Ingineria fiabilitatii si disponibilitatii

PREFATA

Am intalnit notiunea de fiabilitate in urma cu mai bine de cincizeci de ani, pe vremea in care eram student desi nu aveam, atunci, in Planul de invatamant o disciplina care sa abordeze acest subiect. Era, de fapt, o tema de cercetare propusa de profesorii nostri pentru Cercurile stiintifice studentesti.

In Romania, preocuparile din domeniul fiabilitatii au evoluat rapid, poate si pentru ca in 1968 s-a elaborat Programul nuclear national al Romaniei, iar in 1974 au intrat in vigoare reglementari nationale privind securitatea nucleara si protectia fizica. In planurile de invatamant de la facultatile tehnice s-au introdus discipline de specialitate pentru pregatirea viitorilor ingineri.

Apoi, ca inginer, m-am ocupat de cercetarea si realizarea echipamentelor electrice utilizate in mediu exploziv, in special in industria miniera si petroliera, la care siguranta in functionare era una dintre conditiile esentiale. Unele dintre acestea au functionat in zone apropiate de Cercul polar.

Asadar notiunea de „fiabilitate” si tehnicile pentru asigurarea fiabilitatii m-au insotit, mai mult sau mai putin, in activitatea mea inginereasca.

Dupa 1990 colaborarea cu SOFTRONIC, mai bine zis cu persoanele care, in diverse etape, si-au legat numele de compania care poarta acum acest nume, a fostsistematica, constanta, desi subiectele au fost diverse.

De cativa ani subiectul discutiilor noastre atinge, adesea, zona „ingineriei fiabilitatii” care, pentru autori, reprezinta mai mult decat o preocupare inginereasca, fiind esenta relatiilor contractuale cu beneficiari exigenti si competenti.

Asa s-a nascut cartea „Ingineria fiabilitatii si disponibilitatii” pe care o recomand, cu convingere, atat celor care sunt la inceput de drum profesional ingineresc, cat si celor care au parcurs o buna bucata din acest drum. Veti intalni, la inceput, notiunile de baza din domeniul fiabilitatii. Apoi veti descoperii Ingineria fiabilitatii si Matematica fiabilitatii, veti afla cate ceva despre Reducerea ratei defectelor, despre Predictia fiabilitatii si despre Cresterea fiabilitatii. La final veti descoperi ca Ingineria fiabilitatii a evoluat, in timp, ajungandu-se acum la Ingineria disponibilitatii. Eu, citind aceasta carte, am revazut, cu ochii mintii, drumul pe care l-a parcurs Joseph Moses Juran de la Braila, unde s-a nascut in 24 decembrie 1904, pana la admiratia colegilor de facultate, care il respectau pentru performantele sale, si pana la recunoasterea
mondiala ca fiind unul dintre parintii managementului calitatii.

Prof. dr. ing. Gheorghe Manolea

CUVANT INAINTE

De mai bine de douazeci de ani aproape orice instalatie, utilaj, sau echipament mecanic, pneumatic, hidraulic sau de alta natura are in componenta echipamente electronice cu rol de control, comanda sisemnalizare. Aceasta abordare se bazeaza pe capacitatea echipamentelor electronice de a executa functii de complexitate ridicata la un cost incomparabil mai redus decat daca arfi realizate prin alte mijloace. Mai mult, o serie de functii de complexitate ridicata nu pot firealizate decat utilizand facilitatile oferite de electronica. Electronica a fostsamburele din care s-au nascut o serie de domenii de cercetare si productie fara de care atat industria electronica, dar si alte industrii nu s-ar fi putut dezvolta. Intre aceste activitati un loc aparte il ocupa dezvoltarea produselor electronice. Dezvoltarea cuprinde stabilirea cerintelor viitorului produs, proiectarea hardware si software, analiza fiabilitatii sisigurantei si atestarea prin teste fizice sau analitice a indeplinirii functiilor. Toate aceste activitati sunt supuse unor reguli manageriale care prin planificare, atribuire de sarcini, monitorizare si control asigura obtinerea rezultatelor propuse.

In evolutia electronicii, un loc aparte l-a ocupat dezvoltarea microprocesoarelor si a software-lui. Azi, toate procesele, mai mult sau mai putin complexe, sunt conduse de microprocesoare care realizeaza functii de masurare, control si comanda prin implementarea unor algoritmi ce necesita un volum mare de calcul executat intr-un timp foarte scurt. In mare parte, subsistemele electronice au luat locul unor mecanisme realizate cu parghii si came care nu puteau realiza functii de mare complexitate. In plus, aceste sisteme mecanice ridicau pretul produsului, aveau o fiabilitate scazuta si necesitau reglaje si intretinere la intervale scurte de timp.

In ultimii 50-60 ani atentia inginerilor a fost indreptata spre elaborarea de metode si tehnici destinate dezvoltarii si fabricatiei de sisteme electronice cu fiabilitate, disponibilitate si siguranta ridicata care sa asigure o functionare continua si sigura un timp cat mai indelungat. Toate acestea au fost posibile, in primul rand, datorita interesului major al industriei de armament, a comunicatiilor si al cercetarii spatiului cosmic.

Integrarea electronicii in instalatii industriale, mijloace de transport terestre, navale sau aeriene, echipamente medicale, echipamente de masurare, aparatura de comunicatii, birotica si casnica este un proces continuu care se bazeaza atat pe cresterea performantelor functionale, tehnice si de calitate, dar si pe costurile scazute de dezvoltare si fabricatie. Cresterea performantelor functionale si calitative a dispozitivelor electronice a permis dezvoltarea de echipamente care pot realiza functiuni de comanda si control imposibil de realizat prin alte mijloace. In acest fel, teoria sistemelor automate si-a gasit intrutotul aplicabilitate. Astfel, reglarea adaptiva, adaptiv-optimala sau controlul stabilitatii au ajuns sa fie aplicatii comune pentru procese din toate industriile.

Desigur, generalizarea utilizarii echipamentelor electronice nu ar fi fost posibila fara ca acestea sa aiba o functionare continua fara defecte un timp cat mai indelungat sau, in termeni consacrati in inginerie, sa fie fiabile. Cresterea continua a cerintei pentru produse cu performante din ce in ce mai ridicate a determinat luarea in considerare a aportului pe care il are fiecare etapa a ciclul de viata la dezvoltarea si fabricarea de echipamente cu cea mai buna fiabilitate, disponibilitate si siguranta. La prima vedere costurile acestui mod de a dezvolta, fabrica si exploata noi produse sunt mari. O analiza, chiar superficiala, arata ca avantajele acestei abordari sunt incomparabil mai mari fata de costul platit. Utilizand aceasta abordare si noile teorii elaborate pentru cresterea performantelor de fiabilitate, disponibilitate si siguranta s-au obtinut produse cu performante ce numai cu cativa zeci de ani in urma pareau de domeniul irealului.

Azi se fabrica produse sigure pentru oameni, pentru integritatea mediului si a altor bunuri, cu fiabilitate si disponibilitate foarte ridicate. Ca exemplu, ne putem gandi la fiabilitatea si disponibilitatea produselor pe care le utilizam zilnic, fie ele automobile, televizoare, computere personale, frigidere, aparate de aer conditionat, masini de spalat etc. Toate acestea au o fiabilitate si disponibilitate foarte mare in comparatie cu cea a acelorasi produse fabricate numai cu 10 sau 20 de ani in urma. Mai mult, avioanele, rachetele, satelitii, aparatura medicala, aparatura si echipamentele nucleare sau chimice etc. au o fiabilitate incredibil de buna, performanta care, pe langa o functionare de lunga durata fara intreruperi, asigura siguranta persoanelor, protectia mediului sau a altor bunuri impotriva actiunilor cu potential distructiv sau vatamator.

Fiabilitatea se defineste ca probabilitatea ca un produs sa isi indeplineasca functiile fara defectare in conditii de functionare date si o anumita perioada de timp. Orice abatere de la probabilitatea initial stabilita aduce dupa sine costuri greu de anticipat si impartit intre producator si utilizator. Ca urmare, o functie importanta a fiabilitatii este anticiparea posibilelor defectiuni si stabilirea unor obiective de acceptare a fiabilitatii care vor limita aparitia defectelor si a costurilor aferente. Uzual, aceste obiective de fiabilitate sunt cerinte specifice care fac parte din specificatia cerintelor fiecarui produs. Apoi, echipamentele electronice care realizeaza functii de control si comanda pentru o instalatie tehnologica, un utilaj sau un echipament complex trebuie sa aiba o fiabilitate ridicata care sa garanteze functionarea continua cel putin a unei perioade de timp egala cu intervalul de timp dintre operatiuni succesive de intretinere preventiva.

Cum este si firesc, dea lungul timpului, necesitatea cresterii fiabilitatii a generat o multitudine de teorii. Una dintre teorii stabilea ca o fiabilitate crescuta poate fi obtinuta prin cresterea calitatii fabricatiei produsului. In acest sens, au fost introduse masuri de control si testare a calitatii in toate fazele de productie. Experienta a dovedit ca aceasta abordare nu a dat rezultatele scontate, cresterea de fiabilitate nefiind importanta. Metoda care si-a dovedit fezabilitatea ia in considerare toate etapele ciclului de viata prin care trece produsul de la conceptie pana la eliminare datorita imbatranirii. Aceasta metoda, specifica ingineriei sistemelor, asigura obtinerea celor mai bune rezultate, produsele dezvoltate astfel avand cele mai bune caracteristici de fiabilitate, disponibilitate si siguranta.

In scopul analizei, estimarii si cresterii fiabilitatii au fost dezvoltate o serie de concepte si metode de lucru care reclama competente si abilitati specifice atribuite inginerului de fiabilitate. Inginerul de fiabilitate are rolul de a analiza fiabilitatea, de a face estimari ale probabilitatii de defectare, de a examina cauzelor defectelor, de a elabora solutii aplicabile care sa diminueze probabilitatea de aparitie pana la o limita suportabila si de a elabora proceduri de test care sa verifice respectarea cerintelor de fiabilitate.

Atributiile inginerului de fiabilitate le completeaza pe cele ale inginerului de calitate. Inginerii de calitate analizeaza si stabilesc daca produsul aflat in fabricatie isi indeplineste functiile la nivelul de performanta tolerat, in timp ce inginerii de fiabilitate analizeaza si stabilesc daca fiabilitatea estimata se realizeaza in exploatare. Desigur, in limita atributiilor primite, ambele categorii propun masuri de imbunatatire a performantelor calitative sau de fiabilitate.

Odata ce un produs a fost fabricat, traditional, functia de asigurare a calitatii si-a facut treaba desi cautarile privind imbunatatirea calitatii vor continua atata timp cat produsul se afla in fabricatie. Intrebarea la care trebuie raspuns se refera la ce se intampla dupa ce produsul a parasit punctul de receptie a calitatii si trebuie expediat la beneficiar, instalat, pus in functiune si exploatat. Aici intervine functia de fiabilitate care se concentreaza, in principal, pe ceea ce se intampla dupa receptia calitativa cautand raspunsuri la intrebari precum: fiabilitate produsului este cea estimata? care sunt componentele care cedeaza prematur? ce modificari ar trebui aduse specificatiei cerintelor, proiectului, procesului de fabricatie sau intretinere pentru a imbunatati fiabilitatea?

In faza de dezvoltare, atat functiile de calitate, cat si cele de fiabilitate au scopul de a propune modalitati rentabile de a satisface si a depasi asteptarile clientilor. Acest lucru impune elaborarea unui proiect care sa satisfaca cerintele ambelor functii si dupa care sa se fabrice un produs ce indeplineste toate cerintele functionale si tehnice si poate functiona o perioada de timp acceptabila.

Fiabilitatea si disponibilitatea sunt afectate de toate etapele de dezvoltare, de toate procesele utilizate la fabricarea produsului, de calitatea activitatilor de intretinere preventiva si corectiva si de modul de exploatare. Prin urmare, proiectantii de produse si procese trebuie sa inteleaga cum fiecare etapa a ciclului de viata poate afecta fiabilitatea si disponibilitatea si sa elaboreze un proiect care sa poata face fata tuturor cerintelor functionale si de exploatare. Mai mult, fiabilitatea poate afecta dramatic siguranta pe care produsul trebuie sa o asigure persoanelor cu care intra in contact, mediului sau bunurilor. Obtinerea unor produse fiabile si sigure in exploatare este un proces complex, in care intelegerea cerintelor, analiza impactului fiecarei etape a ciclului de viata, aplicarea tehnicilor si metodelor de proiectare trebuie sa beneficieze de practicile bune rezultate in urma unor experiente anterioare pozitive.

Principalul scop economic al ingineriei fiabilitatii este optimizarea cheltuielilor ciclului de viata fata de cerintele de fiabilitate si disponibilitate. Este evident ca, cerinte de fiabilitate si disponibilitate foarte ridicate atrag cheltuieli mari de dezvoltare si fabricatie si implicit de vanzare. Prin urmare, stabilirea cerintelor de fiabilitate trebuie corelata cu durata de viata utila, cu costurile de intretinere preventiva si cu cele de inlocuire la terminarea duratei de viata. Cerintele de fiabilitate reflecta numarul defectelor intr-un timp dat, iar beneficiarul apreciaza valoarea investitiei prin cheltuielile de inlaturare a defectelor, adesea subestimate, prin durata de utilizare si gradul de disponibilitate. Inginerii de fiabilitate dezvolta modalitati rentabile de a reduce costurile ciclului de viata. Acestea pot varia de la tehnici de proiectare, cum ar fi reducerea solicitarii componentelor, redundanta sau autodiagnoza, pana la specificarea parametrilor de fabricatie, cum ar fi metoda de fiabilizare si parametrii de aplicare a acesteia.

Se estimeaza ca, pentru un produs de complexitate medie costurile de dezvoltare se impart in costuri pentru elaborarea conceptului incluzand si specificatia cerintelor (cca. 5%), proiectare preliminara (cca 10%), proiect detaliat (cca. 20%), fabricare prototip si integrare (cca. 50%), testare si acceptare (cca. 15%). Desigur, aceasta estimare nu ia in considerare competentele si abilitatile echipei de dezvoltare, costul managementului proiectului, planificarea ciclului de viata, productivitatea echipei de dezvoltare si elaborarea proiectului tehnologic pentru fabricarea prototipului.

Stabilirea cerintelor de fiabilitate se realizeaza la pachet cu cerintele de disponibilitate, capacitatea de intretinere si siguranta. Procesul este unul dificil datorita faptului ca, orice cerinta trebuie sa fie realizabila intr-un timp dat, trebuie corelata cu dorinta viitorului beneficiar si cu costul realizarii. In general, beneficiarii au tendinta de a solicita performante ridicate de care nu au nevoie, dar de a plati pretul pentru performante inferioare. Totodata, stabilirea cerintelor se va face comparand performantele produselor existente pe piata cu performantele produsului cerut. In cele mai multe cazuri, cerintele suntstabilite de echipa de dezvoltare care analizand cerintele beneficiarilor, realizarile similare existente pe piata si tendintele evolutiei tehnice si stiintifice, decide si prezinta clientilor cea mai buna solutie fata de pretul platit.

Scriind aceasta carte am dorit sa pun la indemana inginerilor electronisti o introducere in fiabilitatea echipamentelor electronice. Desigur, pana la practica mai este un pas, un pas mare care poate fi facut prin studiul bibliografiei pe care am incercat sa o selectez cu grija dintre miile de carti si articole care abunda in domeniu. In orice caz,cunostintele acumulate pot fi valorificate utilizand oricare dintre programele aplicative existente pe piata. Cele mai multe programe calculeaza fiabilitatea in conditii de referinta, variatia fiabilitatii cu unul sau mai multi parametri de influenta, identifica elementele cu cea mai mare influenta asupra valorii fiabilitatii, calculeaza oricare dintre disponibilitati si pot utiliza diferite baze de date ale ratelor de defectare sau permit introducerea manuala a unor valori ale ratei de defectare colectate de la producatori sau din alte surse.

Autorii

CUPRINS

1. FIABILITATEA 13
1.1. Fiabilitate si disponibilitate 13
1.2. Calitate si fiabilitate 17
1.3. Durata de viata 20
1.4. Defectiuni 22
1.5. Succes vs. esec 27
1.6. Cauze si efecte 28
1.7. Definirea fiabilitatii 32
1.8. Ciclul de viata 39
2.9. Sisteme reparabile si nereparabile 50

2. INGINERIA FIABILITATII 51
2.1. Scurt istoric al ingineriei fiabilitatii 61
2.2. Planul de fiabilitate 63
2.3. Costurile fiabilitatii 66

3. MATEMATICA FIABILITATII 67
3.1. Distributia fiabilitatii 68
3.2. Functia de fiabilitate 70
3.3. Rata de defectare sau functia pericolului 72
3.4. Functia cumulativa a pericolului 74
3.5. Distributii ale probabilitatii esecului 74
3.6. Distributii continue 75
3.7. Distributii discontinue 87

4. IMBUNATATIREA RATEI DE DEFECTARE 94
4.1. Influenta conditiilor de operare 94
4.2. Reducerea ratei de defectare prin reducerea sarcinilor aplicate 98

5. MARIMI SPECIFICE FIABILITATII 102
5.1. Timpul mediu pana la defectare 102
5.2. Timpul mediu intre defectari succesive 103

6. PREDICTIA FIABILITAII 106
6.1. Generalitati 106
6.2. Procese de predictie 110
6.3. Ipoteze simplificatoare 113
6.4. Schema bloc de fiabilitate 115

7. METODE DE PREDICTIE 127
7.1. Metoda numarului de componente 127
7.2. Metoda cuantificarii influentei la solicitari 129
7.3. Alegerea metodei de predictie 131
7.4. Surse pentru ratele de defectare 134
7.5. Limitarile predictiei fiabilitati 135
7.6. Standarde de predictie 137
7.7. Corectia cu temperatura 147

8. EVALUAREA FIABILITATII 151
8.1. Colectarea informatiilor 151
8.2. Metode de evaluare 153

9. FIABILITATEA VS CICLUL DE VIATA 173

10. CRESTEREA FIABILITATII 178
10.1. Necesitatea cresterii fiabilitatii 178
10.2. Burn-in 188
10.3. Fiabilizarea prin solicitari de mediu (ESS) 192
10.4. Accelerarea la solicitari multiple 211
10.5. Teste cu accelerare rapida 220

11. INGINERIA DISPONIBILITATII 226
11.1. Marimi caracteristice pentru disponibilitate 231
11.2. Disponibilitatea sistemelor complexe 235
11.3. Calculul disponibilitatii 236
11.4. Utilizarea indicatorilor de disponibilitate 243
11.5. Cresterea disponibilitatii 245
11.6. Prezentarea indicatorilor de disponibilitate 250

BIBLIOGRAFIE 251