SEM Aula 9 Confiabilidade Prof. Dr. Marcelo Becker

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1 SEM Aula 9 Confiabilidade Prof. Dr. Marcelo Becker SEM - EESC - USP

2 Introdução à Confiabilidade NENHUM SISTEMA É 100% SEGURO: Erros na especificação, desenho e realização time-to-market cada vez mais importante (e curto!) Imprevisibilidades internas e externas ao sistema Nas empresas: dependência de sistemas de informação críticos sistemas são factor de concorrência falhas nos sistemas podem parar o negócio (na aviação podem resultar em perda de vidas humanas!) EESC-USP M. Becker 2011

3 EESC-USP M. Becker 2011 Introdução à Confiabilidade O que é importante nos sistemas: o reconhecimento de que podem falhar a compreensão das causas de falha diminuição do impacto de falhas (interno e externo) a comprovação do seu bom funcionamento Abordagem sistemática destes problemas é urgente!! Necessidade de acordo na terminologia a utilizar Base comum para estudo e discussão

4 EESC-USP M. Becker Introdução à Confiabilidade Definição de Confiabilidade: Segundo a NBR 5462, confiabilidade é a capacidade de um item desempenhar uma função requerida sob condições especificadas, durante um dado intervalo de tempo. Confiabilidade é a qualidade ao longo do tempo Confiabilidade é a melhor medida quantitativa da integridade de um projeto, de uma peça, componente, produto ou sistema. Confiabilidade é a probabilidade que peças, componentes, produtos, ou sistemas irão executar suas funções de projeto sem falhas em um ambiente especificado, por um período projetado, com um determinado nível de confiança

5 EESC-USP M. Becker Introdução à Confiabilidade Definição de Confiabilidade: Pode-se verificar que a completa especificação de confiabilidade envolve basicamente sete aspectos: 1) O estatístico que é a probabilidade da ocorrência de uma falha; 2) O nível de confiança que a probabilidade é expressa; 3) O relacionado ao intervalo de tempo, para o qual a probabilidade é estabelecida, também chamada de tempo da missão; 4) A idade ou tempo de vida do produto, pois a probabilidade de falha se altera com a vida;

6 EESC-USP M. Becker Introdução à Confiabilidade Definição de Confiabilidade: 5) A caracterização do que é considerado como falha, quais os limites de desempenho admitidos; 6) O ambiente de operação, quais as solicitações ambientais que o produto estará sujeito; 7) As condições de uso do produto, qual o ciclo de operação, a carga, a solicitação operacional, ambiental e elétrica que o produto estará sujeito.

7 EESC-USP M. Becker 2011 Introdução à Confiabilidade Histórico Von Braun e Eric Pieruschka (II Guerra) V1 - Buzz-Bomb

8 EESC-USP M. Becker 2011 Introdução à Confiabilidade Aumento da complexidade dos produtos Houve um grande aumento do número de peças nos novos produtos: Um Boeing 747 é feito com aproximadamente 4,5 milhões de peças; Um trator de 1935 continha 1200 peças críticas, em 1990 o número aumentou para 2900 peças críticas. A nave espacial Mariner / Mars dependeu do bom funcionamento de componentes, pelo mínimo de nove meses no espaço.

9 EESC-USP M. Becker 2011 Introdução à Confiabilidade Aumento da complexidade dos produtos Trator ano Número de peças críticas Confiabilidade assumindo 99,99% de conf. das peças Número de tratores que falham por ,7 % ,9 % ,7 % ,1 % ,8 % 252

10 Introdução à Confiabilidade Aumento da complexidade dos produtos Número de peças críticas Confiabilidade das peças 99,999% 99,99% 99,9% 99,0% Confiabilidade do sistema 10 99,99 % 99,90 % 99,00 % 90,44 % ,90 % 99,01 % 90,48 % 36,60 % ,75 % 97,53 % 77,87 % 8,11 % ,50 % 95,12 % 60,64 % 0,66 % ,01 % 90,48 % 36,77 % < 0,1 % ,48 % 36,79 % < 0,1 % < 0,1 % ,79 % < 0,1 % < 0,1 % < 0,1 % Assumindo que as peças estejam todas dispostas em série EESC-USP M. Becker 2011

