Расчёты наработок на отказ (MTBF)

Вычисления (прогнозирование) отказоустойчивости по методу MTBF почти всегда означают расчёты наработок на отказ или интенсивности отказов системы, в основном состоящей из электронных компонентов. На первом шаге определяется отказоустойчивость каждого отдельного компонента системы. Для получения достоверного результата подлежат обязательной оценке как общие параметры, такие как температура окружающей среды, так и специальные параметры, такие как ёмкость, тип диодов и т.д. Наконец, путем суммирования показателей отказоустойчивости компонентов определяется общее значение отказоустойчивости системы.

Существует множество стандартов для определения показателей отказоустойчивости электронных системы. Наиболее известными среди них являются:

  • MIL-HDBK-217
  • Telcordia Issue 2
  • Siemens SN 29500
  • 217 Plus
  • IEC TR 62380
  • FIDES 2009
  • 299C

Однако не существует подобных стандартов для прогнозирования отказоустойчивости механических компонентов систем. Единственным заслуживающим внимания стандартом является NSWC-07(11), применимый лишь для ограниченного набора компонентов и используемый при создании военно-морских судов. Наиболее общепринятым источником данных о надёжности механических компонентов систем является NPRD-95, хотя он, скорее, может рассматриваться в качестве каталога показателей отказоустойчивости, чем в качестве стандарта.

Основной причиной недостаточной стандартизации методов оценки отказоустойчивости механических компонентов систем является тот факт, что, в отличие от электронных компонентов, отказы которых преимущественно могут быть описаны случайно-вероятностной функцией, отказы механических компонентов систем, в основном, происходят вследствие их износа и старения.

В течение значительной части жизненного цикла (как правило, планируемого достаточно длительным) электронных компонентов случайные отказы превалируют над системными. Поскольку случайные отказы могут анализироваться вычислительными методами без построения очень сложных математических моделей, методология их оценки может быть достаточно легко формализована в соответствующих стандартах.

Приведённый ниже график, общеизвестный как U-образная кривая (bathtub curve), наглядно демонстрирует жизненный цикл практически любого технологически сложного продукта:

Bath Tub Curve

Эта (несколько идеализированная) U-образная кривая, демонстрирует показатель отказоустойчивости продукта на протяжении всего его жизненного цикла. Кривая состоит из трёх самостоятельных участков, в соответствии с основными фазами жизненного цикла.

  1. Фаза начальных отказов, возможный полный выход системы из строя. Эта фаза должна быть наикратчайшей и может быть сокращена посредством проведения испытаний с максимальной нагрузкой и чётко рассчитанных стресс-тестов.
  2. Фаза полезной эксплуатации. Именно этот участок кривой должен «видеть» эксплуатант продукта, использующий его потребительские свойства.
  3. Фаза износа и старения продукта.

Выводы:

1. Постоянная интенсивность отказов

Фаза полезного использования продукта с её максимально высокими показателями отказоустойчивости – единственная фаза жизненного цикла, с которой должен быть доступна потребителю. На основе сбора и оценки статистических данных за последние несколько десятилетий установлено, что фаза полезной эксплуатации характеризуется постоянством интенсивности отказов. Вышеупомянутые стандарты основываются именно на математической аппроксимации данных фазы полезной эксплуатации, имеют отношение только к этой фазе и подразумевают постоянство интенсивности отказов. Это предположение следует не только из анализа накопленной статистики. И оно, в свою очередь, существенно упрощает оценку исходных данных и создает саму принципиальную возможность её стандартизации.

2. Серийные модели

Наряду с постоянством интенсивности отказов, стандарты для электронных компонентов подразумевают также их применимость для так называемых строго серийных моделей систем, т.е. систем, в которых отказ одного из компонентов (вне зависимости от самого компонента и типа его отказа) рассматривается, как отказ всей системы в целом. Например, если не существенно влияющий на работоспособность системы или не влияющий на неё вовсе резистор вышел из строя, считается, что вся система вышла из строя. Следовательно, различия между критическими и, наоборот, существенно не влияющими на общую работоспособность системы, отказами во внимание при такой оценке не принимаются. В связи с вышеизложенным, становится очевидным, что стандарты оценки отказоустойчивости электронных компонентов неприменимы для систем с резервированием функций (избыточностью). В них подразумевается полная серийность систем. Такие стандарты не дают ответов на такие вопросы, как, например, время ремонта, график технического обслуживания и подобные. Для работы же со сложными системами, работающими в реальном времени и характеризующимися резервированием функций, предписанным регламентом технического обслуживания, некритичными отказами, разработаны дополнительные методы анализа надежности:

