Základní pojmy teorie spolehlivosti, dělení poruch

Úvod

Zabezpečování jakosti a spolehlivosti je spjato s celým výrobním procesem, od zpracování surovin, výroby materiálu a komponent, až po montáž a balení. Výroba elektrických systémů je spjata s velmi náročnými technologickými procesy s množstvím výrobních operací a vysokými nároky na přesnost. V jednotlivých operacích existuje množství potencionálních příčin majících za následek vznik vady.

Každá chyba nebo odchylka v některé z výrobních operací může vést k úplnému znehodnocení celého polotovaru, výrobku nebo i celé vyráběné várky. Z těchto důvodů je nedílnou součástí zabezpečování spolehlivosti elektrických systémů řízení technologického procesu, které má úzkou souvislost s dosahovanou výtěžností, a tedy i produktivitou výroby.

Dílčí technologické operace je zapotřebí za účelem zajištění kvality a spolehlivosti vyráběných komponent správně nastavit, monitorovat a kontrolovat. Informace získané v rámci monitorování výrobních procesů a informace o jakosti a spolehlivosti vyrobené produkce, zjištěném rozsahu vznikajících vad a zkoumání všech činitelů majících vliv na úroveň vadnosti vyráběné produkce se stávají důležitým činitelem pro přijímání nápravných opatření směřujících k zamezování vadnosti (tj. dosažení maximální výtěžnosti) výroby.

Mluvíme-li o spolehlivosti, je dobré si uvědomit, že bez nástrojů technické diagnostiky a matematické statistiky je tento obor sám o sobě nevýpovědischopný. Diagnostickými metodami zjišťujeme aktuální stav objektu měřením požadovaných a sledovaných veličin. Na soubor takto získaných dat aplikujeme metody matematické statistiky a počtu pravděpodobnosti, tuto disciplínu nazýváme analýzou dat.

Jakost/kvalita

Jakost/kvalita představuje souhrn vlastností výrobku, které podmiňují jeho schopnost uspokojovat stanovené potřeby v souladu s jeho určením, případně schopnost výrobku plnit požadavky zákazníka a zainteresovaných stran [ČSN EN ISO 9000]. Soubor činností prováděných z důvodu zajištění, udržování a trvalého zlepšování jakosti, aby výroba probíhala s maximální hospodárností a náležitě uspokojovala požadavky uživatelů, poté definujeme jako péče o jakost. 

Protože neexistuje univerzální vlastnost, na základě které by bylo možno porovnávat výrobky, rozlišujeme znak jakosti (technické, ekonomické, provozní, estetické) a ukazatel jakosti (znak jakosti vyjádřený konkrétní hodnotou). Znaky jakosti slouží k posuzování, hodnocení a měření jakosti či její úrovně, k rozhodování o dalším postupu s entitami (výrobky, službami atd.), tj. například k přijetí, schválení nebo zamítnutí entity, k formulaci opatření, k porovnávání se s jinými organizacemi, k rozhodování o udělení cen za jakost a jiných prestižních ocenění, k posuzování vývoje jakosti atd. Způsoby zjišťování hodnot znaků jakosti jsou velmi různé, záleží na potřebě a cíli, na matematickém typu jakosti a na konkrétních možných technických podmínkách. Obecně se touto problematikou zabývá kvalimetrie. Nejpoužívanější postup pro zjišťování hodnot znaků jakosti je měření, které se ovšem dá použít jen u kardinálních znaků, a to především u spojitých. 

Řízení jakosti rozšířené na všechny oblasti, které mohou jakýmkoli způsobem ovlivnit výslednou jakost výrobku, včetně jeho provozu u uživatele je definováno jako komplexní řízení jakosti (viz uvedený obrázek).

Obr. 1: TQM - Komplexní řízení kvality.

Ukazatelé jakosti:

• Technické
• Ekonomické
• Provozní  - bezpečnost, spolehlivost, snadnost obsluhy;
• Estetické

Státní program standardizace

Komplexní řízení jakosti vyžaduje péči o jakost výrobků nejen ze strany výrobců, ale i státu. V ČR je péče o jakost podřízena státnímu programu standardizace, v rámci kterého je řešena technická normalizace, státní zkušebnictví, metrologie a certifikace.

• Technická normalizace je tvůrčí činnost, která pomáhá u opakujících se technických úkonů zajišťovat, určovat a uplatňovat nejjednodušší a nejvýhodnější technická řešení, a to především z hlediska hospodárnosti, jakosti, bezpečnosti a ochrany životního prostředí.
• Státní zkušebnictví je soubor činností uskutečňovaných Úřadem a osobami pověřenými podle tohoto zákona, jejichž cílem je zabezpečit u výrobků stanovených podle tohoto zákona posouzení jejich shody s technickými požadavky stanovenými nařízeními vlády (dále jen "posouzení shody") a u stavebních výrobků s označením CE posouzení a ověření stálosti jejich vlastností podle přímo použitelného předpisu pro stavební výrobky.
• Metrologie je obor, který se zabývá mírami pro stanovení velikosti různých technických a fyzikálních veličin a jejich měřením,
• Certifikace je postup, kterým třetí strana poskytuje písemné ujištění, že výrobek, proces nebo služba jsou ve shodě se specifikovanými požadavky.

