В этой статье Колин Харгис, главный инженер компании Control Techniques, рассматривает взаимосвязь между надежностью и отказами в приводах с регулируемой скоростью.
Это может показаться очевидным, но необходимо тщательно продумать, что мы имеем в виду. Это делается не для того, чтобы затуманить проблему, а просто для того, чтобы убедиться, что мы сосредоточены на том, что действительно важно. Например, часто возникает путаница между надежностью и ожидаемой продолжительностью жизни, которые важны, но не обязательно связаны между собой.
Если вы покупаете какое-либо оборудование, то надеетесь, что оно будет корректно работать столько, сколько потребуется. Ничто не идеально, поэтому вы признаете, что существует небольшая вероятность того, что это может выйти из строя раньше, чем ожидалось. Он может быть поврежден или выйти из строя без видимой причины. Если последнее произойдет в течение гарантийного срока, то вы ожидаете, что он будет заменен бесплатно. Вы также признаете, что со временем он изнашивается или устаревает. В зависимости от характера оборудования вы можете согласиться с тем, что оно требует периодического технического обслуживания, возможно, включая замену изнашиваемых деталей.
Термин “сбой” означает, что оборудование больше не выполняет то, что вам нужно. Он может просто полностью перестать работать или изменить свои характеристики таким образом, что он больше не соответствует необходимому аспекту своей спецификации.
Возможно, что оборудование может перестать работать из-за того, что оно столкнулось с ситуацией, когда оно не предназначено для работы. Например, температура окружающей среды может быть слишком высокой или какой-либо другой аспект окружающей среды находится за пределами заданного диапазона, поэтому происходит защитное отключение, которое может быть сброшено, когда ситуация исправлена. Для VSD это может быть связано с тем, что крутящий момент нагрузки был слишком высок, или был нарушен источник питания, или могло возникнуть неожиданное состояние управляющего сигнала. Если это происходит часто, то пользователь может счесть оборудование ненадежным, даже если оно не неисправно и соответствует своим техническим характеристикам. Воспринимаемая надежность может в некоторой степени зависеть от того, насколько четкими и полезными являются диагностические данные, генерируемые оборудованием. Возможно также, что тщательная настройка VSD позволила бы избежать отключения, приспособившись к ситуации – например, сгенерировав и используя аварийное предупреждение о приближении какого-либо параметра к уровню отключения или изменив его режим работы таким образом, чтобы он автоматически пытался перезапустить после отключения. Для приложений, где требуется высокая доступность, важно проанализировать возможные ненормальные условия, которые могут возникнуть, и убедиться, что накопитель настроен на надлежащее поведение при их возникновении.
Если вы отвечаете за крупное предприятие с большим количеством оборудования, работающего совместно, то вы должны согласиться с тем, что в любой момент времени определенная часть оборудования будет неисправна и подлежит ремонту или замене. В этом случае у вас, вероятно, есть целевой показатель доступности всей установки и каждой единицы оборудования, и вы планируете процесс технического обслуживания и ремонта на основе известных статистических данных и целевого показателя доступности. Это ситуация, когда чаще всего используются такие данные, как среднее время наработки на отказ (MTBF).
Концепция наработки на отказ подразумевает большое количество идентичного оборудования, работающего непрерывно и немедленно заменяемого в случае выхода из строя. Наработка на отказ — это просто среднее время между каждым событием отказа, умноженное на количество оборудования, обычно выражаемое в часах. Если вы также знаете среднее время ремонта / замены, то вы можете спланировать целевую среднюю доступность или организовать степень резервирования, чтобы обеспечить повышенную доступность, если потребуется.
MTTF — это более строго правильная мера, применимая к отдельному элементу оборудования, а не к полной системе, которая ремонтируется при отказе. Для электронного оборудования, где время ремонта /замены намного короче, чем MTTF, разница между этими показателями незначительна.
Зрелое электронное оборудование демонстрирует случайные отказы с постоянной частотой в течение всего срока его службы. Каждая неудача на самом деле имеет первопричину, поэтому она не является строго случайной. Однако, поскольку оборудование обычно содержит большое количество мелких компонентов, каждый из которых имеет очень низкую частоту отказов, общий эффект заключается в низкой, но случайной схеме отказов.
Данные MTTF/наработка на отказ полезны только в том случае, если частота отказов постоянна, что означает, что сбои случайны во времени. Если оборудование изнашивается, или оно демонстрирует повышенную частоту отказов на ранних стадиях эксплуатации, или внешнее событие иногда вызывает множественные отказы, тогда простая статистика не работает. Расчет MTTF обсуждается далее на Наработка на отказ/MTBF путем расчета и анализа отказов в полевых условиях.
У некоторого оборудования есть ожидаемый срок службы, который ограничен одним или несколькими механизмами износа. Это наиболее распространено для движущихся частей, которые изнашиваются. В электронных приводах это относится к охлаждающим вентиляторам и, возможно, реле. Некоторые электронные компоненты имеют механизмы значительного износа; это особенно относится к электролитическим конденсаторам, но это также может быть применимо к силовым полупроводникам и даже разъемам и т.д. там, где наблюдается механический износ или усталость, вызванные термоциклированием.
