarea functiilor sale de catre alte elemente din structura echipamentului.

Metode de deconectare automata a echipamentului. Acestea au drept scop evitarea unor pierderi sau avarii mai mari decat cele produse prin defectarea elementelor in cauza.

Algoritmii de reconfigurare a echipamentelor pot fi implementati atat la nivel hardware cat si la nivel software

2.2. Algoritmi de mascare a defectarilor

Acesti algoritmi se implementeaza utilizand structuri redundante statice (logica majoritara, logica cuadrupla, logica cablata etc). In cazul acestor algoritmi defectarile componentelor nu sunt prezente la iesirea echipamentului, decat numai atunci cand ele afecteaza in totalitate, sau in majoritate elementele de rezerva.

Elementele de rezerva sunt conectate permanent, astfel incat mascarea defectarilor se realizeaza instantaneu. Folosirea tehnicilor de mascare a defectarilor se bazeaza pe presupunerea ca defectarile modulelor de rezerva sunt evenimente independente.

3. Structuri redundante pentru implementarea

tolerantei la defectari

Teoria redundantei foloseste cateva "teoreme-limita" care ghideaza proiectarea echipamentelor cu structura redundanta [2].

Redundanta este o metoda comoda de crestere a fiabilitatii echipamentelor daca defectarile elementelor din componenta echipamentului sunt evenimente independente.

Probabilitatea de defectare a unui echipament cu structura redundanta, scade exponential cu cresterea costului alocat echipamentului.

Implementarea redundantei se poate face prin tehnici de tip static, numite si tehnici de "mascare" a defectarilor si prin tehnici de tip dinamic sau de comutatie.

Realizarea echipamentele tolerante la defectari utilizand tehnicile de tip static prezinta urmatoarele avantaje:

corectia defectarii se face instantaneu;

nu este necesara diagnosticarea defectarilor;

trecerea pe la proiectarea unui echipament fara redundante la proiectarea unui echipament cu redundante este relativ simpla.

Redundanta de tip dinamic implica existenta in componenta echipamentului a mai multor module identice, din care doar o parte sunt operationale, celelalte fiind in asteptare pentru a fi comutate in momentul diagnosticarii unui defect. Acest tip de redundanta este utilizat pentru a realiza echipamente autoreparabile, cand comutarea rezervelor se face in mod automat, sau in realizarea echipamentelor reconfigurabile.

Redundanta de tip dinamic presupune indeplinirea conditiilor urmatoare (uneori considerate dezavantaje):

echipamentul trebuie sa tolereze intreruperile si sa poata executa o reluare a operatiilor pentru a corecta erorile;

se presupune existenta unui comutator sigur care sa conecteze rezervele sau sa execute reconfigurarea in caz de defectare a unui element;

diagnoza se desfasoara in timpul functionarii normale a echipamentului, ceea ce presupune utilizarea unor metode si tehnici de diagnosticare mai complicate.

Avantajele utilizarii redundantei de tip dinamic sunt urmatoarele:

se alimenteaza electric numai o rezerva a echipamentului;

comutatorul realizeaza o izolare a defectului;

numarul de rezerve poate fi ajustat fara a fi nevoie de modificarea proiectarii echipamentului;

nu apar probleme de cuplare intrare / iesire a modulelor redundante.

Implementarea redundantei, in scopul alegerii schemei convenabile, presupune precizarea apriorica a nivelului la care aceasta trebuie aplicata: componenta, modul functional sau la nivelul intregului echipament.

In continuare sunt prezentate exemple de structuri redundante statice de tip individual si global rezultate prin multiplicare (figura 1):

a). Echipament cu structura neredundanta

b). Echipament cu redundanta la nivel individual

c). Echipament cu redundanta la nivel global

Fig. 1. Structuri redundante statice realizate prin multiplicare

Modul de conectare fizica a elementelor de rezerva poate sa coincida sau nu cu modelul logic de fiabilitate. Un exemplu de aplicare a redundantei la nivel global este prezentat in figura 2.

Fig. 2. Echipament cu redundanta la nivel global

Echipamentul initial format din unitatile A, B, a fost dublat, ambele echipamente lucrand on-line si executand sarcini identice pentru a putea compara iesirile. Echipamentul va fi in buna stare de functionare chiar daca unul dintre module se va defecta, identificarea si izolarea elementului defect urmand a fi facuta de un modul suplimentar de verificare a functionarii corecte.

Daca se considera ipotezele urmatoare:

modulele functionale sunt nereparabile;

circuitele care asigura conectarea modulelor sunt perfecte;

defectarile elementelor functionale sunt independente si stationare,

atunci se pot scrie in continuare expresiile functiilor de fiabilitate pentru structurile redundante de tip individual si global (figura 1). Pentru prima structura avem:

(1)

iar pentru structura redundanta la nivel global:

(2)

unde este functia de fiabilitate a elementului i, iar , numarul de rezerve utilizate pentru elementul i.

Pentru acelasi numar de rezerve, functia de fiabilitate a structurii redundante individuale are o valoare mai mare decat functia de fiabilitate a structurii redundante globale, ceea ce rezulta usor din analiza calitativa a celor doua structuri. In cazul structurii redundante la nivel global, defectarea unui element oarecare scoate din functiune si celelalte n-1 elemente aflate in serie cu el, ceea ce nu se constata la structura redundanta individuala, sansele de buna functionare fiind mai mari pentru structura redundanta de tip individual.   

Aplicarea redundantei individuale sau globale se poate face relativ simplu in cazul echipamentelor de tip analogic.

In cazul echipamentelor digitale aplicarea de redundante trebuie facuta luand masuri speciale, in caz contrar putandu-se observa o inrautatire a performantelor de fiabilitate.

Exemplu: Se considera un circuit basculant monostabil (CBM) caruia i se aplica redundanta prin multiplicare, obtinand schema din figura 3.

Daca unul dintre circuite se defecteaza astfel incat nu va da impuls de iesire, schema functioneaza in continuare in mod normal, iar daca circuitul defect va genera impulsuri cu durata incorecta (mai mare decat constanta de timp a CBM) sau va functiona ca astabil, functionarea echipamentului va fi eronata. Rezulta de aici ca este necesar sa se cunoasca toate modurile posibile de defectare ale echipamentului si sa se ia masuri speciale de protectie, specifice fiecarui caz in parte.

Fig. 3. Circuit basculant monostabil cu structura redundanta statica

Trebuie precizat faptul ca dublarea componentelor unui echipament nu conduce intotdeauna la o crestere a fiabilitatii acestuia. Se poate exemplifica acest lucru cu ajutorul echipamentelor autotestabile realizate prin dublare (figura 4).

Fig. Echipament cu structura autotestabila

Comparatorul evidentiaza defectarea unuia din cele doua module identice prin formarea semnalului de STOP. Prezenta unui defect in echipament este sesizata numai daca cele doua module nu sunt afectate simultan de aceleasi erori (defecte).

3.1. Structuri redundante statice de tip individual si global rezultate prin multiplicare

Pentru realizarea unei structuri tolerante la defectari, pornind de la echipamentul autotestabil din figura 4 se poate utiliza structura din figura 5. Defectarea unui modul M nu va mai produce aparitia semnalului de 'STOP', informatia eronata fiind blocata spre iesire de una din portile . Semnalul de iesire va fi dat doar de grupul de module aflate in buna stare de functionare.