Для обеспечения бесперебойного функционирования электротехнических предприятий часто используется методика составления пользовательских отчетов с детальной статистикой по оборудованию и группам оборудования. При этом рассчитываются такие параметры, как:
• простои оборудования;
• стоимость технического обслуживания оборудования;
• коэффициент использования оборудования;
• средняя наработка на отказ;
• средний период между ремонтами;
• фактический износ оборудования;
• прогноз полного износа;
• другие показатели.
Такой подход позволяет наладить учет и техническое обслуживание производственного оборудования, перейти от аварийного к планово-предупредительному техобслуживанию, а также получить информацию для расследования причин отказов, наладить материально-техническое снабжение работ, вести планирование людских, материальных и энергетических ресурсов.
Благодаря этому, предприятие может продлить срок эксплуатации производственного оборудования, сократить простои, связанные с отказами, повысить производительность труда.
Это особенно важно для таких предприятий, например, как энергоснабжающая компания, для которых внеплановая остановка оборудования означает крупную аварию и обесточивание десятков населенных пунктов. Важнейшим параметром для определения сроков проведения регламентных и ремонтных работ является показатель «средняя наработка оборудования на отказ» — Тер. Т.е. время, в течение которого отказывает половина данного оборудования. Этот показатель будет различен для различного оборудования и уменьшается по мере роста сложности оборудования. Для определения Тер используются сложные расчеты, учитывающие состав данного устройства и надежность его составных частей.
Тер = 1 / X ,
где X - вероятность безотказной работы изделия [1/час] и, для разных элементов, имеющий величину порядка 0,1...25х
В последнее время для описания характеристик надежности того или иного устройства (даже таких простых, как
DC/DC-преобразователь, сетевой источник питания и т.п.) широко используют показатель MTBF.
Показатель MTBF
Изначально показатель MTBF (Mean Time Between Failure) - в прямом переводе «среднее время наработки на отказ» (не путатьс Тер!) был введен для характеристики надежности компьютерных систем. Поскольку производить расчеты надежности системы, включающей в себя многие сотни и даже тысячи компонентов, достаточно сложно, то был предложен упрощенный эмпирический подход для определения их надежности. Производители компьютерных компонентов, а теперь зачастую и производители электротехнических изделий, как правило, определяют их надежность на основании испытаний партии изделий по следующей формуле:
MTBF = TxN/No,
где
Т - время проведения испытаний;
N - количество испытуемых изделий;
No - количество изделий, вышедших из строя.
Например, если испытывалось 100 изделий в течение месяца и за это время 10 из них вышло из строя, то MTBF будет равно 10 месяцам. Т.е. предполагается, что через 10 месяцев все изделия выйдут из строя. В этой упрощенной формуле заложены главные недостатки методики определения MTBF.
1. Само понятие MTBF отражает совсем не то, что следует из его названия - «среднее время наработки на отказ». Реальное среднее время наработки на отказ составляет только половину MTBF, поскольку по определению за время MTBF все изделия выйдут из строя. Так, в рассмотренном выше примере это «среднее время» будет не 10 месяцев, а пять, поскольку в среднем все экземпляры изделия проработают не 10 месяцев, а вполовину меньше.
2. Методика расчета MTBF предполагает, что число отказов в единицу времени постоянно на протяжении всего срока эксплуатации. В реальности это, конечно, совершенно не так. На самом деле кривая отказов имеет вид, показанный на рисунке 1.
Рисунок 1 – Кривая отказов
В зоне 1 проявляются отказы изделий, имеющие дефекты изготовления. Здесь отказов много.
В зоне 2 ( отt1 до t2) количество отказов в единицу времени постоянно.
В зоне 3 начинают проявляться износовые отказы.
Как видим, только в зоне 2 отказы вызываются случайными факторами, и их число постоянно в единицу времени. Однако изготовители электрооборудования распространяют эту зону на весь срок эксплуатации производимых ими устройств. Но реальная статистика отказов на протяжении всего срока эксплуатации подтверждает, что эта теоретическая модель расчета MTBF далека от действительности.
3. Показатель MTBF никак не связан со временем t2, а это важнейший показатель надежности работы системы. При достижении времени t2 необходимо вывести оборудование из эксплуатации и произвести регламентные работы либо заменить оборудование новым. Иначе надежность работы системы при переходе ее в зону 3 резко уменьшится.
Таким образом, MTBF, заявляемый производителем (если он честно произвел тестирование своих изделий), - это время, в течение которого изделие выйдет из строя со 100% вероятностью. Т.е. уже здесь очевидно стремление фирм - производителей ввести потребителя в заблуждения, увеличивая вдвое цифру, характеризующую время безотказной работы изделия.
