Vliv prostředí na spolehlivost systémů 2/2

INFLUENCE OF ENVIRONMENT ON system RELIABILITY 2/2

Miroslav Jirgl1, Marie Havlíková1, Zdeněk Bradáč1

1 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT Brno, Ústav automatizace a měřicí techniky, miroslav.jirgl@phd.feec.vutbr.cz , havlika@feec.vutbr.cz , bradac@feec.vutbr.cz

Abstrakt

Tento článek je druhou částí článku zabývajícího se vlivem prostředí na spolehlivost systémů. Na základě rozboru podmínek v letectví z první části článku je provedena spolehlivostní analýza jednoho z modulů ukazatele podélného vyvážení letounu - avionického vybavení letounu L-159 ALCA. Cílem tohoto článku je ukázat, do jaké míry se změní spolehlivostní parametry systému při uvažování leteckých podmínek oproti spolehlivostním parametrům získaným pro tzv. standardní podmínky, které se běžně při analýze spolehlivosti používají.

Klíčová slova: spolehlivost systému, intenzita poruch, letecké podmínky

Abstract

This article is the second part of the article, which deals with an influence of environment on systems reliability. Based on description of operation conditions in aviation (in the first part of the article), the reliability analysis of one of the modules of pitch trim indicator – avionic equipment of L-159 ALCA, is made. The aim of this article is to show the dependence of reliability parameters of systems at operation conditions in aviation with the so-called standard condition reliability parameters used in common reliability analyses.

Keywords: system reliability, failure rate, aviation conditions

Analýza spolehlivosti modulu vysílače

Součástí spolehlivostních analýz je rovněž monitorování vlivu prostředí na hodnoty spolehlivostních ukazatelů. Konkrétním příkladem, který hodnotí degradaci spolehlivosti zařízení vystaveného vlivu vnějšího prostředí, je výpočet intenzity poruchjednoho z modulů elektronického zařízení umístěného na palubě letounu L-159 ALCA. Jedná se o modul vysílače, který je součástí ukazatele podélného vyvážení letounu a z větší části se nachází mimo klimatizovanou kabinu letounu, a tudíž je vystaven a podléhá vlivům okolního prostředí letadla. Zařízení je na Obrázku 1.

Ukazatel podélného vyvážení letounu L-159 ALCA
Obrázek 1: Ukazatel podélného vyvážení letounu L-159 ALCA

Modul vysílače v sobě zahrnuje speciální potenciometr P1 umístěný na vodorovné ocasní ploše letadla, který slouží jako odporový snímač polohy. Pomocí kabeláže a spojů Z1, Z2, Z3, Z4 je připojen k A/D převodníku řídicího systému ukazatele podélného vyvážení, který se nachází v klimatizované kabině letounu. Schéma zapojení modulu vysílače [5] je uvedeno na Obrázku 2.

Schéma zapojení modulu vysílače
Obrázek 2: Schéma zapojení modulu vysílače

Pro hodnocení spolehlivosti systémů skládajících se z více komponent resp. součástek se používají spolehlivostní modely. Vzhledem k tomu, že žádná z komponent modulu vysílače není zálohována, lze tento systém popsat pomocí sériového blokového spolehlivostního modelu, viz Obrázek 3.

Blokový spolehlivostní model modulu vysílače
Obrázek 3: Blokový spolehlivostní model modulu vysílače

Celková intenzita poruch modulu vysílače vzorec  je dána součtem intenzit poruch λijednotlivých součástek [4] podle vztahu:

 vzorec  [h-1] , kde (13)

λi - intenzita poruch jednotlivých součástek [h-1].

Výpočet intenzity poruch λi pro jednotlivé součástky definuje vojenská norma MIL-HDBK-217F Předpovídání spolehlivosti elektronických zařízení. Tato norma ke každému typu součástky stanovuje model resp. matematický vztah pro výpočet intenzity poruch, do kterého se dosazují tabulkové hodnoty vztažných součinitelů. Tyto součinitele blíže specifikují danou součástku a zohledňují také podmínky prostředí resp. provozní podmínky. [8]

Výpočet intenzity poruch vzorecodporového snímače P1 lze realizovat pomocí vztahu:

vzorec  ,kde (14)

λ- základní intenzita poruch zahrnující vliv teploty a zatížení [h-1],

πTAPS - součinitel odboček potenciometru, zde πTAPS = 1,

πR - součinitel odporu, zde πR = 1,

πV - součinitel napětí, zde πV = 1,

πQ - součinitel kvality, zde πQ = 2,

 πE - součinitel prostředí [1].

Pro výpočet intenzity poruch λZi spojů Z-Zi platí vztah:

vzorec  ,kde (15)

λb -  základní intenzita poruch [h-1],

 πK - součinitel počtu spojení/rozpojení, zde πK = 1-1,5,

πP - součinitel počtu aktivních kontaktů, zde πP = 6,

πE- součinitel prostředí [1].

