Jesús Pulido Vaquero

Project engineer. ILS / LSA

LA FIABILIDAD EN SISTEMAS ELECTRÓNICOS MILITARES

ÍNDICE

1.- VISIÓN DE APOYO LOGÍSTICO INTEGRADO. DISCIPLINAS COMPRENDIDAS DENTRO DE ILS1.1.- FIABILIDAD (R)1.2.- MANTENIBILIDAD (M) 1.3.- TESTABILIDAD (T)1.4.- SOPORTABILIDAD (S)

2. – CONCEPTO DE FIABILIDAD. MISIÓN DEL SISTEMA2.1.-COMPARACIÓN FIABILIDAD, AVIÓNICA-ESPACIO

3. – ALGUNOS TÉRMINOS BÁSICOS EN FIABILIDAD

4.- SINERGIAS ENTRE DISCIPLINAS (RMT)4.1.- FIABILIDAD (R) –SOPORTABILIDAD (S)

5.- SINERGIAS ENTRE FIABILIDAD – SAFETY – PROPAGACIÓN DE FALLOS

6.- DISTRIBUCIONES DE PROBABILIDAD USADAS EN FIABILIDAD

7.- EJEMPLO PRÁCTICO. CONTROL DE PROPULSORES EUROFIGHTER.7.1.- REQUISITOS DE CONTRATO7.2.- TRABAJO EN EQUIPO MULTIDISCIPLINAR7.3.- CALIDAD DE COMPONENTES7.4.- DISEÑO7.5.- ANÁLISIS DE DERATING7.6.- ANÁLISIS TÉRMICOS7.7.- PREDICCION DE FIABILIDAD7.7.- PREDICCION DE FIABILIDAD - RBD7.8.- FMECA7.9.- FMECA – RBD7.10.- FMECA CONSIDERANDO REDUNDANCIA EN STAND-BY7.11.- FTA7.12.- INFERENCIA ESTADÍSTICA

8.- BIBLIOGRAFÍA

TRABAJO EN EQUIPO MULTIDISCIPLINAR

INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

Materiales,aislamientos,vibraciones,soldadura

Diseño de circuitos,firmware, simulación, pruebas emi-emc, seu….

Selección de componentesmás económicos que cumplanrequisitos del proyecto

Diseño de bitsde testeo delos equipos. Cobertura de testeo del equipo

Herramientas software, integración deherramientas….

Auditoría de diseño:identificación de fallosCríticos y acciones de mitigación. Objetivo: mejorar el diseño de forma continua y cumplirlos requisitos del cliente

Diseño gráfico2D, 3D,Análisis térmicos

FLUJO DE INFORMACIÓN LIMPIA ENTRE

DEPARTAMETOS

DESARROLLO DE DISEÑO ADECUADO

EL EQUIPO DISEÑADO CUMPLE TODOS LOS

REQUISITOS DE CONTRATO

SOPORTABILIDAD

TESTEABILIDAD

VENTA DE EQUIPO DE ALTA

TECNOLOGÍA

MANTENIBILIDAD

FIABILIDAD

Tiempos estimados de reparación o reemplazamiento + tasa de fallos de los módulos a reparar o reemplazar.

Tiempos de reparación

CONTRATO POR UN LARGO PERIODO DE

TIEMPO CON CLIENTE

Formación de operarios

Herramientas necesarias (Equipo de pruebas, polímetros, crimpadoras, Manuales….)

Tiempos de reemplazamiento

Requisitos de Escalón de mantenimiento

Nivel de aislamiento de equipo de pruebas

1.-VISIÓN DE APOYO LOGÍSTICO INTEGRADO. DISCIPLINAS COMPRENDIDAS DENTRO DE ILS

ESTE EQUIPO ES CAPAZ DE TRABAJAR SIN FALLAR DURANTE 40.000 HORAS

PODRÍAMOS DECIR QUE ES UN EQUIPO FIABLE?

SECTOR AVIÓNICA SECTOR ESPACIO

2.- CONCEPTO DE FIABILIDAD. MISIÓN DEL SISTEMA

SECTOR AVIÓNICA

¡ AHORA SÍ CONOCEMOS LAS CONDICIONES DE MISIÓN !

Temperatura de trabajo en régimen estacionario: 45 ºC

Tipo de ambiente: el equipo irá protegido en cabina. Según la norma MIL-217F-Notice 2 este ambiente se clasifica como “Airborne Inhabite Cargo

Estrés de componentes: Potencia, tensión corrientes, sometidas a un 50% sobre su ratio máximo

Prueba de qualificación EMI-EMC:Supera las pruebas de EMI (Interferencia Electromagnética) – EMC (Compatibilidad electromagnética)

Pruebas de humedad: supera las pruebas de humedad

Pruebas de vibración: supera las pruebas de vibración

Pruebas de SEU: supera las pruebas de SEU

Los requisitos del cliente son:El avión hará una misión de vuelo de 8 horas. Se debe garantizar que la probabilidad de que el equipo cumpla la misión de vuelo de manera exitosa (que el equipo no falle) debe ser de 99,5%

