可靠性设计

第三篇可靠性设计（五）

1．5 冗余设计技术

冗余设计技术是大幅度提高系统可靠性水平的有效措施之一，当采用其它设计技术使系统难以达到预定的可靠性目标值时，采用冗余设计技术则常常能解决这一难题。冗余设计技术简而言之就是用一台（套）或多台（套）相同单元（系统）构成并联（可采用热备冗余、温备冗余、冷备冗余等方式），当其中的一套单元发生故障时，系统仍能正常工作的设计技术。

由于冗余设计技术需增加成本，因而不是最先采用的设计方法，只有当其它方法都用尽或当元器件及分系统改进的成本高于使用冗余技术成本时，冗余技术才发挥其效用。

1．冗余系统的分类

按工作特点来分，可分为工作冗余和非工作冗余。所谓工作冗余是指与产品的基本成分处于同样的工作状态的冗余，构成方式有并联冗余和表决冗余；非工作冗余则是指与产品的基本成分不同时工作，仅在基本成分失效时才开始工作的冗余方式。

从冗余的程度分为二重冗余、三重冗余、多重冗余以及N中取K的表决冗余。

从冗余的范围分为元件冗余、部件冗余、子系统冗余和系统冗余等。

2．冗余设计及可靠度计算

①．工作冗余

a）、并联冗余

可靠度公式为：

b）、表决冗余

（2/3）表决系统的可靠度公式为：

（k/N）表决系统的可靠度公式为：

②．非工作冗余

对于非工作冗余的计算则视实际情况而定。

例如某系统在设计过程中对许多单元采用了冗余设计技术，如对其中的局部操作站的终端、中速通讯网的信道、过程控制站的机柜电源等处采用了冗余设计技术，有效

地提高了这几个功能单元及系统的可靠性水平，部分详细计算数据见表1

表 1 采用冗余设计与否的数据对比

正是由于冗余设计技术的采用，从而使该系统的平均无故障工作时间由原来的9700h提高到10400h。

3．冗余设计的特点

（ 1）、冗余设计的局部性

冗余设计不是万能的，多重冗余后，效果并非最好，同时还要受经费的制约。

（2）、部件冗余比全系统冗余更有利提高可靠性

证明如下：

假若有N个单元先串联，然后再冗余，则可靠度为：（式1）

将每个单元并联冗余后在串联，则可靠度为：（式2）

式2-式1等于：

由于Ri>0

2n-1>0

所以式2>式1 即结论成立。

例：有一交流供电线路可靠性逻辑框图如图所示，已知二极

管失效率λD为，电感元件失效率λL为，

电源变压器失效率λB为，蓄电池失效率λS为

，电解电容的失效率λc为，求该供电系统10000h的可靠度。

可靠性逻辑框图

解：（1）工作单元失效率预计：

=

（2）备用单元失效率预计：

=

（3）供电系统的可靠度：