Hodnota základní intenzity poruch λb jednotlivých součástek a činitele prostředí λE závisí na provozních podmínkách, kterým jsou dané součástky vystaveny. Pro výpočet celkové intenzity poruch modulu vysílače λMODUL je tedy nutné stanovit podmínky, kterým je modul vystaven. Různé typy provozních podmínek definuje norma MIL-HDBK-217F pomocí několika kategorií tak, aby pokryly všechna možná prostředí, ve kterých může pracovat analyzovaný objekt. Pro letecký provoz jsou definována normou MIL-HDBK-217F tato prostředí:

AIT – prostředí letecké obyvatelné posádkou, přepravní, které představuje typické podmínky v prostorách dopravních nebo bombardovacích letadel obyvatelných posádkou bez extrémů tlaků, teploty, nárazů a vibrací, vyskytujících se na letounech určených pro dlouhé trasy,

AIF – prostředí letecké obyvatelné posádkou, stíhače, které definují podobné podmínky jako prostředí AIT, ale nachází se ve vysoce výkonných letounech, jako jsou stíhací a přepadové letouny.

AUT – letecké neobyvatelné prostředí, které je vystaveno extrémnímu zatížení tlakem, vibracemi a teplotními cykly, dále může toto prostředí být zasaženo znečištěním například oleji. 

AUF – prostředí letecké neobyvatelné posádkou, stíhače, které je definováno podobnými podmínkami jako prostředí AUT, ale nachází se ve vysoce výkonných letounech, jako jsou stíhací a přepadové letouny.

Pro pozemní prostředí norma MIL-HDBK-217F definuje rovněž několik typů prostředí. Při spolehlivostních analýzách se nejčastěji pracuje s následujícím prostředím:

GF – prostředí, které je charakteristické podmínkami méně příznivými než ideální jako například instalace do pevných stojanů s náležitým chlazením a případně instalace v nevytápěných budovách, toto prostředí zahrnuje trvalou instalaci systémů pro řízení leteckého provozu, radarové a komunikační zařízení pozemních raketových systémů.

Spolehlivost modulu vysílače s ohledem na vnější vlivy

Modul vysílače se nachází na ocasní ploše letadla a podléhá tak vlivu okolních podmínek, které jsou charakteristické pro provozní letové podmínky, tedy dynamickým změnám teploty, tlaku nebo také agresivním látkám.

Odporový snímač (potenciometr) P1 a spoje Z1, Z2 a Z3 jsou umístěny mimo klimatizovanou kabinu letounu a lze tedy na základě popisu podmínek v letectví a možné reálné dostupnosti výšky letounu h = (0 až 13.200) m předpokládat prostředí kategorie AUF - letecké prostředí neobývané posádkou (stíhače), kde teplota v okolí zařízení se pohybuje v intervalu TA = (-60; +60)°C.

Spoj Z4 se nachází v klimatizované kabině letounu, kde lze předpokládat letecké prostředí obývané posádkou (stíhače). Podle normy MIL-HDBK-217F se jedná o kategorii prostředí AIF, která charakterizuje typické podmínky v prostorách výkonných vojenských letadel (stíhačích). Uvažovaná střední teplota v okolí zařízení je TA = 20 °C.

Všechny použité součástky v modulu vysílače odpovídají vojenským předpisům a normám pro letecký provoz. Tomu odpovídá i faktor kvality πQpro jednotlivé součástky. Dále je uvažováno střední jmenovité zatížení součástek S = 0,5. [3],[2]

Hodnota základní intenzity poruch součástek λb závisí na teplotě TAv okolí zařízení a na jmenovitém zatížení S. Vzhledem k tomu, že se pro potenciometr P1 a spoje Z1 až Z3 předpokládá jmenovité zatížení konstantní, ale teplota okolí v rozmezí TA = (-60; +60) °C, je třeba zjistit maximální hodnotu funkce představující závislost základní intenzity poruch λb uvedených součástek na teplotě TA a tuto hodnotu λbmax následně používat pro výpočty spolehlivostních parametrů dané součástky.

V Tabulce 1 jsou podle normy MIL-HDBK-217F uvedeny hodnoty základní intenzity poruch λb součástek modlu vysílače (potenciometr P1 a pro spoje Z1, Z2 a Z3) v závislosti na teplotě v okolí součástek TA. Grafická interpretace těchto teplotních závislostí je znázorněna na Obrázku 4 a je zřejmé, že základní intenzity poruch λb součástek modulu vysílače nabývají maximálních hodnot při teplotě okolí TA= 60 °C.