Considerando estas condiciones de contorno, el equipo tiene un MTBF de 40000 horas. Si modelamos el comportamiento con una distribución exponencial, este MTBF es equivalente a decir que la probabilidad de que el equipo falle en 8 horas es de 99,98 %. (los cálculos se explicarán posteriormente)

Para esta misión, el equipo es muy fiable, de hecho está sobredimensionado en cuanto a fiabilidad. Con un MTBF de 4000 horas la probabilidad de cumplimiento de misión es de 99, 80%. Seguiriamos cumpliendo fabricando tarjetas más baratas

2.1.- COMPARACIÓN FIABILIDAD, AVIÓNICA-ESPACIO

Temperatura de trabajo en régimen estacionario: 20 ºC

Tipo de ambiente: el equipo irá protegido en cabina. Según la norma MIL-217F-Notice 2 este ambiente se clasifica como “Space, flight” (comprobar diferencia entre los tipos de ambiente)

Estrés de componentes: Potencia, tensión corrientes, sometidas a un 50% sobre su ratio máximo

Prueba de qualificación EMI-EMC:Supera las pruebas de EMI (Interferencia Electromagnética) – EMC (Compatibilidad electromagnética)

Pruebas de humedad: supera las pruebas de humedad.

Pruebas de vibración: supera las pruebas de vibración.

Pruebas de SEU: supera las pruebas de SEU.

Los requisitos del cliente son:El Satélite hará una misión de trabajo en el espacio de 131400 horas equivalente a 15 años. Se debe garantizar que la probabilidad de que el equipo cumpla la misión en el satélite de manera exitosa (que el equipo no falle) debe ser de 99,8%

Considerando estas condiciones de contorno, el equipo tiene un MTBF de 40000 horas. Si modelamos el comportamiento con una distribución exponencial, este MTBF es equivalente a decir que la probabilidad de que el equipo no falle en 131400 horas es de 3,74 %. (los cálculos se explicarán posteriormente)

Para esta misión, el equipo no es nada fiable. Necesitariamos un MTBF de 9000000 horas para cumplir la misión.

SECTOR ESPACIO

¡ AHORA SÍ CONOCEMOS LAS CONDICIONES DE MISIÓN !

2.1.- COMPARACIÓN FIABILIDAD, AVIÓNICA-ESPACIO

No tiene sentido hablar de Fiabilidad de un equipo sin conocer el perfil de misión en el que trabajará.

CONOCEMOS EL PERFIL DE MISIÓN DEL EQUIPO

Es decir tenemos control total sobre los parámetros susceptibles de provocar deriva en el equipo con el paso del tiempo y que pueda provocar un fallo en él.

2.- CONCEPTO DE FIABILIDAD. MISIÓN DEL SISTEMA

TASA DE FALLO

- Nº de fallos por unidad de tiempo. Ejemplo 23 fallos /1000.000 horas

- Sigue un Proceso estocástico de Poisson. Nº de eventos en un tiempo dado.

¿Cómo obtener la tasa de fallos de nuestros propios equipos?

1º Recurrir a la información de la tasa de fallos de cada fabricante, a veces el cliente proporciona la tasa de fallos para una misión conocida (Tª, ambiente).

3.- ALGUNOS TÉRMINOS BÁSICOS EN FIABILIDAD

COMPONENTES PARA ESPACIO

COMPONENTES MILITARES

COMPONENTES INDUSTRIALES

COMPONENTES COMERCIALES

¿Cómo obtener la tasa de fallos de nuestros propios equipos?

2º Recurrir a las normativas de cálculo de fiabilidad que tienen como objetivo estandarizar la calidad de los componentes electrónicos en función de los teses que superen.

MEJOR CALIDAD

PEOR CALIDAD MAYOR TASA DE FALLO

MENOR TASA DE FALLO

METODOS DE CÁLCULO DE FIABILIDAD:

MIL-217F-Notice 2: Más pesimista, usada para componentes militares

Bellcore-Telcordia: Más optimista, usada para componentes industriales y comerciales

NORMAS ESCC (European Space Components Coordination)

NORMAS MIL (Military)

NORMAS INDUSTRIAL.Ej. AEC-Q200 (AutomotiveElectronic Council)

Pruebas particulares del fabricante

3.- ALGUNOS TÉRMINOS BÁSICOS EN FIABILIDAD

MTBF (Mean Time Between Failure): Es el tiempo medio entre fallos (horas), considerando el tiempo de reparación. Se mide en horas, es la inversa de la tasa de fallos.

MTTF (Mean Time To Failure): Es el tiempo hasta el fallo (horas)

MTTR (Mean Time To Repair): Es el tiempo medio de Reparación

3.- ALGUNOS TÉRMINOS BÁSICOS EN FIABILIDAD

MTTR (Mean Time To Repair): tiempo medio de reparación. para su cálculo hay que tener en cuenta el nivel de mantenimiento al que se van a reportar las tareas.