Spolehlivost

Spolehlivost úzce souvisí s problematikou jakosti. Grafické znázornění je patrné z následujícího obrázku.

Obr. 2: Vlastnosti ovlivňující kvalitu/jakost výrobku.

Historicky obor spolehlivosti vznikl z požadavku „moderní“ techniky a ze zkušeností se složitými vojenskými systémy v druhé světové válce. Ke spolehlivostním výpočtům se však využíval statistický počet, jehož historie sahá až do doby starověkých říších (Sumerská říše, Egypt, Řím) – využívaly se k různým soupisům obyvatelstva a pro daňové účely. Matematická teorie spolehlivosti se začala vytvářet od počátku třicátých let. První práce se týkaly údržby strojů, řešení problémů telefonních sítí a ve vojenském průmyslu. Další utváření oboru spolehlivosti pokračovalo od padesátých let v USA. Velká pozornost se věnovala zejména zkouškám životnosti a problémům spolehlivosti elektrotechnických zařízení a raket. Ve zkouškách životnosti se začalo všeobecně používat exponenciální rozdělení. V období začátku kosmických letů (šedesátá léta) byly vyvinuty řídicí systémy a počítače s velmi vysokou spolehlivostí způsobenou především několikanásobným zálohováním. Dále vznikají systémy odolné vůči poruchám, které se uplatňují především v systémech pro vojenské účely. Zavádění samočinné diagnostiky poruch.

Obecně představuje Spolehlivost souhrnný termín pro popis pohotovosti a činitelů, které ji ovlivňují.

Lze ji vyjadřovat dílčími parametry:

• bezporuchovost,
• opravitelnost,
• životnost,
• bezpečnost,
• nebo kombinovanými parametry (pohotovost) [ČSN IEC 50].

Obr. 3: Charakterizace spolehlivosti.

Mezi základní pojmy, které je nutno si nadefinovat patří obzvláště:

• bezporuchovost (způsobilost výrobku plnit bez poruchy požadované funkce po stanovenou dobu za stanovených podmínek),
• udržitelnost (definována jako schopnost objektu v daných podmínkách používání setrvat ve stavu nebo vrátit do stavu, v němž může plnit požadovanou funkci, jestliže se údržba provádí v daných podmínkách a používají se stanovené postupy a prostředky,
• zajištěnost údržby (definována jako schopnost organizace poskytující údržbářské služby zajišťovat podle požadavků v daných podmínkách prostředky potřebné pro údržbu podle dané koncepce údržby; dané podmínky se vztahují jak na vlastní objekt, tak i na podmínky používání a údržby),
• životnost (způsobilost výrobku plnit požadované funkce do mezního stavu stanoveného technickými podmínkami),
• opravitelnost (vlastnost výrobku spočívající v možnosti odhalení poruchy, zjištění její příčiny a odstranění opravou),
• bezpečnost (vlastnost výrobku neohrožovat lidské zdraví, nebo životní prostředí při plnění předepsané funkce po stanovenou dobu za stanovených podmínek),
• pohotovost (schopnost výrobku v určitém okamžiku vyhovovat technickým podmínkám; pohotovost, též provozuschopnost, je komplexní vlastnost objektu zahrnující bezporuchovost a opravitelnost objektu v podmínkách provozu).

Obr. 4: Základní prvky zajištěnosti údržby – servisní logistiky.

Všechny výše uvedené dílčí vlastnosti spolehlivosti lze charakterizovat též kvantitativně pomocí spolehlivostních ukazatelů nebo charakteristik. Dále se budeme zabývat především kvantitativním vyjádřením bezporuchovosti a pohotovosti. Bezporuchovost určujeme především u neobnovovaných (tj. neopravitelných) objektů, anebo tam, kde se zajímáme o činnost do první poruchy. Pohotovost (provozuschopnost) určujeme u obnovovaných objektů. Obnovované objekty se po vzniku poruchy opraví a provoz pokračuje. Provoz obnovovaného prvku lze popsat jako posloupnost stavů bezporuchového provozu a oprav, přičemž okamžiky poruch a oprav jsou náhodné.

Údržba

V průběhu života technického výrobku představuje důležitou činnost údržba. Jedná se o kombinaci všech činností (technických a administrativních) zaměřených na udržení objektu ve stavu nebo jeho navrácení do stavu, v němž může plnit požadovanou funkci (zpomaluje fyzické opotřebení majetku).

Údržbu můžeme dělit na:

• preventivní,
• po poruše,
• prediktivní.