Závislost základní intenzity poruch ?b součástek modulu vysílače
Tabulka 1: Závislost základní intenzity poruch λb součástek modulu vysílače

Závislost základní intenzity poruch b součástek modulu vysílače
Obrázek 4: Závislost základní intenzity poruch λb součástek modulu vysílače

Spoj Z4 se nachází v klimatizované kabině letounu, kde se předpokládá střední okolní teplota součástky TA = 20 °C. Pro tento spoj není nutné vyjadřovat závislost intenzity poruch na teplotě a do spolehlivostních výpočtů se uvede tabelovaná hodnota λb_Zi podle MIL-HDBK-217F pro uvedenou teplotu.

Dosazením zjištěných maximálních hodnot základních intenzit poruch λbmax_ijednotlivých součástek modulu vysílače společně s hodnotami ostatních součinitelů do vztahů (14), (15) se vypočítají intenzity poruch λi těchto součástek.

Spolehlivost modulu vysílače v idealizovaných podmínkách

Při spolehlivostních analýzách často nejsou provozní podmínky známé nebo se pro zjednodušení do spolehlivostní analýzy nezahrnují, resp. uvažují se tzv. standardní podmínky, které jsou definovány teplotou okolí součástky TA = 50 °C, zatížením S = 0,5 a prostředím odpovídajícím prostředí GF – pozemní, nepohyblivé.

Pro srovnání a pro demonstraci vlivu provozních podmínek na výsledek spolehlivostní analýzy je realizován výpočet intenzity poruch modulu vysílače λMODUL za předpokladu, že by se modul nacházel v tzv. standardních podmínkách.

Hodnoty intenzity poruch λi jednotlivých součástek lze vypočítat podle vztahů (14), (15) dosazením základní intenzity poruch λb a hodnot součinitelů πK, πP, πE a pro prostředí GF reprezentující standardní podmínky, viz Tabulka 2.

Vliv prostředí na intenzitu poruch součástek ? a celkovou intenzitu poruch modulu ?MODUL
Tabulka 2: Vliv prostředí na intenzitu poruch součástek λ a celkovou intenzitu poruch modulu λMODUL

Vliv prostředí na spolehlivostní analýzu modulu vysílače se prokazatelně projeví:

– v hodnotách základní intenzity poruch součástek λb, které jsou pro standardní podmínky prostředí GF nižší oproti hodnotám pro provozní podmínky v leteckých prostředích AIF, AUF,

– v hodnotách koeficientu prostředí πE, který je součástí definičních vztahů (14), (15) pro výpočet intenzity λ poruch součástek,

– na celkové intenzitě poruch modulu vysílače λMODUL, jejíž hodnota je pro standardní podmínky prostředí GF několikanásobně nižší.

Další významné ukazatele spolehlivosti pro modul vysílače jako pravděpodobnost poruchy Q(t), hustotu pravděpodobnosti poruchy f(t), dobu bezporuchového provozu R(t) nebo střední doba mezi poruchami MTBF(t) lze vypočítat pomocí vztahů (6) až (9) dosazením hodnoty celkové intenzity poruch modulu vysílače λMODUL. Na Obrázku 5 jsou uvedeny závislosti pravděpodobnosti poruchy Q(t) na čase vzorechodin pro uvažované provozní podmínky v leteckém prostředí AIF, AUF a pro idealizované (standardní) podmínky v prostředí pozemním GF (označení QST(t)).

Pravděpodobnost poruchy Q(t) modulu vysílače v závislosti na čase t pro různá prostředí
Obrázek 5: Pravděpodobnost poruchy Q(t) modulu vysílače v závislosti na čase t pro různá prostředí

Závěr a diskuse výsledků

V provedených spolehlivostních výpočtech modulu vysílače byl potvrzen vliv prostředí na hodnoty spolehlivostních parametrů. Pro běžné provozní podmínky modulu vysílače platí letecké prostředí AIF resp. AUF. Hodnoty součinitele prostředí πE součástek pro tato prostředí jsou několikanásobně vyšší než pro prostředí pozemní GF,a proto se významnou měrou podílejí na vyšší hodnotě celkové intenzity poruch analyzovaného modulu vysílače.

Vliv teplotních podmínek v okolí součástek modulu vysílače s ohledem na uvažovaná prostředí je dán hodnotami základních intenzit poruch λb a není tak výrazný vzhledem k předpokládaným hodnotám teplot v okolí součástek TA. Pro letecká prostředí AIF, AUF jsou hodnoty základní intenzity poruch λbmírně zvýšené oproti pozemnímu prostředí GF.

Hodnoty ostatních součinitelů πK, πP, πQ, které vystupují ve výpočtech dílčích intenzit poruch jednotlivých součástek λi, jsou pro prostředí pozemní GF i prostředí letecká AIF, AUF stejné. Celková intenzita poruch modulu vysílače λMODUL je dána součtem dílčích hodnot intenzit poruch součástek modulu a její hodnota dosahuje pro prostředí letecká AIF, AUF dvacetinásobku oproti prostředí pozemnímu GF. Zejména hodnota intenzity poruch speciálního potenciometru P1 je pro prostředí letecká výrazně vyšší (téměř 50x) než v prostředí pozemním.

Pro názornější reprezentaci výsledků spolehlivostní analýzy byla vypočtena závislost pravděpodobnosti poruchy Q(t) na čase t v intervalu 0 až 100.000 h, pro uvažované provozní podmínky v leteckých prostředích AIF resp. AUF a také závislost QST(t) pro idealizované (standardní) podmínky v prostředí pozemním GF, viz Obrázek 5. Je patrné, že v obou případech pravděpodobnost poruchy Q(t), resp. QST(t) s časem exponenciálně narůstá. Za idealizovaných (standardních) podmínek pracovního prostředí modulu vysílače v pozemním prostředí GF je však tento nárůst pravděpodobnosti poruchy QST(t) pozvolnější než v případě běžných provozních podmínek tohoto leteckého vybavení, viz průběh Q(t) na Obrázku 5. To znamená, že pravděpodobnost poruchy při idealizovaných podmínkách QST(t) je v daném časovém intervalu několikanásobně menší než pravděpodobnost poruchy Q(t) při běžných leteckých podmínkách.

Závěrem lze na základě analýzy spolehlivosti jednoho z modulů leteckého vybavení - ukazatele podélného vyvážení letounu souhrnně konstatovat, že rozbor provozních podmínek zařízení má velký vliv na výsledek spolehlivostní analýzy. Na důležitosti toto téma nabývá zejména v případě analýzy spolehlivosti systémů, na jejichž funkci závisí chod tzv. kritických aplikací, kdy může být ohrožen lidský život. Příkladem takovýchto systémů jsou letecké systémy, elektrárenská zařízení, zařízení pro chemický průmysl, lékařské přístroje, apod.

Poděkování

Tato publikace vznikla za podpory grantu "Podpora výzkumu moderních metod a prostředků v automatizaci " financované z Interní grantové agentury Vysokého učení technického v Brně (číslo grantu FEKT-S-11-6).

Autoři děkují za finanční podporu z Evropského fondu pro regionální rozvoj v rámci projektu č. CZ.1.05/2.1.00/01.0014.

Bez laskavé podpory výše zmíněných institucí by prezentovaný výzkum a vývoj nebyl možný

Literatura

[1 ] HOLUB, R.; VINTR, Z. Spolehlivost letadlové techniky : elektronická skripta. Brno : VUT FSI, 2001. 233 s.

[2 ] MIL-HDBK-217F : Reliability prediction of electronic equipment [online]. Department of Defense and Quanterion Solutions, 2.12.1991. 204s. Dostupný z WWW: <http://www.sre.org/pubs/Mil-Hdbk-217F.pdf>.

[3 ] DUB, M. Elektrické vybavení letadel I. Brno : Univerzita obrany, 2008. 105s. ISBN 978-80-7231-591-8.

[4 ] IEC 60300-3-1 : Dependability management : part 3-1 : application guide : analysis techniques for dependability : guide on metodology. International Electrotechnical Commission, 2003. 56s.

[5 ] JALOVECKÝ, R.; PAŘÍZEK, J. Ukazatel podélného vyvážení : technický popis. Brno : Univerzita obrany, 2002.

[6 ] JIRGL, M. Modelování a predikce spolehlivosti. Brno : VUT, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2012. 91 s.

[7 ] BEDNAŘÍK, J. Technika spolehlivosti v elektronické praxi. Praha : SNTL, 1990. 336 s. ISBN 80-03-00422-5.

[8 ] VESELY, W. Fault Tree Handbook with Aerospace Applications [online]. Publikováno srpen 2002. Dostupný z WWW: <http://www.hq.nasa.gov/office/codeq/doctree/fthb.pdf>.

Vzorová citace

JIRG, Miroslav; HAVLÍKOVÁ, Marie; BRADÁČ, Zdeněk. Vliv prostředí na spolehlivost systémů 2/2. Časopis výzkumu a aplikací v profesionální bezpečnosti [online], 2013, roč. 6, č. 2. Dostupný z WWW: <http://www.bozpinfo.cz/josra/josra-02-2013/prostredi-spolehlivost-systII.html>. ISSN 1803-3687.

Nabízíme Vám možnost BEZPLATNÉHO odběru e-mailového zpravodajství

Nové příspěvky publikované na informačním serveru BOZPinfo.cz

Kde nás najdete

Provozovatel portálu

Výzkumný ústav bezpečnosti práce, v. v. i.
Jeruzalémská 1283/9
110 00 Praha 1
+420 221 015 844
X

Přihlášení

Zapomněli jste heslo?
zašleme vám nové na váš e-mail