TTR (Time To Repair) : tiempo de cada tarea de mantenimiento, este tiempo se

compone de:

-Ti: tiempo de aislamiento

-Tr: tiempo de remplazamiento

-Tt: tiempo de test

Como calculamos el tiempo medio de reparación de un equipo. Sea cual sea el fallo que se manifieste

3.- ALGUNOS TÉRMINOS BÁSICOS EN FIABILIDAD

FIABILIDAD SOPORTE

4.- SINERGIAS ENTRE DISCIPLINAS RMT. FIABILIDAD -SOPORTABILIDAD

¿ COMO PLANTEAMOS NUESTROS ANÁLISIS PARA CONSEGUIR UN SISTEMA FIABLE?

¿ EN QUE SECTOR NOS MOVEMOS?

¿ QUE PRESUPUESTO TENEMOS?

SECTORES CON POSIBILIDAD DE ACCESO A REEMPLAZAMIENTO Y SOPORTE DE EQUIPOS

PODEMOS USAR LOS DIFERENTES NIVELES DE MANTENIMIENTO

DEPOT OPERATIONS DIRECT SUPPORT ORGANIZATIONAL SUPPORT

Capacidades totales de reparación

Capacidades medias especificadas por contrato

Capacidades limitadas, pequeñas reparaciones a nivel alto

Coste por Unidad de producto

0% 100%% Nivel de Calidad

Zona de mejora Nivel Óptimo Zona de perfeccionamiento

Coste de fallos

Coste de fabricación

4.1.- SINERGIAS ENTRE DISCIPLINAS RMT. FIABILIDAD -SOPORTABILIDAD

FIABILIDAD SOPORTE

Modelo clásico de coste total de la calidad óptimo

SECTORES DE POSIBLE ACCESO A REEMPLAZAMIENTO Y SOPORTE DE EQUIPOS

ESPACIO NIVELES DE MANTENIMIENTO

DEPOT OPERATIONS DIRECT SUPPORT ORGANIZATIONAL SUPPORT

Capacidades totales de reparación

NO EXISTE ESTE NIVEL DE MANTENIMIENTO

Capacidades limitadas, pequeñas reparaciones a nivel alto

Coste por Unidad de producto

0% 100% % Nivel de CalidadZona de mejora Nivel Óptimo Zona de

perfeccionamiento

Coste de fallos

Coste de fabricación

FIABILIDAD SOPORTE

4.1.- SINERGIAS ENTRE DISCIPLINAS RMT. FIABILIDAD -SOPORTABILIDAD

Modelo clásico de coste total de la calidad óptimo

GRANDES COMPAÑÍAS U OTROS ORGANISMOS DE GRAN PESO

DEPARTAMENTO DE DEFENSA DE UN PAÍSAIRBUSGENERAL DYNAMICNAVANTIAINDRATHALESCONSORCIO DE EMPRESAS (Eurofighter)

FABRICACIÓN DE GRANDES SYSTEMAS

SACAN A CONCURSO DETERMINADOS EQUIPOS QUE IRÁN INTEGRADOS EN SUS SISTEMAS

REQUISITOS DE CUMPLIMIENTO QUE EXIGE ESTE FABRICANTE.

Entre todos los requisitos se encuentran los requisitos de fiabilidad.

EMPRESAS PARTICIPANTES ELABORAN OFERTAS EN LAS QUE DEMUESTRAN SER CAPACES DE FABRICAR EL EQUIPO CUMPLIENDO REQUISITOS Y A UN PRECIO LO MÁS BAJO POSIBLE

QUE SENTIDO TIENE QUE ESTOS ORGANISMOS IMPONGAN UNOS REQUISITOS DE CUMPLIMIENTO

DE FIABILIDAD ?

?

Pliego de condiciones a cumplir

SISTEMA DE COMUNICACIONES DE AUDIO

5.- SINERGIAS ENTRE DISCIPLINAS RMT. FIABILIDAD –SAFETY- PROPAGACIÓN DE FALLOS

SOMOS FABRICANTES DEL SISTEMA DE COMUNICACIONES DE AUDIO PARA EL A-400

NUESTRO SISTEMA DE COMUNICACIONES SE COMPONE DE 4 EQUIPOS.

ESTOS SON:

- PANEL DE CONTROL DE AUDIO_1

- PANEL DE CONTROL DE AUDIO_2

- EQUIPO DE CONTROL DE COMUNICACIONES

- CONVERSOR DE AUDIO A/D

REQUISITOS DE FIABILIDAD QUE IMPONE EL CLIENTESISTEMA DE COMUNICACIONES DE AUDIO PARA AVIÓN A-400

EL CLIENTE DECLARA UNA SERIE DE EVENTOS QUE CONSIDERA CRÍTICOS.

ESTOS EVENTOS TAMBIÉN SE CONOCEN COMO EVENTOS NO ESPERADOS (UNEXPECTED

EVENTS).

LA PROBABILIDAD DE QUE DICHOS EVENTOS OCURRAN EN NUESTROS EQUIPOS, TIENEN QUE

ESTAR POR DEBAJO DE LOS UMBRALES QUE IMPONE EL CLIENTE.