Obdobně jako v případě údržby, i s ohledem na spolehlivost je možno přistupovat v různých obdobích technického života, kterými jsou:

• období návrhu,
• období realizace,
• období provozu,

Výstupem v jednotlivých fázích mohou být pak rozdílné hodnoty spolehlivostních ukazatelů vždy v závislosti na použitých materiálech, obsluze a technologických možnostech výrobce. Je zřejmé, že sami výrobci se snaží zajišťovat spolehlivost především velkou technologickou kázní, sledovat průběžnými (mezioperačními) kontrolami. Výsledné výrobky se navíc podrobují tzv. spolehlivostním testům, při nichž se zkoušejí při zvýšené, případně snížené teplotě, při zvýšeném napětí, při vibracích apod. 

Obr. 5: Fáze života výrobku.

Je zřejmé, avšak není tomu tak vždy, že se zvyšující se kvalitou vstupních produktů by se měla zvyšovat i spolehlivost koncového výrobku. Důležitou roli ale se zvyšující se spolehlivostí prvků představují náklady, které můžeme členit na pořizovací, vlastnické a celkové. Základní vztah mezi náklady a spolehlivostí prvků je zobrazen na následujícím obrázku.

Obr. 6: Souvislost mezi náklady a spolehlivostí.

Poruchy

S pojmem spolehlivost má přímou souvislost i porucha, respektive poruchy. Porucha je definována jako úplná nebo částečná ztráta schopnosti soustavy vykonávat očekávanou činnost (jev spočívající v ukončení provozuschopného stavu, pro kterou byl výrobek navržen), přičemž kritéria poruchy se stanovují technickou dokumentací (na základě stanovených podmínek provozu). Existuje celá řada možností, jak poruchy dělit, přičemž rozdílné dělení může mít souvislost jednak s ohledem na určení odpovědnosti za poruchu, případě nutnosti plánování údržbových činností. 

Podle příčiny se rozlišují poruchy:

• z vnějších příčin,
• z vnitřních příčin.

Obr. 7: Dělení poruch dle příčiny s ohledem na fáze života výrobku.

Porucha z vnějších příčin je porucha způsobená nedodržením stanovených provozních podmínek a předpisů pro zatěžování objektu, obsluhu a údržbu. 

Porucha z vnitřních příčin je porucha způsobená vlastní nedokonalostí výrobku při zachování stanovených provozních podmínek a předpisů pro jeho provoz. 

Podle časového průběhu změn parametru se rozlišují poruchy:

• náhlé,
• postupné,
• občasné.

Další dělení bychom mohli provést podle výskytu v čase. Časné poruchy bychom mohli zařadit mezi poruchy z vnitřních příčin. Projevují se v počátečním období provozu objektu. Jejich výskyt s rostoucím časem klesá. Příčinou časných poruch jsou nedostatky při návrhu. Období konstantní intenzity poruch se vyznačuje výskytem poruch s přibližně konstantní intenzitou. Dále sem patří období poruch dožitím, které vznikají následkem opotřebení nebo stárnutím, intenzita poruch se s časem zvyšuje, tyto poruchy naznačují blížící se konec technického života objektu. 

Dále můžeme dělit poruchy podle časového průběhu na náhlé a postupné. Náhlá porucha se projevuje prudkou změnou jednoho, či více parametrů výrobku (objektu) v krátkém časovém okamžiku (prakticky okamžitě). Postupná porucha se projevuje jako postupná změna parametrů, např. v důsledku stárnutí, či opotřebení. 

Podle stupně porušení provozuschopnosti se rozdělují poruchy:

• úplné – po poruše zcela přestane fungovat,
• částečné – plní nějaké funkce.

V některých situacích je účelné dále dělit poruchy na částečné a úplné. Částečná porucha znamená odchýlení jednoho, či více parametrů od úrovně stanovené technickými podmínkami, které však úplně nebrání provozu zařízení. Úplná porucha je taková, která zcela zabraňuje zařízení plnit požadovanou funkci. Částečná a postupná porucha se nazývají též degradačními poruchami, náhlá a úplná porucha se nazývá havarijní porucha.

Podle následku se rozdělují poruchy:

• kritické – ohrožují zdraví a prostředí,
• podstatné – mají vliv na činnost zařízení,
• nepodstatné – nemají vliv na činnost zařízení.

Lze také zavést třídění poruch podle následků na:

• závady – neohrožují zdraví ani život,
• nehody – ohrožují zdraví,
• katastrofy – ohrožují život.

Podle závislosti mezi jednotlivými poruchami vznikají poruchy:

• závislé – poruchy závisí na jiné poruše,
• nezávislé – poruchy nevznikají jako důsledek jiné poruchy ani samy svým vznikem nevyvolá jinou poruchu.

Dělení poruch do tříd je často relativní. Náhlé poruše obvykle předchází skryté změny vlastností objektů, které by bylo možno dosti podrobným zkoumáním zjistit a poruchu označit jako postupnou. Dokonalá znalost všech dějů probíhajících v materiálech, přesná znalost postupu výroby a podmínek provozu by dovolila předpovědět dobu poruchy objektu. Omezená znalost činitelů je důvodem pro označení poruchy jako náhodné.