Ожидаемая продолжительность жизни отдельных предметов имеет случайные различия между выборками, поэтому требуется статистическая мера. Одним из показателей ожидаемого срока службы устройства с известным механизмом износа является параметр L10, который представляет собой время работы до тех пор, пока 10% большой выборки устройств не выйдут из строя. Иногда могут быть доступны данные L1. Иногда также указывается показатель MTTF для обозначения ожидаемой продолжительности жизни. Здесь есть большой простор для путаницы, поскольку устройства любой сложности также демонстрируют случайные сбои в течение срока их службы. Затем необходимо уточнить, относится ли показатель MTTF к концу срока службы или к случайным сбоям в нормальном обслуживании.
Индивидуальный срок службы изделий с известными механизмами износа также варьируется в зависимости от образца. Следовательно, устройство может иметь хорошую надежность (длительный случайный MTTF) и короткий ожидаемый срок службы, или наоборот.
Износ также, скорее всего, будет зависеть от условий эксплуатации. Например, ожидаемый срок службы вентилятора сильно зависит от температуры воздуха, скорости работы и наличия пыли или других загрязняющих веществ.
Оборудование может демонстрировать повышенную частоту отказов, когда оно новое или мало используется. Это вызвано деталями, имеющими дефекты, которые не были выявлены при тестировании, но выявляются при использовании или со временем. Одним из навыков производителя оборудования является разработка процедуры тестирования продукта, которая максимально эффективно выявляет недостатки, но без чрезмерного напряжения, которое может фактически вызвать сбои или зарождающиеся сбои.
Техническое обслуживание — это возможность управлять деталями с заведомо ограниченным сроком службы за счет простоев и рабочей силы. Замена может производиться в соответствии с простым графиком или путем измерения какого-либо ориентировочного параметра (техническое обслуживание по состоянию). Оборудование должно быть спроектировано таким образом, чтобы облегчить техническое обслуживание либо за счет легкого доступа к деталям с ограниченным сроком службы, либо за счет простой замены всего оборудования.
Надежность оборудования всегда чувствительна к окружающей среде. Для электрооборудования температура важна, поскольку многие механизмы разрушения компонентов ускоряются при повышении температуры. Другими критическими параметрами, которые необходимо контролировать, являются влажность, наличие агрессивных или электропроводящих веществ, механические воздействия, такие как закупорка воздуха, удары и вибрация, а также различного рода электромагнитные воздействия. Оборудование будет иметь спецификацию для этих параметров. Спецификация должна быть разумной для предполагаемого применения.
В некоторых отраслях промышленности существует традиция требовать от спецификаций на закупку данных о наработке на отказ или MTTF. Из приведенного выше объяснения очевидно, что при планировании доступности крупных или критически важных установок или сетей необходимо иметь план технического обслуживания, учитывающий ожидаемую частоту отказов. Традиционный метод “расчета” электронного оборудования использует большую базу данных о частоте отказов для часто используемых электронных компонентов, а также коэффициенты нагрузки, которые показывают влияние соответствующих нагрузок, таких как температура, напряжение и т.д. База данных составлена на основе отраслевого анализа вышедшего из строя оборудования.
При расчете наработки на отказ получается показатель, чувствительный к количеству деталей. Базы данных являются очень зрелыми с точки зрения охвата обычных компонентов и распространенных интегральных схем. На самом деле они не касаются ни специализированных крупномасштабных ASIC, ни недавно выпущенных специализированных устройств, таких как усовершенствованные силовые полупроводники, которые используются в VSD. Они могут быть полезны проектировщику, требуя расчетов напряжений для каждого компонента, которые иногда могут выявить неожиданные высокие напряжения и, следовательно, привести к улучшению конструкции. Однако результаты очень далеки от отражения реальности. Например, оборудование, использующее небольшое количество ASIC и высокоинтегрированных устройств, таких как интеллектуальные силовые модули (IPM), что приводит к небольшому количеству деталей, демонстрирует более высокую наработку на отказ, чем оборудование, использующее большое количество более простых компонентов и устройств дискретного питания. На самом деле это различие ложно. Любая конструкция может обеспечить более высокую надежность на практике, в зависимости от качества компонентов и конструкции. Подход с малым количеством деталей к проектированию изделия может быть очень эффективным, поскольку он имеет очевидное преимущество в сокращении количества деталей и паяных соединений, а также количества производственных операций при изготовлении конечного продукта, любая из которых может выйти из строя. Но это рискованно, потому что ASIC специально разработаны и сложны, поэтому их трудно полностью протестировать и, как правило, они не зарекомендовали себя в использовании, в то время как IPM ограничивает свободу разработчика в настройке и контроле условий работы важнейших силовых полупроводников. Данные о наработке на отказ не позволят отличить действительно надежную конструкцию. Традиционный расчетный показатель наработки на отказ действительно имеет очень ограниченное применение и в некоторой степени дискредитирован, о чем свидетельствует прекращение использования военной базы данных США. Control Techniques не предоставляет таких данных для своих продуктов.