PROBABILIDAD DE QUE SE PIERDA EL PANEL DE CONTROL_1 < 1X10-5

PROBABILIDAD DE QUE SE DEGRADE NIVEL DE AUDIO EN PANEL DE CONTROL_2 <1X10-4

PROBABILIDAD DE QUE SE PIERDA EL EQUIPO DE CONTROL <1X10-6

PROBABILIDAD DE QUE SE PIERDA EL CONVERSOR DE AUDIO <1X10-6

5.- SINERGIAS ENTRE DISCIPLINAS RMT. FIABILIDAD –SAFETY- PROPAGACIÓN DE FALLOS

EVENTO NO ESPERADO. PÉRDIDA DE PANEL DE CONTROL

PROBABILIDAD DE QUE SE PIERDA EL PANEL DE CONTROL_1 < 1X10-5

PROBABILIDAD DE QUE SE DEGRADE NIVEL DE AUDIO EN PANEL DE CONTROL_2 <1X10-4

PROBABILIDAD DE QUE SE PIERDAN EL EQUIPO DE CONTROL <1X10-6

PROBABILIDAD DE QUE SE PIERDA EL CONVERSOR DE AUDIO <1X10-6

REQUISITOS DE FIABILIDAD QUE IMPONE EL CLIENTE

PANEL DE CONTROL_1 DEL SISTEMA DE AUDIO

LOSS OF CONTROL PANEL_1

OR GATE

AND GATE

SC OF CAPACITOR C78

LOSS OF TRANSISTOR U105

LOSS OF FPGA U2

LOSS REGULATOR 5V U3

LOSS OF REGULATOR 5V U1

LOSS OF REGULATOR 5V U6

7,11E-08 5,01E-08 6,41E-08 1,71E-09

8,11E-04 6,71E-03 3,15E-04

1,87E-07

MODO DE FALLO SIMPLE

EJEMPLO. CORTOCIRCUITO DEL CONDENSADOR C78

5.- SINERGIAS ENTRE DISCIPLINAS RMT. FIABILIDAD –SAFETY- PROPAGACIÓN DE FALLOS

EJEMPLO DE PROPAGACIÓN DE FALLOS AGUAS ARRIBA

FALLA EL PANEL DE CONTROL DE AUDIO

DURANTE EL DESPEGUE

EL PILOTO NO PUEDE RECIBIR INFORMACIÓN DEL CONTROLADOR DESDE LA

TORRETA

EL AVIÓN NO OBECEDE LA ORDEN DEL CONTROLADOR

DE TOMAR UNA VIA DE DESPEGUE QUE ESTE

PREPARADA

SE SOBRECALIENTA EL TRANSISTOR MOSFET CUYA FUCIÓN ES DE

SWITCH EN LA ALIMENTACIÓN

EL AVIÓN TOMA UNA VÍA DE DESPEGUE INCORRECTA Y

SU RUEDA EXPLOTA AL CHOCAR CON UNA PIEZA

METÁLICA

EL AVIÓN SE ESTRELLA A 300 Km/h

1 2 3 4 5 7

FALLO DE TRANSISTOR

VIDA HUMANA EN PELIGRO. EL AVIÓN SE ESTRELLA

CONSECUENCIA

5.- SINERGIAS ENTRE DISCIPLINAS RMT. FIABILIDAD –SAFETY- PROPAGACIÓN DE FALLOS

Distribución exponencial:

- La mayoría de componentes electrónicos son modelados por una exponencial.

- Las normas de fiabilidad recomiendan usar la exponencial para componentes

electrónicos.

- Para evitar complejidad de cálculos, las normas de fiabilidad recomiendan mantener

constante en el tiempo la tasa de fallos.

“λ” Failure Rate (nº de fallos/tiempo establecido (horas)), se supone constate en el tiempo, En la realidad este factor debería de ir incrementándose a medida que pasa el tiempo

FIABILIDAD. PROBABILIDAD DE CUMPLIMIENTO DE MISIÓN

INFIABILIDAD. PROBABILIDAD DE OCURRENCIA DE FALLO

“t” es el tiempo de misión para el que queremos calcular la fiabilidad

Ejemplo:

MTBF: 1429 horas

λ = nºfallos/1000000 horas =700 fallos /millón de horas

t Tiempo de cálculo de probabilidad de fallo = 3000 horas

Probabilidad de fallo del elemento a las 8000 horas = 0,877

6.- DISTRIBUCIONES DE PROBABILIDAD USADAS EN FIABILIDAD

Distribución Weibull:

- Algunos componentes electrónicos son modelados por una Weibull.

- La mayoría de los componentes mecánicos, motores, válvulas, elementos COTS

(Commercial Off-the-shelf) son modelados a través de distribuciones Weibull.

- Es muy usada dada la flexibilidad que te permite, variando el factor de forma y el de

escala.

INFIABILIDAD. PROBABILIDAD DE OCURRENCIA DE FALLO

Ejemplo:

Factor de escala: 7.000 horas (Es el MTBF del elemento)Factor de Forma: 2 (depende del comportamiento muestral en campo)t =6.000 horas es el tiempo en el que deseamos obtener la probabilidad de ocurrencia

Probabilidad de fallo del elemento a las 6000 horas = 0,5203

6.- TIPO DE DISTRIBUCIONES DE PROBABILIDAD USADAS EN FIABILIDAD

Distribución Gamma:

- Se usa para casos en los que pueden sucederse primeros fallos parciales antes de ocurrir

un posible fallo en el item.