11 EESC-USP M. Becker 2011 Introdução à Confiabilidade A confiabilidade como um dos parâmetros da qualidade Iniciando pela qualidade, Garvin em 1987 determinou oito dimensões para a qualidade: 1) Desempenho, significando como o produto irá executar o trabalho pretendido; 2) Confiabilidade, significando com que freqüência o produto falha; 3) Durabilidade, significando por quanto tempo o produto irá durar; 4) Mantenabilidade, significando o quão fácil é reparar o produto;

12 EESC-USP M. Becker 2011 Introdução à Confiabilidade A confiabilidade como um dos parâmetros da qualidade 5) Estética, significando o apelo visual do produto; 6) Características, significando o que o produto faz; 7) Qualidade percebida, significando qual a reputação da empresa e do seu produto; 8) Conformidade com o projeto, significando a adequação do produto à intenção do projetista. O processo de manufatura não deve distorcer a intenção do projetista, de forma a desqualificar o produto.

13 EESC-USP M. Becker 2011 Introdução à Confiabilidade Riscos do desenvolvimento de produtos Garantia e custos dos serviços Segurança Responsabilidade pública Competição Pressões do mercado Percepção dos Riscos Legais Ênfase no gerenciamento Riscos do gerenciamento Requisitos do consumidor Eng. de Confiabilidade

14 Políticas de Qualidade Conjunto de atitudes destinadas a aumentar a confiabilidade do produto Rastreamento e análise de falhas e suas causas Realimentação para Projeto, Processos e Materiais EESC-USP M. Becker

15 EESC-USP M. Becker Introdução à Confiabilidade Definição de Falha: O término da capacidade de um sistema ou componente de realizar sua função especificada. Tipos: Parcial Catastrófica Completa Marginal Gradual Degradação Súbita

16 Introdução à Confiabilidade Tipos de Falhas Falha Parcial: Desvios de características, além de limites estabelecidos, mas que não causam perda completa da função requerida. Falha Completa: Desvios além de limites estabelecidos, causando perda total da função requerida. EESC-USP M. Becker

17 Introdução à Confiabilidade Desenvolvimento das Falhas Falha Gradual: Ocorrência pode ser prevista através de inspeção e/ou acompanhamento Falha Súbita: Ocorrência imprevisível Falha aleatória EESC-USP M. Becker

18 Introdução à Confiabilidade Falha Catastrófica: Falha Súbita e Completa Falha Marginal: Súbita e Parcial Degradação: Falha Gradual e Parcial. EESC-USP M. Becker

19 EESC-USP M. Becker Introdução à Confiabilidade y(t) Falha Gradual Monotônica Falha y max y min Ajustes Falha Tempo

20 Confiabilidade EESC-USP M. Becker Introdução à Confiabilidade Vida Útil de um Componente Ex.: Uma lâmpada em particular Tempo (h)

21 Confiabilidade EESC-USP M. Becker Introdução à Confiabilidade Vida Útil de um Componente Outra lâmpada similar Tempo (h)

22 Confiabilidade EESC-USP M. Becker Introdução à Confiabilidade Vida Útil de Vários Componentes em Cj. Várias lâmpadas similares Tempo (h)

23 EESC-USP M. Becker Introdução à Confiabilidade Função de Confiabilidade Média dos testes de Vida Útil de uma população de componentes similares 1.0 R(t 0 ) R(t) 0.0 t 0 Tempo (h)

24 EESC-USP M. Becker Introdução à Confiabilidade Função de Confiabilidade R(t 0 ) equivale à Confiabilidade (probabilidade de operação) no instante t 0 Também equivale à probabilidade de que a vida útil do componente ou sistema exceda o instante t R(t) R(t 0 ) 0.0 t 0 Tempo (h)

25 EESC-USP M. Becker Definições Probabilidade Cumulativa de Falhas F(t) = 1 - R(t) Vida Útil: Tempo de operação dentro do qual F(t) é menor que um valor especificado

26 EESC-USP M. Becker Definições Probabilidade Cumulativa de Falhas R(t) 1.0 R(t 0 ) 0.0 t 0 t 1.0 F(t) = 1-R(t) d F(t) 0.0 t 0 t 0 + d t t

27 Definições Função de Densidade de Probabilidade de Falhas Derivada da Probabilidade Cumulativa de falhas f ( t) df( t) dt dr( t) dt f(t) 0.0 t EESC-USP M. Becker