Совершенно другой подход к наработке на отказ заключается в том, что производитель отслеживает полевые сбои по возвратам клиентов. Это дает очень реалистичную картину общего качества продукта с точки зрения опыта клиентов. Обычно наработки на отказ, полученные в результате сбоев в полевых условиях, в 10-100 раз превышают “расчетные” значения.
Большинство авторитетных производителей внимательно отслеживают данные о возвратах клиентов и имеют цели для постоянного улучшения, а также процессы обнаружения и реагирования на любое увеличение коэффициента возврата. Фактические показатели рентабельности являются коммерчески чувствительными, и производители по понятным причинам неохотно раскрывают их. Методы контроля будут предоставлять долгосрочные данные о частоте отказов в полевых условиях по специальному запросу.
Любой производитель оборудования по опыту знает, что определенная доля возвращенных покупателем продуктов при тестировании оказывается исправной. Если они отслеживают показатели рентабельности, чтобы улучшить качество своего производства, то они будут игнорировать NFF, потому что они не имеют отношения к производству. С точки зрения удовлетворенности клиентов и воспринимаемой надежности NFF могут быть важны. Они означают, что продукт не оправдал ожиданий потребителей. Где-то на этом пути произошло несоответствие реальных требований реальным возможностям.
Некоторые сбои происходят из-за того, что клиент неправильно использовал изделие, в результате чего оно не работало должным образом или даже было повреждено. Иногда это вызвано простой человеческой беспечностью. Иногда условия труда оказывались отличными от ожидаемых, и это нельзя было разумно предвидеть. Эти случаи должны быть отфильтрованы и проигнорированы с точки зрения производителя, работающего над улучшением качества своего производственного процесса. Однако производитель всегда должен тщательно проверять, были ли данные и инструкции достаточно четкими.
Одним из примеров с приводами с регулируемой скоростью является небольшое, но постоянное количество сбоев в работе, вызванных тем, что установщик подключает источник питания к выходу, а не ко входу. Для разработчика накопителя это, очевидно, грубая ошибка, которая, скорее всего, приведет к серьезному повреждению накопителя и предполагает некомпетентность. Однако, если вы рассмотрите электромонтера, работающего в условиях нехватки времени, который лучше знаком с более простыми электрическими устройствами, такими как автоматические выключатели, контакторы и двигатели, это может быть более понятным. Производитель должен попытаться помочь установщику избежать такой ошибки. Невозможно спроектировать накопитель, защищенный от этой ошибки, без увеличения неприемлемых затрат, но, по крайней мере, можно гарантировать, что клеммы имеют четкую маркировку.
Из вышесказанного ясно, что важно указать, являются ли данные MTTF/наработка на отказ расчетными или полевыми данными, поскольку их нельзя сравнивать. Также необходимо подтвердить, что это относится к случайным отказам в процессе эксплуатации, а не к ожидаемой продолжительности жизни.
Если продукт выбран правильно и рабочая среда соответствует ожиданиям, то практическая частота отказов должна быть аналогична данным о частоте отказов в полевых условиях. Если частота отказов оказывается намного ниже этой, то, вероятно, какой-то неожиданный аспект условий эксплуатации или окружающей среды влияет на надежность. Для нового приложения может быть довольно сложно предвидеть широкий спектр неожиданных эффектов, которые могут привести к снижению надежности, и пользователь несет ответственность за то, чтобы как можно лучше понимать все аспекты места и способа использования, которые могут повлиять на надежность. Производитель должен постараться обеспечить, чтобы требуемые условия эксплуатации привода были указаны как можно более четко и всесторонне, а также чтобы они соответствовали разумно ожидаемым фактическим условиям для предполагаемой области применения.
Существует особая область применения, где функции привода связаны с безопасностью, т.е. они должны работать правильно, чтобы обеспечить безопасность персонала. Примерами могут служить функция безопасного отключения крутящего момента и модуль интеграции системы SI-Safety. В конструкции используется специальное аппаратное обеспечение с высокой степенью целостности и (обычно) программное обеспечение. Уровень целостности определяется SIL или PL, которые требуют расчетов вероятности отказа функции безопасности в опасном направлении, вызванного аппаратными сбоями. Данные об отказе выражаются либо как PFH (вероятность отказа функции в час), либо как MTTFD (среднее время до отказа в часах в опасном направлении). Эти данные рассчитаны в соответствии с утвержденным протоколом безопасности систем управления машинами и не связаны с надежностью привода, как обсуждалось выше.
Данные MTTF о полевом отказе для текущих продуктов доступны по запросу в техническом отделе в Ньютауне, Великобритания. По причинам, объясненным выше, компания не генерирует расчетные данные MTTF/MTBF.