- Usado en sistemas redundantes.

- α es el nº de fallos primeros fallos parciales que se tienen que dar para que suceda el fallo

en el ítem.

- λ es la tasa de fallos (fallos completos del ítem).

INFIABILIDAD. PROBABILIDAD DE OCURRENCIA DE FALLO

Ejemplo:

Se tienen que producir 3 primeros fallos para que se produzca el fallo total de un propulsor. Si el propulsor tiene una tasa de fallo de λ=40.000 fallos por millón de hora. ¿Qué probabilidad hay de que el propulsor falle en 90 horas?

Probabilidad de que el propulsor falle a las 90 horas = 0,6972

α = 3 fallos parciales ; λ= 40.000 fallos /millón de hora; t=90 horas

6.- TIPO DE DISTRIBUCIONES DE PROBABILIDAD USADAS EN FIABILIDAD

Distribución Binomial, Modelo k de N:

- Esta distribución es usada en elementos redundantes

- Ejemplo. En un equipo que se alimenta a través de 4 fuentes de alimentación redundantes

¿Cuál sería la probabilidad de que fallaran 3 de las fuentes?

- Se podría calcular con un modelo 3 de 4.

Distribución Normal:

- Hay comportamientos como labores de mantenimiento o procesos más complejos que se

modelan a través de distribuciones normales.

Distribución LogNormal:

- Es usada en los ensayos de ciertos componentes mecánicos

Otras distribuciones:

- Poisson, Beta, ChiSquared…

6.- TIPO DE DISTRIBUCIONES DE PROBABILIDAD USADAS EN FIABILIDAD

Diferenciar entre la fiabilidad (probabilidad de cumplir la misión de manera exitosa),

probabilidad de ocurrencia (probabilidad de no cumplimiento de misión) y función hazard

(numero de fallos por hora para un tiempo de misión). La función hazard se usa para obtener la

tasa de fallos a partir de una distribución con unos parámetros determinados de la distribución

(ejemplo weibull, factor de forma y de escala, gamma alfa, ....). Si ya tenemos la tasa de fallos

entonces nos interesa obtener la fiabilidad y ocurrencia o los parámetros de dicha distribución.

Pero si tenemos los parámetros de la función de densidad nos interesará obtener la función

hazard.

Ejemplo con distribución Weibull

Tenemos los siguientes inputs

t = 8.000 (tiempo)

η = 10.000 (factor de escala)

β = 2 (factor de forma)

Probabilidad de cumplimiento de misión

Probabilidad de no cumplimiento (ocurrencia)

Fallos / hora (función hazard)

Q(t)= 1- R(t)

52,73 %

47,27 %

0,0002 fallos / hora

6.- TIPO DE DISTRIBUCIONES DE PROBABILIDAD USADAS EN FIABILIDAD

SISTEMA DE CONTROL DE PROPULSORES PARA EUROFIGHTER TYPHOON

¿CONSEGUIREMOS DISEÑAR UN SISTEMA FIABLE?

7.- EJEMPLO PRÁCTICO

SOMOS UNA EMPRESA QUE TRABAJA DENTRO DEL CONSORCIO EUROFIGHTER

La PTS incluye las especificaciones del producto para orientar su desarrollo.

Requisitos funcionales: Diseño modular

Requisitos eléctricos: Ej. Consumos máximos permitidos, corrientes máximas.

Requsitos mecánicos:

Requisitos de ambiente

Consumos máximos permitidos

EL SISTEMA SE COMPONE DE 2 EQUIPOS

1 EQUIPO PANEL DE CONTROL

1 EQUIPO DE CONTROL DE COMUNICACIÓN

EL CONSORCIO EUROFIGHTER HA ESTABLECIDO UNA NORMATIVA PARA QUE TODAS

LAS EMPRESAS INVOLUCRADAS TRABAJEN BAJO LOS MISMOS ESTANDARES

NORMATIVOS.

- SE USARÁ LA NORMA MIL217F- Notice 2 PARA EL CÁLCULO DE FIABILIDAD.

- SE TRABAJARÁ CON COMPONENTES DE CALIDAD MILITAR.

- SE HARÁN ESTUDIOS DE: PREDICCIÓN DE FIABILIDAD, RBD, FMEA, FTA y LORA

- SE PROPORCIONARÁ UNA BASE DE DATOS LOGÍSTICOS DE ACUERDO CON LA

NORMA AECMA1000 Y AECMA2000.

NORMATIVA A CUMPLIR ESPECIFICACIONES DE NUESTRO SISTEMA. REQUISITOS DE CLIENTE PTS (Purchase Technical Specification)

7.1- REQUISITOS DE CONTRATO

PRIMER OBJETIVO:

CUMPLIR 1º REQUISITO DE CLIENTE

MTBF DEL SISTEMA DEBE DE SER > 35.000 horas

Aunque se muestren datos del sistema entero nos centraremos para hacer nuestro estudio de fiabilidad en una pequeña parte del circuito de todo el sistema. Usaremos una parte de la tarjeta de alimentación.