На рисунке 2 приведены соотношения между MTBF и PPM для некоторых изделий. На рисунке шкала MTBF приведена в часах, а шкала PPM - в отказах на миллион.
Рисунок 2 – Соотношения между MTBF и PPM
Кроме того, что показатель MTBF является эмпирическим, в настоящее время существует несколько методик его расчета. Наиболее часто используют расчет по методикам IEC61709, MIL-STD 217F или MIL-HDBK 217F. Тонкость здесь в том, что для одного и того же устройства, например DC/DC-преобразователя, показатель MTBF, рассчитанный по разным методикам может отличаться более чем в 10 раз. Это само по себе наводит на мысли о несовершенстве способа определения надежности устройства путем вычисления MTBF.
Методика расчета MTBF
Рассмотрим стандартное описание методики расчета MTBF, например, силовых трансформаторов по методике MIL-STD 217F, которое приводят производители этого оборудования.
1. Регистрируется дата включения в работу каждого трансформатора.
2. От этой даты отнимается 30 дней для компенсации времени приработки.
3. Умножаем количество трансформаторов на количество отработанных дней (-30) и умножаем на 24 часа в сутках. Количество часов работы делим на количество трансформаторов, отказавших за время испытаний.
4. Умножаем полученное значение на 0,95, чтобы учесть не включенные трансформаторы, т.е. трансформаторы, находящиеся в ремонте или в резерве.
Расчет производится по следующей формуле:
MTBF = {[(N1 х (D1 -30) х 24) + (N2 х (D2 (D3-30)x24)....]/Nf} x0,95,
где
N1, N2, N3 - количество включенных трансформаторов;
Dl, D2, D3 - число дней работы;
30 - число дней, отводимых на приработку;
0,95 - фактор компенсации для неработающих трансформаторов (в ремонте, на складе и т.п.);
24 - число часов в сутках;
Nf - количество трансформаторов, отказавших во время испытаний.
Пример :
• 50 трансформаторов испытывались 360 дней;
• 30 трансформаторов испытывались 250 дней;
• 20 трансформаторов испытывались 200 дней.
• во время испытаний отказал 1 трансформатор.
Произведя расчеты, получим MTBF, равный 604200 часам или 69 годам.
В заключение описания методики расчета, как правило, приводится следующая фраза: «Этот метод расчета является эмпирическим и, насколько нам известно, не описан в каких-либо стандартах».
Как относиться к заявляемым производителями MTBF?
Указывая в технической документации то или иное значение MTBF, производители электротехнического оборудования зачастую не задумываются, что указываемая ими цифра во многие миллионы часов противоречит не только законам физики, но и здравому смыслу. В самом деле, MTBF, равный 2,5 млн. часов, означает, что устройство до отказа должно проработать 285 лет. Понятно, что эта цифра абсурдная: за такой срок не только проржавеет корпус трансформатора, но и его обмотки превратятся в прах. В то же время, производители электротехнических изделий часто заявляют MTBF своих изделий равный 3 и даже 3,5 млн. часов. Причем такие результаты они получают в ходе честных испытаний своих изделий по приведенной выше методике. В чем здесь дело? Очевидно, что в самой упрощенной методике определения надежности, имеющей весьма узкие границы применимости. Действительно, как можно на основании 3- или даже 9-месячных испытаний изделия утверждать, что оно проработает 200 лет?
Расчет надежности электрооборудования — это сложный и кропотливый процесс, связанный с анализом внутренней структуры устройства, с учетом характеристик используемых в нем компонентов, учетом напряженности режима работы каждой из составных частей устройства и т.д. Следует учитывать также резко ограниченный срок службы некоторых компонентов изделия. При определении MTBF все это игнорируется.
Так о чем же говорит тот факт, что заявляемый производителем MTBF у трансформатора 1 равен 2 млн. часов, а у трансформатора 2 - 1 млн. часов? Только о том, что в некоторой зоне работы трансформатора, после 100...300 часов приработки, но до 5...30 тыс. часов работы (т.е. до начала износовых отказов), вероятность отказа трансформатора 1 будет ниже. Но только при том условии, что оба трансформатора собраны на одной и той же элементной базе и имеют схожее схемное решение.
Таким образом, MTBF пригоден только для сравнения однородной продукции одного и того же производителя и только иногда может быть использован для сравнения аналогичной продукции разных производителей, при условии, что она тестировалась в одинаковых условиях. Но в любом случае MTBF ничего не говорит о средней наработке изделия на отказ Тср и о значении t2 . Соответственно, использование MTBF для расчетов надежности функционирования электрооборудования выглядит более чем сомнительно. Для решения задач, о которых говорилось в начале статьи, следует использовать Тер, а не MTBF.
С . А . Левкович