Fouttolerantie en de impact ervan op de systeembetrouwbaarheid

Apparatuur en systemen die zijn ontworpen zonder fouttolerantie in gedachten, hebben vaak een slechte(re) betrouwbaarheid.

Dit is de reden waarom een ​​fouttolerant systeemontwerp een voor de hand liggende keuze is voor de meeste betrouwbaarheids- en ontwerpingenieurs - vooral als het gaat om kritieke apparatuur waarvan het falen de betrouwbaarheid, beschikbaarheid, onderhoudbaarheid en veiligheid (RAMS) van het hele systeem in gevaar kan brengen. onderdeel van.

Doe met ons mee terwijl we de kenmerken van fouttolerante systemen onderzoeken en manieren bespreken om de fouttolerantie te verbeteren door middel van redundante ontwerpen.

Wat is fouttolerantie?

Fouttolerantie vertegenwoordigt het vermogen van een systeem of apparaat om zijn werking te behouden tijdens de aanwezigheid van een fout.

Systemen en apparatuur met een hoge fouttolerantie kunnen, afhankelijk van het aangenomen fouttolerantiemechanisme, hun werking volledig of gedeeltelijk in stand houden bij het optreden van een fout. Om dit in de praktijk te laten werken, mogen dergelijke systemen geen single point of failure (SPOF) hebben.

De essentie van fouttolerante ontwerpen 

De ontwikkeling van een fouttolerant ontwerp vereist een zorgvuldige afweging van storingen die zich gedurende de gehele levenscyclus van de apparatuur kunnen voordoen, samen met hun waarschijnlijke oorzaken en gevolgen.

De ontwerpingenieurs moeten echter ook rekening houden met de kosten en middelen die nodig zijn om het vereiste niveau van tolerantie, betrouwbaarheid en betrouwbaarheid van de apparatuur te bereiken.

Het wordt vaak verkeerd begrepen dat een fouttolerant ontwerp volledige tolerantie moet bieden voor alle soorten fouten. Dit is niet waar. Een goed ontwerp moet overeenkomen met de mate van tolerantie voor de kriticiteit van de fout, zodat de algehele optimalisatie van kosten- en resource-efficiëntie kan worden bereikt.

Het is bijvoorbeeld misschien niet kosteneffectief om geld uit te geven aan het herontwerpen van producten, alleen om een ​​fout op te lossen waarvan de kans extreem klein is dat deze optreedt.

Kenmerken van fouttolerante systemen

Om een ​​fouttolerant systeem te creëren, zijn inspanningen vereist in elke fase van de levenscyclus van de apparatuur. Dit omvat, maar is niet beperkt tot, de specificatie- en ontwerpfase (inclusief foutdetectiecontroles in het ontwerp), validatie en verificatie (V&V), onderhoud en bediening (gebruikmakend van OEM-goedgekeurde vervangende onderdelen en richtlijnen voor routineonderhoud), en zelfs de verwijderingsfase .

Elke fase kan combinaties van de hieronder vermelde technieken gebruiken om nieuwe ontwerpen te ontwikkelen of huidige te verbeteren om hun niveau van fouttolerantie te verbeteren:

1. foutdetectie en weergave
2. foutdiagnose en -beheersing 
3. foutmaskering en compensatie 

1) Foutdetectie en weergave

Foutdetectie verwijst naar het vermogen van het systeem/de apparatuur om de fout te detecteren en weer te geven. Het is het fundamentele aspect van elk fouttolerant systeem . Alle andere aspecten zijn afhankelijk van de effectiviteit van het foutdetectieproces. Als het systeem niet is ontworpen om zijn fout te detecteren, of op de een of andere manier een fout detecteert, zullen de rest van de aspecten ook niet effectief zijn.

Een eenvoudige luchtdruksensor in een autobandenspanningscontrolesysteem (TPMS) kan bijvoorbeeld de luchtovervulling detecteren en de bestuurder hiervan op de hoogte stellen via het dashboard van de auto.