28 Definições Taxa de Falhas Probabilidade de um componente falhar no intervalo [ t, t + dt ] dado que o mesmo componente estava operando no instante t z( t) F( t dt) R( t) F( t) 1 R( t) dr( t) dt f ( t) R( t) EESC-USP M. Becker

29 Definições Taxa de Falhas 1.0 R(t) 0.0 t f(t) 0.0 t z(t) 0.0 EESC-USP M. Becker t

30 Definições MTTF Mean Time to Failure Tempo médio até ocorrência de falha; obtido pela média da vida útil de uma população de N elementos similares (Vida Média) R(t) 1.0 MTTF 0 R( t) dt 0.0 MTTF EESC-USP M. Becker t

31 EESC-USP M. Becker Definições A Curva da Banheira Mortalidade Infantil Desgaste z(t) Operação Normal Log (t)

32 Definições Burn in Operação do sistema por um período equivalente à mortalidade infantil, antes da entrega para uso normal Desgaste z(t) Operação Normal Burn-in Log (t) EESC-USP M. Becker

33 Definições Manutenção Preventiva Substituição de componentes entrando na fase de desgaste, mesmo que não apresentem falhas z(t) Log (t) EESC-USP M. Becker

34 EESC-USP M. Becker Definições Modelos de Funções de Confiabilidade Distribuição Retangular Aplica-se a componentes em que há esgotamento progressivo de um ingrediente essencial (ex.: combustível, emissão iônica, eletrólitos) R( t) 1 0 t R(t) T R( t) f ( t) MTTF t 0 ( T ) T t T T

35 EESC-USP M. Becker Definições Modelos de Funções de Confiabilidade Ex.: Lâmpadas Vida útil: ~1000 hs (incandescente); hs (fluorescente)

36 Definições Modelos de Funções de Confiabilidade Distribuição Exponencial Taxa de Falhas constante; modela falhas aleatórias, independentes do tempo R( t) e t 1.0 f ( t) e t R(t) z( t) 0.0 T t MTTF 1 EESC-USP M. Becker

37 Definições Modelos de Funções de Confiabilidade Distribuição Log-Normal Modelagem de processos físicos de fadiga mecânica (propagação de fissuras, falhas estruturais, etc.); desgastes em geral R( t) t 1 2 exp 1 2 logu 2 2 du f(t) 0.0 t f ( t) 1 t 2 exp 1 2 logt 2 EESC-USP M. Becker

38 Definições Medida de Taxa de Falhas 1 FIT (Failure In Time): 1 falha por dispositivo em 1 bilhão de horas Componente Resistores Capacitores Eletrolíticos Diodos de sinal Circuitos Integrados CMOS LSI Relês Conectores (por pino) (FIT) EESC-USP M. Becker

39 Sistemas com Manutenção (Reparo) 1.0 Reparo R(t) 0.0 Tempo Falhas EESC-USP M. Becker

40 Sistemas com Manutenção Disponibilidade de um Sistema Sujeito a Reparo MTTR ( Mean Time to Repair ) = Tempo médio para reparo MTBF ( Mean Time Between Failures ) = Tempo médio entre falhas (MTBF = MTTF + MTTR) Disponibilidade ( Availability ): D MTTF MTTF MTTR EESC-USP M. Becker

41 Confiabilidade de um Sistema Configuração Série: O sistema opera se todos os blocos (partes) estiverem operando. B 1 B 2 B 3 R 1 R 2 R 3 R S = R 1 R 2 R 3 (se estatisticamente independentes) EESC-USP M. Becker

42 EESC-USP M. Becker Confiabilidade de um Sistema R S ( t) n i 1 R i Lei de Lusser como R ( t) i exp t 0 z i ( u) du temos R S ( t) exp t 0 i n 1 z i ( u) du Se R S ( t) 1, ou seja R S ( t) (1 ), e R ( t) i R j ( t), devemos ter R ( t) i n 1 1 n

43 EESC-USP M. Becker Confiabilidade de um Sistema Sistema Série com Falhas Aleatórias se z i ( t) é constante, z i ( t) i então portanto R S ( t) exp MTTF S n n i 1 1 i t (falhas estatistic amente i 1 i independen tes, sistema série)

44 Confiabilidade de um Sistema Redundância a Nível de Componente Ex.: 2 Diodos em Série Se os diodos falharem em aberto, o sistema é uma configuração série. Se falharem em curto, a configuração é paralela. EESC-USP M. Becker

45 Confiabilidade de um Sistema Configuração em Paralelo: O sistema opera se pelo menos um bloco estiver operando. B 1 R 1 B 2 R 2 R P = 1- (1- R 1 ) (1- R 2 ) (se estatisticamente independentes) EESC-USP M. Becker

46 Confiabilidade de um Sistema Redundância a Nível de Componente 2 Diodos em Paralelo Se os diodos falharem em curto, o sistema é uma configuração série. Se falharem em aberto, a configuração é paralela. EESC-USP M. Becker

47 EESC-USP M. Becker Confiabilidade de um Sistema Redundância a Nível de Componente 4 Diodos em Série / Paralelo

48 Confiabilidade de um Sistema Probabilidade de Falha 4 Diodos D 1 D 2 N N N N N A N C A N A A A C C N C A C C D 3 D 4 N = Normal A = Aberto C = Curto N N A A A C C C A C N A C N A C Falha D 1 D 2 D 3 D 4 EESC-USP M. Becker

49 EESC-USP M. Becker Confiabilidade de um Sistema Probabilidade de Falha 4 Diodos 10 0 P F P C =2x P A P C = P A 10-2 P A =2x P C P 10 0 FD

50 Confiabilidade de um Sistema Redundância a Nível de Componente Considerando a manutenção, a taxa de falhas será 4 vezes maior que a de um diodo. Há vantagem se o componente defeituoso puder ser substituído sem desativar o sistema completo, reduzindo assim o MTTR (modularidade). EESC-USP M. Becker

51 EESC-USP M. Becker Confiabilidade de um Sistema Redundância a Nível de Componente Há a necessidade de monitoração para detectar falhas não catastróficas do conjunto (sensores de corrente e tensão). Circuitos de monitoração acrescentam componentes que podem falhar, criando alarmes falsos.

52 EESC-USP M. Becker Confiabilidade de um Sistema Redundância a Nível de Subsistema Ex.: Transponder de Satélite Ativo Filtro X F.I. F.I. X Filtro LNA Osc Osc P.A. Stand-by Filtro X F.I. F.I. X Filtro LNA Osc Osc P.A.

53 EESC-USP M. Becker 2011 Exemplo A-10 Thunderbolt A estrutura do A-10 é simples, sendo 95% de alumínio Suas redundâncias são fundamentais para aumentar sua confiabilidade e resistência a danos.

54 EESC-USP M. Becker 2011 Exemplo A-10 Thunderbolt

55 Projetar a Confiabilidade Utilizar o menor número possível de componentes Dimensionar os componentes com margem de segurança adequada Distribuir a confiabilidade por todos os componentes (evitar pontos fracos!!) EESC-USP M. Becker

56 Mecanismos de Falhas Reações químicas (contaminação, umidade, corrosão) Difusão de materiais diferentes entre si Eletromigração (densidades de corrente elevadas) Propagação de fissuras (vibração, fadiga mecânica, ciclos térmicos em materiais com coeficientes de dilatação diferentes) Ruptura secundária (afunilamento de corrente devido a coeficiente térmico negativo) Ruptura dielétrica por ionização EESC-USP M. Becker

57 Fatores Multiplicativos M = f T f E f R f T = Fator de Temperatura f E = Fator Ambiental f R = Fator de Dimensionamento Outros fatores (ciclo térmico, radiação, etc.) EESC-USP M. Becker

58 EESC-USP M. Becker Fatores Multiplicativos Fator de Temperatura Modelo de Arrhenius para velocidade de reações químicas f T exp 1 T E = Energia de Ativação (~ 0,7 ev p/ semicondutores) k = Constante de Boltzmann (8, ev/k E k 1 T T 0 = Temperatura de referência (K) T A = Temperatura de operação (K) 0 A

59 EESC-USP M. Becker Fatores Multiplicativos Fator de Temperatura E (ev) 1,0 0,7 0, O C

60 EESC-USP M. Becker Fatores Multiplicativos Energias de Ativação Tipo de Defeito Defeitos no Óxido Defeitos no Substrato (Silício) Eletromigração Contatos Metálicos Carga Superficial Micro-fissuras Contaminação E (ev) 0,3 0,3 0,6 0,9 0,5~1,0 1,3 1,4

61 EESC-USP M. Becker Fatores Multiplicativos Fator Ambiental Tipo de Ambiente Estacionário, ar condicionado Estacionário, normal Equipamento portátil Móvel, automotivo Aviação civil Aviação militar Marítimo f E 0,5 1,0 1,5 2,0 1,5 4,0 2,0

62 Fatores Multiplicativos Fator de Dimensionamento Sobre / sub-dimensionamento Resistores, 10% da potência máxima Resistores, 100% da potência máxima Resistores, 200% da potência máxima Capacitores, 10% da tensão máxima Capacitores, 100% da tensão máxima Capacitores, 200% da tensão máxima Semicondutores, 10% da pot. nominal Semicondutores, 100% da pot. nominal Semicondutores, 200% da pot. nominal f R 1,0 1,5 2,0 1,0 3,0 6,0 1,0 1,5 2,0 EESC-USP M. Becker

63 EESC-USP M. Becker Fatores Multiplicativos Outros Fatores Fator de Maturidade Tecnológica f L = 1.0 (tecnologia estabelecida) = 10 (tecnologia nova) Fator de Qualidade f Q = 0,5 (componente homologado) = 1.0 (componente padrão) = 3 ~ 30 (componente comercial / origem duvidosa)

64 EESC-USP M. Becker Dimensionamento de um Componente Capacidade do componente deve ser maior que o esforço a que é submetido Esforço nominal aplicado Margem de Segurança Resistência nominal do componente utilizado Esforço

65 EESC-USP M. Becker Dimensionamento de um Componente Propriedades dos componentes e das condições de uso possuem dispersão Esforço aplicado Resistência do componente Esforço

66 EESC-USP M. Becker Dimensionamento de um Componente Porque Ocorre uma Falha Esforço aplicado (físico, elétrico, mecânico) excede a resistência do componente Esforço aplicado Resistência do componente Probabilidade de falhas Esforço

67 EESC-USP M. Becker Ciclo Térmico f Ti

68 EESC-USP M. Becker Taxa de Falhas Vs. Temperatura / Tensão Capacitores Eletrolíticos de Tântalo

69 EESC-USP M. Becker Depreciação de Corrente Nominal Corrente de ripple em Capacitores Eletrolíticos

70 Probabilidade de observação de 1 ou mais defeitos EESC-USP M. Becker Análise de Falhas por Amostragem Tamanho da amostra Porcentagem de itens defeituosos

71 EESC-USP M. Becker Testes Acelerados Aumentar artificialmente o esforço (temperatura, voltagem, vibração, etc.) para obter taxas de falha mensuráveis em tempo reduzido Sobrecarga Probabilidade de falhas Esforço

72 Testes Acelerados Métodos de Teste Acelerado Temperatura elevada (ex.: O C) Choque térmico (ex.: 1000 ciclos, 65 O C a 125 O C) Umidade (ex.: 150 O C, 100% R.H., 15 psi, ) Vibração (100 G, 100 Hz) Sobre-alimentação (destrutivo ou não) Sobrecarga EESC-USP M. Becker

73 Testes Acelerados Objetivos Identificar riscos prioritários Detectar mecanismos de falha Determinar soluções para as causas Tomar ações corretivas nos processos produtivos Realimentar para as diretrizes de projeto. EESC-USP M. Becker

74 EESC-USP M. Becker Questão Filosófica A análise de confiabilidade (a posteriori) de uma população de componentes pode ser usada para prever o comportamento futuro (a priori) de componentes similares?

75 EESC-USP M. Becker Benifícios da Análise de Confiabilidade Identificar componentes críticos Identificar margens de projeto inadequadas Comparar alternativas de implementação Reduzir custos evitando excesso de qualidade Verificar viabilidade de atingir um determinado MTTF Determinar tempo ideal para Burn-in Determinar a influência de fatores ambientais no MTTF

76 Riscos da Análise de Confiabilidade Modelos não podem ser extrapolados para níveis elevados de sobrecarga Modelos para novos produtos e processos são imprecisos Fatores multiplicativos podem assumir valores irreais ou indeterminados Mudanças de processos ou insumos podem alterar taxas de falhas dos componentes EESC-USP M. Becker

77 Conclusões Nenhum sistema é 100% seguro! O impossível acontece mesmo [Murphy s Law]! Sistemas críticos devem ser tolerantes a faltas! Confiabilidade deve ser pensada desde o início! Credibilidade é importante e talvez um dia o Murphy esteja errado... EESC-USP M. Becker 2011