Para hacer más didáctico el trabajo tomaremos como requisito el siguiente:

MTBF DE LA TARJETA DE ALIMENTACIÓN DEBE DE SER DE > 5.400.000 horas

7.1- REQUISITOS DE CONTRATO

TRABAJO EN EQUIPO MULTIDISCIPLINAR

INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

Materiales,aislamientos,vibraciones,soldadura

Diseño de circuitos,firmware, simulación, pruebas emi-emc, seu….

Selección de componentesmás económicos que cumplanrequisitos del proyecto

Diseño de bitsde testeo delos equipos. Cobertura de testeo del equipo

Herramientas software, integración deherramientas….

Auditoría de diseño:identificación de fallosCríticos y acciones de mitigación. Objetivo: mejorar el diseño de forma continua y cumplirlos requisitos del cliente

Diseño gráfico2D, 3D,Análisis térmicos

FLUJO DE INFORMACIÓN LIMPIA ENTRE

DEPARTAMETOS

DESARROLLO DE DISEÑO ADECUADO

EL EQUIPO DISEÑADO CUMPLE TODOS LOS

REQUISITOS DE CONTRATO

Se comienza a diseñar a nivel alto sin proceder a ninguna compra para dar una visión de que tipos de componentes vamos a necesitar, siguiendo los pasos de la especificación del cliente.

7.2- TRABAJO EN EQUIPO MULTIDISCIPLINAR

Selección de Componentes de calidad Militar

De acuerdo con la norma MIL217F-Notice 2, los componentes de calidad militar tienen un rango de calidades asignados y su tasas de fallo son más bajas que si los componentes fueran de calidad industriales o sin calidad establecida (comerciales).

FABRICANTE

TESES DEL PROPIO

FABRICANTE

CRITERIOS BASADOS EN NINGUNGA NORMATIVA DE FIABILIDAD

FABRICANTE

TESES ESTABLECIDO

S POR UNA NORMATIVA

NORMAS DE FIABILIDAD PARA COMPONENTES

INDUSTRIALES. Ej. IEC 61709 'Electronic components – Reliability

NORMAS DE FIABILIDAD PARA COMPONENTES

MILITARES. Ej. MIL 217F-Notice 2

NORMAS DE FIABILIDAD PARA COMPONENTES

ESPACIALES. Ej. NORMAS ECSS

Calidad Industrial

Calidad Comercial

Calidad Militar

Calidad Espacial

7.3.- CALIDAD DE COMPONENTES

Selección de Componentes de calidad Militar. Pi factors

Calidades de acuerdo con la norma MIL-217F-Notice 2

CAPACITORS Pi Factors

7.3.- CALIDAD DE LOS COMPONENTES

Diseño a nivel bajo haciendo simulaciones y considerando las especificaciones de los componentes (data sheets) y del cliente (PTS Purchase Technical Specification).

3.- EJEMPLO PRÁCTICO. DISEÑO

PSA (Part Stress Análisis)

Aseguramos que los componentes están operando dentro del los umbrales de estrés que exige la norma (cada sector trabaja con unas normativas determinadas).

Requisitos de estrés para un transistor bipolar

7.5.- ANÁLISIS DE DERATING

Análisis térmicos

Vemos si los componentes superan el umbral de estrés frente a temperatura

7.6.- ANÁLISIS TÉRMICOS

Ya podemos elaborar la Predicción de Fiabilidad

A partir de aquí podemos evaluar con los pi factors como va quedando la tasa de fallos de nuestros diseños.

7.7.- PREDICCIÓN DE FIABILIDAD

Predicción de Fiabilidad

7.7.- PREDICCIÓN DE FIABILIDAD

Predicción de Fiabilidad - Reliability Block Diagram

Tasa de fallos de la tarjeta de alimentación,

No cumplimos con el MTBF del cliente ¿Qué podemos hacer?

- Mejorar el estrés de los componentes.

- Mejorar los rangos de calidad de los componentes.

- Redundar aquellas partes que tienen una tasa de fallos grande

Depende de los costes que suponga, tomaremos una decisión u otra.

λ = 0,18543 fallos/1000000 horas

MTBF = 1/ λ = 5.392.865 horas

REQUISITO DEL CLIENTE

MTBF > 5.400.000 horas

La probabilidad de que se produzca el fallo en el equipo es: expresión exponencial

7.7.- PREDICCIÓN DE FIABILIDAD - RBD

Teoría de fiabilidad de sistemas en serie

Tasa de fallos de una tarjeta, teniendo en cuenta redundancia activa de un condensador.

Paralelo de C1 y C2

Siendo R1(t) y R2(t):

λc1 = λc2 = 0,00477241 fallos /1000.000 horas:

Si sumamos de nuevo las tasas de fallo de los componentes en serie: λTOTAL = λD1 + λD2 + λDZ1 + λR1 + λR2 + λR3 + λQ1 + λC1_C2 = 0,18065776 fallos/1000.000 horas

MTBF = 1/ λTOTAL = 5.535.328 horas Requisito de cliente MTBF > 5.400.000 horas !!CUMPLIMOS REQUISITO DE MTBF!!