Een weergave van TPMS-activering

In dit geval is de detectie en weergave het enige acceptabele tolerantieniveau voor deze foutgebeurtenis. De klant kan de luchtslang veilig losmaken voordat de band scheurt.

Als de drukdetectie onnauwkeurig is, kan de bestuurder de slang te vroeg/laat loskoppelen en tijdens het rijden bandenpech krijgen. Aangezien er geen automatische correctie van de luchtdruk is, is het tolerantieaspect voor deze fout beperkt tot alleen detectie en weergave.

2) Foutdiagnose en -beheersing

In meer geavanceerde systemen worden vaak extra lagen toegevoegd in de productontwerpfase. Hun doel is om naast detectie en weergave een diagnose te stellen en insluiting uit te voeren. Deze extra lagen zijn gerechtvaardigd vanwege de kriticiteit van het systeem of vanwege verschillende veiligheidsproblemen.

Een Distributed Control System (DCS) - een besturingssysteem voor procesinstallaties - bewaakt bijvoorbeeld niet alleen kritieke procesparameters via een reeks sensoren, maar voert ook een diagnose uit om de locatie van de fout te detecteren en de noodzakelijke inperking uit te voeren.

Een weergave van het DCS-systeem

Zo wordt bij overdruk van aardolieproducten in een vat het systeem getriggerd door relevante druksensoren. Het opent de veiligheidsdrukklep en voert de dampen uit in de fakkelpijp.

In dit voorbeeld wordt de insluiting uitgevoerd door de ontvlambare damp onder hoge druk naar de uitlaatpijp te leiden, waardoor het systeem wordt beschermd tegen brand of explosie.

3) Foutmaskering en compensatie

Een andere effectieve benadering van fouttolerantie is het maskeren van de foutstatus. Het is zeer effectief voor apparatuur die kan worden gecontroleerd en bestuurd via de Internet of Things (IoT)-technologie.

Met dergelijke apparatuur komt een van de grootste uitdagingen in de vorm van cyberbeveiligingsbedreigingen. Dit soort bedreigingen kan proberen de fout te veroorzaken door de toestand van de apparatuur te wijzigen door valse apparatuurgegevens in de server te injecteren.

Met onjuiste gegevens over de staat van de apparatuur, kan het controle- en bewakingssysteem dat oorspronkelijk bedoeld was om te beschermen, in plaats daarvan het falen van het activum veroorzaken. Als alternatief kan het worden "misleid" door te denken dat het activum in goede staat verkeert, terwijl dit in werkelijkheid niet het geval is - waardoor de verslechtering tot een storing kan leiden zonder waarschuwingen te activeren.

Door foutmaskering op te nemen, is het systeem zo ontworpen dat het die onjuiste waarden kan herkennen en maskeren.

In de elektriciteitsnetten worden de stroomonderbrekers bijvoorbeeld vaak aangestuurd en bewaakt door middel van Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA).

Een weergave van het SCADA-systeem

Een dergelijk systeem houdt de spannings- en frequentieparameters van de elektrische apparatuur nauwlettend in de gaten en zorgt ervoor dat ze sluiten of openen om de stabiliteit van het stroomnetwerk te behouden.

Een inkomende cyberaanval kan de spannings- en frequentielimieten op de apparatuur wijzigen. Gevolgen? Het systeem kan een stroomstoring veroorzaken in plaats van te voorkomen.

Foutmaskering wordt vaak uitgevoerd door middel van algoritmen die afwijkende gegevensstromen detecteren en valse gegevens injecteren met als doel de gegevens te maskeren die de defecte toestand van de apparatuur vertegenwoordigen. Dit voorkomt dat de slechte data-actoren de fout verspreiden en de betrouwbaarheid van het netwerk verder verergeren.

Fouttolerantie verbeteren door redundante ontwerpen

Een van de eenvoudige acties die kunnen worden ondernomen om de fouttolerantie te vergroten, is door redundanties in het ontwerp op te nemen. Redundantie betekent simpelweg de aanwezigheid van een alternatief systeem of oplossing die de beoogde functie kan overnemen als het primaire systeem uitvalt.