Сравнение основных стандартов оценки надежности электронного оборудования

Mil-HDBK-217 FN2

Является наиболее известным и полным стандартом, несмотря на то, что был разработан еще в 1995 году. Стандарт разработан Министерством обороны США для поставщиков оборудования военно-технического назначения. С учётом своего «возраста», а также того, что стандарт отражает более видение заказчика, чем производителя, его применение обычно дает пессимистические оценки показателей отказоустойчивости. До сих пор считается, что Mil 217 содержит наиболее полный (по сравнению с другими стандартами) каталог компонентов и обеспечивает требуемый уровень контроля качества. Существует несколько подходов к преодолению пессимистических результатов анализа надежности. Наиболее современный и проверенный определен в ANSI/VITA 51.1-2008. Однако, совсем недавно выпущен и официальный преемник Mil-HDBK-217 FN2, а именно, MiL-HDBK-217 G.

Telcordia Issue 2

Является вторым из известных и достаточно современных (разработан в 2006 году) стандартов. Работает подобно стандарту MIL-HDBK-217, но более прост в применении. Это единственный стандарт, обеспечивающий возможность анализа не только интенсивности отказов (failure rate), но и стандартных отклонений интенсивности отказов (failure rate deviations), что означает, что результаты анализа с применением Telcordia дают и значения доверительных интервалов в границах, определенных пользователем. Таким образом, Telcordia может рассматриваться, как наиболее «честный» стандарт, так как принимает в расчет и неопределенности. Стандарт оперирует данными пользователя, полученными в режимах эксплуатации, лабораторных и стрессовых испытаний, а также располагает моделями для анализа надёжности электронных компонентов связанных с компьютерной техникой (жёсткого диска, клавиатуры, манипуляторов типа «мышь» и т.д.).

Siemens SN 29500

Вероятно, наиболее простой среди всех стандартов. Имеет собственную систему категоризации компонентов и, следовательно, не может сравниваться с иными стандартами. Не принимает в расчет ни качество компонента, ни состояние среды эксплуатации, и, следовательно, может рассматриваться, как применимый исключительно для стандартного набора компонентов в стандартных условиях промышленной эксплуатации. Siemens SN 29500 - достаточно современный стандарт (последняя версия выпущена ориентировочно в 2006 году).

IEC TR 62380

По сложности схож со стандартом Telcordia, но имеет собственную систему категоризации компонентов и, следовательно, не может сравниваться с иными стандартами. Не принимает в расчет ни качество компонента, ни состояние среды эксплуатации. Однако, в последних версиях пользователь имеет возможность определять так называемые «циклические профили» (cycling profiles), что позволяет принять в расчёт температуру и её перепады. В некоторых случаях высокая сложность формального описания системы по стандарту IEC TR 62380 не вполне соответствует качеству получаемых результатов анализа. В других случаях стандарт слишком обобщает, когда, наоборот, необходима детализация. Даже в своей оригинальной версии (на французском языке) стандарт допускает неоднозначность толкования. IEC TR 62380 - достаточно современный стандарт (последняя версия выпущена ориентировочно в 2007 году).

217 Plus

С первого взгляда представляется достаточно простым стандартом, но обладает отдельными уникальными и эксклюзивными свойствами. 217 Plus может принимать в расчет пользовательские данные об эксплуатации другого, подобного оборудования. Более того, это единственный стандарт, оперирующий понятием уровня зрелости (level of maturity) производителя компонентов. Последняя версия 217 Plus выпущена в 2007 году.

FIDES 2009

В своей методологии очень подобен Mil 217, но при расчётах выдает более реалистичные результаты. Включает обширный каталог с контрольными вопросами в области организации процессов у производителя компонентов. Последняя версия стандарта выпущена в 2009 году.

Наши компетенции

Разработка технической документации Подготовка необходимой технической документации в области надёжности и безопасности для аэрокосмической и других отраслей промышленности

Оценка и сертификация Оценочная деятельность и услуги сертификации систем и оборудования по стандартам TUV