7.7.- PREDICCIÓN DE FIABILIDAD - RBD

Predicción de Fiabilidad - Reliability Block Diagram

Teoría de fiabilidad de sistemas en paralelo

SEGUNDO OBJETIVO:

CUMPLIR REQUISITO DE CLIENTE

PROBABILIDAD DE QUE LA TARJETA CUMPLA SU MISIÓN DE MANERA EXITOSA DEBE SER > 99,7 %

ELABORACIÓN DE UN FMECA (Failure Mode Effects and Critical Analisis)

7.8.- FMECA

¿QUE ES UN FMEA?

Elaborar un Ejemplo de FMEA para este circuito, se explican las columnas

7.8.- FMECA

ID Component Name Failure Mode Local Effects End EffectFailure rate

(FPMH)Severity Number

Detection Number

Probability Number

CNCompensating

Provisions

1D1 Any single pin OC Degradación de protección EMI/EMC NONE 0,00273046 2 4 3 24NONE

2D1 SC Pérdida de alimentación Pérdida del sistema 0,00273046 4 1 3 12NONE

3D2 Any single pin OC Degradación de protección EMI/EMC NONE 0,00273046 2 4 3 24NONE

4D2 SC Pérdida de alimentación Pérdida del sistema 0,00273046 4 1 3 12NONE

5DZ1 Any single pin OC Degradación de alimentación NONE 0,002386205 2 4 3 24NONE

6DZ1 SC Pérdida de alimentación Pérdida del sistema 0,002386205 4 1 3 12NONE

7R1 OC Pérdida de alimentación Pérdida del sistema 0,0085275 4 1 3 12NONE

8R2 OC Degradación de alimentación NONE 0,0085275 2 4 3 24NONE

9R3 OC Pérdida de alimentación NONE 0,0085275 4 4 3 48NONE

10C1 OC Degradación de filtrado NONE 0 2 4 1 8NONE

11C1 SC Pérdida de alimentación Pérdida del sistema 0 4 1 1 4NONE

12C2 OC Degradación de filtrado NONE 0 2 4 1 8NONE

13C2 SC Pérdida de alimentación Pérdida del sistema 0 4 1 1 4NONE

14Q1 OC Pérdida de alimentación Pérdida del sistema 0,068675645 4 1 3 12NONE

15Q1 SC Pérdida de alimentación Pérdida del sistema 0,068675645 4 1 3 12NONE

Hemos obtenido las siguientes conclusiones de nuestro análisis:

- De 15 modos de fallo analizados 13 tienen una criticidad por encima de 8, esto quiere decir que el sistema es muy crítico.

- Curiosamente los modos de fallo más críticos son los que causan degradación porque no son detectados.

- Los modos de fallo que provocan la pérdida son más severos pero se pueden detectar y cambiar.

7.9.- FMECA - RBD

Failure Mode Effects and Critical Analysis – Reliability Block Diagram

Tasa de fallos de una tarjeta, teniendo en cuenta redundancia activa en las tarjeta de alimentación.

7.9.- FMECA - RBD

¿QUE ES UN FMEA?

Ahora volvemos a ver como queda la criticidad de los fallos en el FMEA, considerando en los efectos la otra tarjeta de alimentación redundante.

7.10.- FMECA CONSIDERANDO REDUNDACIA EN STAND-BY

ID Component Name Failure Mode Local Effects End EffectFailure rate

(FPMH)Severity Number

Detection Number

Probability Number

CN Compensating Provisions

1D1 Any single pin OC Degradación de protección EMI/EMC NONE 0,00273046 1 4 3 12Alimentación redundante2D1 SC Pérdida de alimentación NONE 0,00273046 1 1 3 3Alimentación redundante3D2 Any single pin OC Degradación de protección EMI/EMC NONE 0,00273046 1 4 3 12Alimentación redundante4D2 SC Pérdida de alimentación NONE 0,00273046 1 1 3 3Alimentación redundante5DZ1 Any single pin OC Degradación de alimentación NONE 0,002386205 1 4 3 12Alimentación redundante6DZ1 SC Pérdida de alimentación NONE 0,002386205 1 1 3 3Alimentación redundante7R1 OC Pérdida de alimentación NONE 0,0085275 1 1 3 3Alimentación redundante8R2 OC Degradación de alimentación NONE 0,0085275 1 4 3 12Alimentación redundante9R3 OC Pérdida de alimentación NONE 0,0085275 1 4 3 12Alimentación redundante

10C1 OC Degradación de filtrado NONE 0 1 4 1 4Alimentación redundante11C1 SC Pérdida de alimentación NONE 0 1 1 1 1Alimentación redundante12C2 OC Degradación de filtrado NONE 0 1 4 1 4Alimentación redundante13C2 SC Pérdida de alimentación NONE 0 1 1 1 1Alimentación redundante14Q1 OC Pérdida de alimentación NONE 0,068675645 1 1 3 3Alimentación redundante15Q1 SC Pérdida de alimentación NONE 0,068675645 1 1 3 3Alimentación redundante

FTA (Faul tree Analysis)

Estos son los eventos que contribuyen al fallo “pérdida de la alimentación”.

