Tillförlitlighet  Tillförlitlighetsteknik

Bakgrund och tidig utveckling

Robert Lusser 1899 - 1968
Tysk ingenjör ihågkommen
för sin banbrytande teoretiska studie av tillförlitligheten hos komplexa system

Att åtgärda den svagaste länken i kedjan löste inte problemen med tillförlitligheten i apparater med många komponenter

Professor Waloddi Weibull

1887–1979.
 Definierade inom den matematiska statistiken en kontinuerlig sannolikhetsfunktion, Weibullfördelningen.
Denna fick stor betydelse inom tillförlitlighetsområdet

USAAF 1944. Reparation av radiomottagare BC-348 som ingick i bombflygplanet B 17

USAAF 1943. Kontroll av radar SCR-720B i nattjaktplanet P-61

Denna spanings/siktningsradar förutsatte att 39 elektronrör fungerade samtidigt
i en mycket krävande miljö

Denna radar fanns senare i det svenska flygvapnet som PS-20 i nattjaktflygplanen J30 Mosquito och J33 Venom

Tillförlitlighetsområdets inriktning under 1950 -1970-tal
Från komponent via apparater till systemnivå med programvaror i fokus

Större bild

Provning av elektronrör 1960-talet. En avdelning vid CVA var speciellt inriktad på leveranskontroll av alla komponenter som anskaffades som reservdelar av UHF

Större bild

All avionikutrustning vibrationstestades vid CVA efter åtgärd för att säkerställa hög funktionssannolikhet i fält

Större bild
 

Leveranskontroll av högeffektklystroner utfördes i komponentprovningens stora modulator

FTL - Försvarets Teletekniska Laboratorium verkade inom  tre områden. 

Driftsäkerhet, typprovning och standardisering

Med denna publikation spreds kunskapen om att definiera kraven på tillförlitlighet vid upphandling av tekniska system och produkter
 

Exempel på svensk tillverkning av funktionssäkra elektronrör

Större bild

”Hilding Björklunds bibel”

Hilding Björklund (1897-1981) var en ledande personlighet vid KATF inom tele- och radioområdet.
HB hävdade tidigt att elektronikmateriel måste tåla fältmässiga förhållanden.

Badkarskurvan med sina tre områden av felintensitet
 

Exempel på testplan för verifiering av MTBF

Optimering av kostnader för tillförlitlighet genom avvägning mellan initiala kostnader och underhållskostnader efter installation

Större bild

Elektronikutrustningarnas bristande tillförlitlighet, som ofta förklarades med elektronrörens höga felfrekvens, dokumenterades under och efter andra världskriget. Detta anses allmänt vara drivkraften för den inledande utvecklingen av tillförlitlighetstekniken.
Insikten att tekniken inom försvaret skulle bli alltmer komplex och beroende av elektriska och elektroniska komponenter föranledde det amerikanska försvarsdepartementet att starta ett antal projekt för att studera och utveckla området tillförlitlighet med speciell inriktning på elektronikområdet.
Därmed påbörjades utvecklingen av ett helt nytt teknikområde - tillförlitlighetsteknik.

1941 Tyskland, Robert Lusser anses vara en av de första att reflektera över begreppet tillförlitlighet vid sina ansträngningar att metodiskt förbättra V1 robotarna. Initialt tillämpade man idéer som härrör från den mekaniska tillförlitligheten dvs. om man åtgärdar den svagaste länken i en kedja kommer kedjan inte att brista. När man gjorde den minst pålitliga delen mer tillförlitlig, gav detta ingen förbättring.

Senare visade matematikern Eric Pieruschka att:

 
Om alla komponenter i ett system måste fungera för att systemet i sin helhet ska fungera, är sannolikheten för systemets funktion produkten av alla ingående komponenters funktionssannolikhet.

Lussers lag (R=R1xR2x…Rn.)

Detta var troligen den första relationen som formulerats för att förutse ett elektroniksystems tillförlitlighet.

Därmed blev betydelsen, av varje enskild komponents funktionssäkerhet under växlande miljöförhållanden och övriga betingelser, uppenbar.
 

1943 Bildar amerikanska marinen och armén en kommitté, Vacuum Tube Development Committee, VTDC för vidareutveckling av elektronrör. Detta resulterade i elektronrör med förbättrad tillförlitlighet (RCA 1947 m.fl.) 
 

1947 Aeronautical Radio Inc och Cornell University genomförde en tillförlitlighetsstudie på 45 000 respektive 100 000 elektronrör för att påvisa typiska felmekanismer.
 

1950 Bildades inom den amerikanska försvarsledningen och elektronikindustrin en gemensam arbetsgrupp för driftsäkerhet benämnd Ad Hoc Group on Reliability of Electronic Equipment (AHGREE).

1951 Under inledningen av Koreakriget blottades stora tillförlitlighetsproblem med bland annat ett nytt radarsikte till F86 Sabre. Förutom siktets ofullkomligheter, upptäcktes stora brister inom underhållsorganisationen, bland annat brist på utbildad personal, testutrustningar och reservdelar.   
 

1951 Situationens allvar framgår av att försvarsministern George C. Marshall utfärdade ett styrande direktiv till alla myndigheter underställda försvarsdepartementet att koncentrera sina ansträngningar på tillförlitlighetsproblemen med militär elektronikmateriel.

1951 Inom statistikområdet utvecklas den matematiska statistiken. Professor Waloddi Weibull KTH, publicerar den exponentiella felfördelningen, senare Weibullfördelningen som en kontinuerlig sannolikhetsfördelning. W arbetade vid denna tid som konsult för det amerikanska försvaret.
 

1952 En permanent Advisory Group on the Reliability of Electronic Equipment (AGREE) bildas för att övervaka och stimulera dessa frågor och att utarbeta rekommendationer
 

1954 IRE Professional Group on Reliability and Quality Control bildas
 

1954 Hölls den första nationella konferensen i USA om tillförlitlighet och kvalitetskontroll. Dokumentation från konferensen fanns tillgänglig på flera svenska bibliotek
 

1955 AGREE initierar följande nio arbetsgrupper för att:

1. Utveckla minimumkrav på tillförlitlighet för olika typer av elektronikutrustningar

2. Utveckla krav på testförfarande av utvecklingsmodeller för att verifiera att konstruktionen kan uppnå kraven på tillförlitlighet

3. Utveckla metoder för att slutligt bevisa att prototyper uppnår minimum godtagbar tillförlitlighet

4. Rekommendera utvecklingsmetoder för att säkerställa att utrustningen uppnår ställda krav på tillförlitlighet

5. Utveckla metoder för att specificera felfrekvensen hos komponenter som funktion av tid och miljö

6. Undersöka upphandlingsprocessernas överensstämmelse med målsättningar för tillförlitlighet

7. Undersöka nuvarande metoder för transportförpackning och rekommendera förbättringar

8. Undersöka lagringseffekter på tillförlitlighet

9. Studera underhållsmetoder för att upprätthålla ursprunglig tillförlitlighet

AGREE tar därmed ett samlat grepp om tillförlitlighetsområdet från komponenter till vidmakthållande av system under dess livslängd. Resultatet av flera av dessa arbetsgrupper blev ett antal MIL-normer

1956 Boken Reliability Factors for Ground Electronic Equipment publiceras i USA. Anses vara den första betydande handboken inom området elektronik - tillförlitlighet.

1956 RCA publicerar rapporten Reliability Stress Analysis for Electronic Equipment, som behandlar modeller för att prediktera felfrekvenser. Den anses vara inledningen till metoder för att prediktera driftsäkerhet.

1957 publicerades AGREE rapporten med långtgående rekommendationer. Med denna publicering anses ett nytt kunskapsområde ha skapats, Reliability engineering-Tillförlitlighetsteknik

1957 USAF publicerar den första militära specifikationen Reliability Assurance Program for Electronic Equipment MIL-R-25717. Denna standard blev under många år ett styrande dokument vid utveckling av militära elektronikutrustningar.
 

Den Svenska utvecklingen

Liksom i USA visade den svenska utvecklingen under 1950-talet på nödvändigheten av att byta synsätt beträffande anskaffning av tekniska system.

Försvarets forskningsanstalt, FOA konstaterade i en rapport att:

Kraven på prestanda och utökade antal funktioner i varje system har drivit utvecklingen mot möjligheternas gräns. Tillgängligheten blev lidande på bekostnad av dessa krav. Flera materielsystem blev mer eller mindre misslyckade därför att de alltför sällan fungerade och underhållskostnaderna drevs i höjden.

1955 Etablerades Försvarets Teletekniska Laboratorium, FTL vid FOA med uppgift att:
Genom typprovning och standardisering av militär telemateriel förbättra dess driftsäkerhet, minska dess kostnader och förenkla dess underhåll

1955- Flygförvaltningens underhållsavdelning engagerade sig tidigt i problemen med brister i tillgänglighet för olika system. Modeller togs fram för tidig hantering av dessa frågor i anskaffningsprocessen.

Speciella simuleringsprogram togs fram för att optimera underhållet under freds- och krigsförhållanden. Dessa simuleringar ledde fram till krav på tillförlitlighet, reparationstider etc. men även dimensionering av mängden utbytesenheter och reservdelar liksom krav på underhållsutrustningar.

Detta program baserades på den internationella utvecklingen främst i USA, men anpassat till den svenska samarbetsmiljön mellan försvarsindustrin och flygförvaltningen.

Under senare delen av 1950 talet utarbetades under Stig Ögrens ledning ett långtgående driftsäkerhetsprogram för utveckling och anskaffning av tekniska system i flygvapnet.
En annan nyckelperson i detta arbete var Erik Vintheden, som tidigt utarbetade program för tidigarelagd integrerad livslängdsplanering och kostnadsoptimering.

1962 Som ett exempel på tillämpningen av detta arbete, beställde flygförvaltningens underhållsavdelning två autotestare 701 med specificerade krav på driftsäkerhet och metod att verifiera detta före leverans.

Utdrag ur specifikationen:

Reliability requirement/demonstration

1962 Publicerar Kungliga Arméförvaltningens Tygavdelning, KATF Konstruktionspraxis för elektronisk materiel, författare Hilding Björklund

1963 Publicerade flygförvaltningens underhållsavdelning Driftsäkerhet hos militära vapensystem. Metoder att beräkna funktionssäkerheten samt tillämpning därav i samband med utveckling av nya projekt.
Författare Stig Ögren (LIBRIS-ID:1767132)

1965 Svenska teknologföreningen anordnar en veckolång konferens om Tillförlitlighetsteknik i Linköping

1972 Publicerades den första boken på svenska. Tillförlitlighet: elektronikkomponenter en handbok av IRU, Institutet för rationell utbildning

Några tillförlitlighetsbegrepp

Badkarskurvan

Felfrekvensen under ett systems livslängd brukar åskådliggöras med badkarskurvan.
Inledningsvis är felfrekvensen relativt stor. Vissa komponenter har normalt en inkörningsperiod. Under denna period kan katastroffel uppträda.

Senare under drifttiden planar felfrekvensen ut, blir låg och nästan konstant. Under denna tid anses tiden mellan fel vara slumpmässig och därmed exponentiellt fördelade

I takt med att komponenterna åldras, utsätts för stressmoment och slitage (emission avtar i elektronrör) försämras deras förmåga att utföra uppgiften i slutet på livslängden. Sannolikheten för fel ökar därmed.

Tillförlitlighet

Tillförlitlighet är en sammanfattande term som numera omfattar driftsäkerhet och dess påverkande faktorer:

• Funktionssäkerhet

• Underhållsmässighet

• Underhållssäkerhet

Begreppet tillförlitlighet bör därför användas endast i allmän betydelse, inte i kvantitativa termer.
 

Funktionssäkerhet

Funktionssäkerhet är en egenskap hos ett system som beskriver hur stor sannolikhet det är att systemet kan utföra en given funktion. Det finns många, mer precisa definitioner av termen som alla har sina fördelar och nackdelar.
 

Fram till 1960-talet definierades begreppet funktionssäkerhet som: Sannolikheten att en komponent (eller apparat/system) kommer att utföra en begärd funktion under givna förutsättningar, för en given fix tidsperiod.

Numera definieras funktionssäkerhet vanligen som:

Förmågan hos en komponent att utföra en begärd funktion, under givna miljörelaterade och operativa förutsättningar för en given fix tidsperiod.

Man kan mäta funktionssäkerhet på olika sätt beroende på den givna situationen. Som exempel kan man mäta den i termer av:

MTTF, Mean Time to Failure, medeltid till fel. Används för komponenter eller apparater som inte repareras.

MTBF Mean Time Between Failure, medeltiden mellan fel för system eller apparater som repareras.

MTTR Mean Time To Repair, medeltiden för reparation

Tillgänglighet A=MTBF/MTTR+MTBF

Felfrekvens, antalet fel per tidsenhet (failure rate)

Vidareutveckling av MTBF begreppet

Under sin existens från tidigt 1950-tal har MTBF begreppet använts i en mängd olika betydelser och därmed ofta skapat missförstånd.

När begreppet MTBF introducerades och kravet på att verifiera, avsåg man i första hand att tvinga leverantörerna under längre drifttid, avslöja eventuella felaktigheter i konstruktionen och därmed möjliggöra att dessa åtgärdades innan produkten sätts i produktion.

Under 1960-talet inarbetades dessa krav vid upphandlingar och dess tolkning fick därmed ekonomiska konsekvenser.

Det centrala begreppet fel har varit en stor stötesten i alla de sammanhang som MTBF begreppet används.

Ett försök att strukturera detta infördes i USAF under en tid med följande antagande att:

• I ett system skilja på primära och sekundära funktioner

• I ett system skilja på funktionsförhindrande och funktionsnedsättande fel

Detta ledde fram till följande gradering av fel:

100p Funktionsförhindrande fel i en primär funktion

  30p Funktionsförhindrande fel i en sekundär funktion

  10p Funktionsnedsättande fel i en primär funktion

    3p Funktionsnedsättande fel i en sekundär funktion

Detta ger en antydan om svårigheterna att definiera vad som är ett fel.

Vidare har själva begreppet i medeltid mellan fel ofta fått den felaktiga betydelsen

”den drifttid som enheten/systemet kommer att fungera utan anmärkning”

Inget kunde vara mer felaktigt. Förklaringen är följande:
Med antagandet att fel uppträder slumpmässigt med en viss felfrekvens gäller:
Funktionssannolikheten över tid R(T)=e^–T/MTBF
Vid tiden T= MTBF blir sannolikheten R(t) = e ^-1 = 0.37

Detta utgör den statistiska definitionen av MTBF.

Detta kan tydas på följande sätt:

• Vid ett stort antal enheter, kommer endast 37 % av dem att fungera den tid som den angivna MTBF siffran anger.

• För en enhet, är sannolikheten att den kommer att fungera så länge som dess MTBF siffra anger endast 37 %.

• Man kan också säga att enheten kommer att fungera för så länge som dess MTBF siffra anger med 37 % konfidensnivå.

Funktionssannolikhet och risk vid drifttid T
med specificerad MTBF=5000 timmar

Således måste MTBF siffran avsevärt överstiga den önskvärda drifttiden.

Källor:

• Reliability Engineering Handbook. D Kececioglu 2002

• Reliability Engineering. Alessandro Birolini 2010

• Tillförlitlighet. Bo Bergman, Bengt Klefsjö 1996

• Driftsäkerhet hos militära vapensystem. Stig Ögren1963

Länkar:

• Tillförlitlighet               Wikipedia

• Funktionssäkerhet    Wikipedia

• Weibullfördelning      Wikipedia

 Sammanställt av Stig Hertze

Senast uppdaterad: 2018-04-12