Supongamos que cada evento se modela con una distribución de probabilidad distinta.

¿Qué probabilidad tenemos de que se produzca la pérdida de la alimentación?

La combinación lógica de eventos es la siguiente

Los eventos que aparecen en la imagen, son posibles modos de fallo simples que se han estudiado en el FMEA y que contribuyen a la pérdida del equipo

método BDD (Binary Decision Diagram) Rpérdida(t) = R(t)2 + R(t)4 + R(t)6 + R(t)7 + R(t)11 + R(t)13 + R(t)14 + R(t)15 + (R(t)15 x R(t)15)

7.11.- FTA

FTA (Faul tree Analysis)

Hemos realizado ensayos acelerados de esta tarjeta y vemos que la distribución de fallos en el tiempo, hacen que el modelo de fallos en el tiempo quede de la siguiente forma.

7.11.- FTA

Modelo de fallo obtenido por:

- Pruebas en campo real. Histórico de fallos. FRACAS (FailureReporting, Analysis and correctiveactions).

- Ensayos acelerados reales.

- Ensayos acelerados por simulación.

Modelo de fallo obtenido por:

- Pruebas en campo real. Histórico de fallos. FRACAS (Failure Reporting, Analysis and corrective actions).

- Ensayos acelerados reales.

- Ensayos acelerados por simulación.

FTA (Faul tree Analysis)

Hemos realizado ensayos acelerados de esta tarjeta y vemos que la distribución de fallos en el tiempo, hacen que el modelo de fallos en el tiempo quede de la siguiente forma.

7.11.- FTA

Modelo de fallo obtenido por:

- Pruebas en campo real. Histórico de fallos. FRACAS (Failure Reporting, Analysis and corrective actions).

- Ensayos acelerados reales.

- Ensayos acelerados por simulación.

Modelo de fallo obtenido por:

- Pruebas en campo real. Histórico de fallos. FRACAS (Failure Reporting, Analysis and corrective actions).

- Ensayos acelerados reales.

- Ensayos acelerados por simulación.

FTA (Faul tree Analysis)

Finalmente realizamos el cálculo y cumplimos la probabilidad de fallo

7.11.- FTA

MUESTRA DE FALLOS EN EL TIEMPO.

7.12.- INFERENCIA ESTADÍSTICA

Histórico de Fallos de un modo de fallo. Ejemplo Cortocircuito del transistor Q1

Histórico de Fallos de un equipo diseñado por nosotros. Modelo de fallo del panel de control

Tiempo en operación (horas)

Número de fallos

¿COMO PODEMOS OBTENER UNA DISTRIBUCIÓN DE DENSIDAD QUE MODELE ESTA MUESTRA?

Esta muestra podría representar:

MUESTRA DE FALLOS EN EL TIEMPO.

7.12.- INFERENCIA ESTADÍSTICA

.- MIL-HDBK-338B: Web: http://www.sre.org/pubs/Mil-Hdbk-338B.pdf

.- MIL217F-Notice 2: Web: http://www.sre.org/pubs/Mil-Hdbk-217F.pdf

.- Normas ECSS: Web: http://www.ecss.nl/

.- Normas AEC-Q200: buscador google, palabras clave: “aec-q200 automotive electronics”

.- Modelo clásico de coste total de la calidad óptimo:, buscador google, palabras clave “Modelo clásico de coste total de la calidad” , selección de propuesta del buscador: Introducción a la gestión de la calidad

.- Imágenes de análisis térmicos: Web: buscador por imágenes google, palabras clave “análisis térmicos”.

.- Teoría de fiabilidad de sistemas en serie y paralelo: Web: http://es.wikipedia.org/wiki/Fiabilidad_de_sistemas

.- Información de aviones y consorcio eurofighter: Web: http://www.eurofighter.com/about-us

.- Esquemático de fuente de alimentación: http://spritesmods.com/?art=knock2open&page=3

* Palabra clave: “Description of typical flyback type SMPS” , Web: http://www.repairfaq.org/sam/smpsfaq.htm* Palabra clave: “high-current-power-supply-circuit-diagram1, Web: http://www.liberaenergio.org/library/Electronics/Circuits/Power%20Supply%20Regulators* Palabra clave: “Auto Air Purifier HV Generator”, Web: http://repairfaq.cis.upenn.edu/sam/samschem.htm

*circutio elaborado con el programa ISIS PROTEUS 7.4

.- Diagrama de bloques: “herramienta item toolkit software”. Web: http://www.itemsoft.com/download_demo.html

.- Otros programas de uso gratiutio con verisones de prueba: “Relex” Web: http://www.relex.se/

2.1.- BIBLIOGRAFÍA

Este trabajo se ha elaborado teniendo en cuenta los siguientes criterios:1.- Conocimientos adquiridos a través de los 4 años de experiencia como Ingeniero de soporte Logístico Integrado.2.- Toda la información declarada en esta presentación se puede obtener de Internet. Los enlaces se declaran en los siguientes puntos: