Cours : Sûreté de Fonctionnement Chapitre II: Fiabilité , Disponibilité & maintenabilité Master Académique. Automatique – S3 W. BENZAOUI Université Kasdi Merbah-Ouargla 1 Année universitaire : 2014/2015 I. Fiabilité 2 I.1. Défaillance Une défaillance ( failure ) Une défaillance est la cessation du système à accomplir la fonction pour laquelle il a été conçu. Un système est déclaré défaillant lorsque ses grandeurs caractéristiques évoluent en dehors des tolérances définies lors de la conception. 3 Evolution temporelle de l'état d'un système. 4 Types de défaillances Deux types de défaillances sont définis : q La défaillance progressive : elle est due à une évolution dans le temps des caractéristiques d’un système. Une telle défaillance peut être prévue par un examen ou une surveillance. Figure 3 - Défaillance par dérive 5 Exemple: La puissance émise par une diode électroluminescente diminue progressivement au cours du temps et au dessous d'un certain seuil la diode fonctionne encore mais doit être estimée défectueuse. Sous l'effet de rayonnements ionisants, les seuils de conduction des transistors MOS varient au cours du temps jusqu'à induire un mauvais fonctionnement des circuits. Il en est de même pour la dynamique des portes logiques et les transistors bipolaires. 6 q La défaillance soudaine: elle est purement aléatoire. Exemple: le collage d'une sortie logique à « 1 » ou « 0 » par court-circuit. Défaillance soudaine 7 I.2. Fiabilité La fiabilité R ( Reliability) : C’est l'aptitude (la probabilité) d'une entité à accomplir une fonction requise pendant un intervalle de temps donné, dans des conditions données(NORME X60—5OO). L’entité peut être un composant, un système, un réseau ou même un logiciel. 8 La fonction requise, nécessaire pour la fourniture d'un service donné, doit être spécifiée dans un cahier des charges avec les tolérances acceptables. Les conditions d'emploi sont liées a l'environnement climatique, mécanique, chimique ou électrique. C'est le maintien de la qualité dans le temps, sans discontinuité. Le temps est donc la variable principale mais il peut être parfois remplacé par une autre : nombre de cycles d'ouverture/fermeture pour un relai, nombre de tours pour un moteur. 9 On ne peut parler de mesure de fiabilité qu’après avoir acquis une expérience suffisante dans l’exploitation du système ou éventuellement par des essais appropriés. On distingue : a) La fiabilité estimée ou intrinsèque : c’est la fiabilité mesurée au cours d’essais spécifiques effectués dans le cadre d’un programme d’essai entièrement défini b) La fiabilité prévisionnelle : elle est obtenue à partir d’un modèle mathématique connaissant la fiabilité estimée de ces composants (modèles déductifs). Les propriétés du système complet sont déduites d’une connaissance détaillée des propriétés de ses composants. c) La fiabilité opérationnelle : c’est la fiabilité mesurée sur des dispositifs en exploitation normale. Elle dépend des conditions réelles d’utilisation et du support logistique. 10 I.3. Etude de la fiabilité d’un système L’étude de la fiabilité d’un système comprend trois phases importantes : Une phase d’analyse : Débute par un diagramme de fonctionnement qui fait apparaître les différents constituants du système susceptibles de compromettre (exposer, risquer) la fonction du système. Pour chaque composant on détermine les modes de défaillances et on recense toutes les causes. Une phase d’estimation des probabilités d’apparition des défaillances. Une phase de prévision ou d’estimation de la fiabilité du système. 11 Détermination expérimentale de la fiabilité • On soumet à l’essai un échantillon de taille dans les mêmes conditions. • Soit Ns(t) le nombre de survivants à l’instant t et Nf(t) le nombre de défaillants à l’instant t. 12 13 14 I.4. Fiabilité & Probabilité • X (t ) : variable qui représente le fonctionnement d’une entité au cours du temps . • X (t ) = 1 : L’état normal de fonctionnement • X (t ) = 0 : L’état défaillant • L’instant T d’occurrence d’une défaillance n’est jamais prévisible et correspond à un événement aléatoire. 15 L’observation du temps d’apparition de la défaillance correspond à une réalisation particulière d’une variable aléatoire dont il conviendra de connaître les caractéristiques en termes de probabilités Représentation de l’état de fonctionnement d’une entité 16 Fonction de densité f(t) • Soit f(t) fonction de densité de la variable t. Cette fonction peut être obtenue à partir de données de durées de vie du système observées depuis le début de son exploitation. 17 Fonction de distribution F(t) 18 Fonction de distribution R(t) 19 La fiabilité se mesure par la probabilité d’une entité E à accomplir une fonction requise dans des conditions données, pendant l’intervalle de temps [0, t] R (t ) = P (E non défaillante sur la durée [0, t], en supposant qu’elle n’est pas défaillante à l’instant t = 0). Ce qui peut s’exprimer par: 20 L’aptitude contraire est appelée défiabilité, et est définie par : 21 Fonctions de distribution F(t) et de fiabilité R(t). 22 Taux de défaillance (t )dt représente la probabilité d’avoir une défaillance entre (t, t + dt ), sachant qu’il n’y a pas eu défaillance entre sur [0, t ]. Il représente l’intensité de défaillance en fonction du temps. C’est la probabilité conditionnelle, divisée par dt, de tomber en panne entre t et t + dt sachant qu’au temps t l’entité n’est pas défaillante. En appliquant le théorème des probabilités conditionnelles, il vient, si dt est petit : 23 Relations entre R (t ), F (t ), f (t ) et (t ) 24 Relations entre R (t ), F (t ), f (t ) et (t ) 25 • Si l(t)= l =constant , alors : Si le taux de défaillance est contant, la fiabilité suit une loi exponentielle 26 I.5.Typologie du taux de panne • Un équipement possède 3 périodes de vie : • Jeunesse (mortalité infantile, défaillance précoce) : en état de fonctionnement à l’origine (mise en service), période de rodage (pré usure), présélection des composants électroniques (déverminage). • Maturité (période vie utile, de défaillances aléatoires) : période de rendement optimal du matériel, taux de défaillance constant. • Les défaillances apparaissent sans dégradations préalables visibles, par des causes diverses, suivant un processus 27 suivant une loi de Poisson (défaillances aléatoires). • Vieillesse. Un mode défaillance prédominant, généralement visible, entraîne une dégradation accélérée, à taux de défaillance croissant • Souvent on trouve une usure mécanique, de la fatigue, ou une corrosion. A un certain seuil de (t ), le matériel est « mort ». Il est alors déclassé, puis rebuté ou parfois reconstruit. • La détermination de T (seuil de réforme), est obtenue à partir de critères technico-économiques. 28 • L’évolution de la durée de vie d’un équipement peut être tracée selon une courbe appelée courbe en baignoire. Selon que l’équipement, soit de type électronique ou mécanique, les allures du taux de défaillance sont différentes. Allure général du taux de panne d'un système. 29 I.6. MTTF (Mean Time to Failure) • Moyenne des temps de bon fonctionnement entre deux défaillances d’un système réparable ou le temps moyen entre défaillances • Le MTTF d’une entité est bien son espérance E E= Somme des temps de bon fonctionnement entre les n défaillances MTTF= Nombre des temps de bon fonctionnement 30 MTTF MTTF MTTF 31 Remarque • Dans quelques références on note : • MTBF (Mean Time Before Failure ) qui correspond ici au MTTF • A ne pas confondre avec le MTBF (Mean time between failures) 32 • Exemple : • Un compresseur industriel a fonctionné pendant 8000 heures en service continu avec 5 pannes dont les durées respectives sont : 7 ; 22 ; 8.5 ; 3.5 et 9 heures. • Déterminer son taux de défaillance 33 I.7.Explication de la variance • Lorsqu'on a des données statistiques, l'espérance correspond à la moyenne de ces données. • Supposons par exemple qu'on dispose d'un lot de 20 ampoules d'un même modèle, et que l'on souhaite connaître la durée moyenne de vie d'une ampoule. • On appellera aussi ceci l'espérance de vie d'une ampoule. 34 35 I.8. Fiabilité d’un système Système = ensemble de composants • système série: la défaillance d’un seul composant entraîne la défaillance du système • système parallèle: il faut que tous les composants soient défaillants pour que le système soit défaillant 36 • système mixte: constitué de sous-ensembles série, en parallèle • système complexe: ≠ série, ≠ parallèle, ≠ mixte 37 Système sérié : 38 Système parallèle: 39 40 Exercices : Exercice 1 Un dispositif se compose de 4 composants connectés en // dont les fiabilités sont respectivement de 0,98 ; 0,97 ; 0,95 et 0,99. Déterminer la fiabilité de l’ensemble 41 Exercice 2 Le dispositif donné dessous a les fiabilités élémentaires suivantes pour 1000 heures : Ra=0,87 ; Rb=0,85 ; Rc=Rd=0,89 ;Re=0,94 ; Rf=0,96 ; Rg=0,97 Calculer la fiabilité et le taux de défaillance de l’ensemble. 42 Exercice 3 43 Exercice 4 Une entreprise est spécialisée dans la réparation de matériel audiovisuel dont certains composants sont très fragiles. Elle souhaite proposer à ses clients une période de garantie, après réparation d’un composant défaillant. Une étude a été menée portant sur la fiabilité des composants après ce type de réparation. Cette étude montre que la moyenne des durées de bon fonctionnement d’un composant après réparation est de 500 jours. On admet que la durée de bon fonctionnement X des appareils après réparation, exprimée en jour, est une variable aléatoire qui suit une loi exponentielle. 44 1. Montrer que le paramètre de cette loi est λ = 0,002 . 2. Calculer la probabilité pour qu'un appareil n'ait pas de défaillance au cours de l'année qui suit la réparation. (On considèrera qu'une année compte 365 jours.) 3. Calculer la probabilité pour qu'un appareil tombe en panne au cours des deux années suivant la réparation. 4. L'entreprise décide de limiter à 6 % des appareils réparés la possibilité de retour sous garantie. Quelle période de garantie doit-elle alors proposer après une réparation ? . 45 Quelques lois de probabilité 1. Loi exponentielle (loi à un seul paramètre): une variable aléatoire T suit une loi exponentielle de paramètre l si sa densité de probabilité f(t) est donnée par f (t ) = le - lt d ’où F ( t ) = 1 - e - lt R ( t ) = 1 - F ( t ) = e -lt 46 47 48 49 50 51 52 53 54 II. Disponibilité 55 II. 1. Disponibilité • La norme NF EN 13306 définit la disponibilité comme « L’aptitude d’une entité à être en état d’accomplir une fonction requise dans des conditions données, à un instant donné ou pendant un intervalle de temps donné, en supposant que la fourniture des moyens extérieurs nécessaires de maintenance soit assurée » 56 La probabilité associée A (t ) à l’instant t est aussi appelée disponibilité et s’exprime par : L’aptitude contraire est appelée indisponibilité et est définie par : 57 Disponibilité en fonction du temps t 58 Les grandeurs moyennes associées à la disponibilité les plus courantes : MUT mean up time : Durée moyenne de fonctionnement après la réparation et la défaillance suivante MDT mean down time : durée moyenne entre une défaillance et la remise en état suivante 59 Remarque • MDT Ce temps inclut : les temps techniques de détection, localisation et réparation de la panne, mais aussi les délais administratifs de gestion et de transport. • Le MDT est donc supérieur au MTTR, mais en général faible devant le MUT, c’est pourquoi la différence entre MTTF et MTBF n’est pas très significative. 60 MTBF la durée moyenne entre défaillance (mean time between failure) Durée moyenne entre deux défaillances consécutives de l’entité 61 Disponibilité asymptotique La disponibilité asymptotique se déduit comme suit: Pour les industries disposant d’équipes performantes de maintenance, la valeur de A est supérieure à 80 %. 62 63 III. Maintenabilité 64 Maintenabilité Suivant la norme CEN 13306, elle se définit par : « Dans des conditions données d’utilisation, la maintenabilité est l’aptitude d’un bien à être maintenu ou rétabli dans un état où il peut accomplir une fonction requise, lorsque la maintenance est accomplie dans des conditions données, en utilisant des procédures et des moyens prescrits » 65 On note que la norme américaine MIL-STD-721C : « La maintenabilité est la mesure de l’aptitude d’un dispositif (« item ») à être maintenu ou remis dans des conditions spécifiées lorsque la maintenance de celui-ci est réalisée par des agents ayant les niveaux spécifiés de compétence, utilisant les procédures et les ressources prescrites, a` tous les niveaux prescrits de maintenance et de réparation ». 66 La maintenabilité d’une entité réparable est caractérisée par une probabilité M (t ) que la maintenance d’une entité E accomplie dans des conditions données, avec des procédures et des moyens prescrits, soit achevée au temps t, sachant que E est défaillante au temps t = 0 : 67 défaillance Allure de la courbe de maintenabilité 68 68 Chronologie des temps des activités de maintenance 69 Taux de réparation On appelle taux de réparation (t ) d’un système réparable au temps t la probabilité que l’entité soit réparée entre t et t+dt sachant qu’elle n’était pas réparée sur l’intervalle[0, t ]. (t ) = P (entité réparée sur [t, t + dt ] sachant qu’elle n’était pas réparée sur [0, t ]). 70 Taux de réparation En prenant un raisonnement similaire à celui utilisé pour le calcul de l’intensité de défaillance (t ) et à l’aide du théorème des probabilités conditionnelles, on déduit, après des calculs simples : Pour obtenir un taux de réparation constant, il suffit de remplacer instantanément toute entité réparée par une nouvelle entité défaillante 71 MTTR (mean time to repair) Le terme MTTR est la durée moyenne jusqu’à la réparation d’une entité réparable. Pour cette variable aléatoire, le MTTR se calcule par la formule : Comme il y a en général plusieurs modes de défaillances, il faut définir plusieurs MTTR d’une entité : a` chaque mode de défaillance correspond un MTTR spécifique. 72 73 Indicateurs opérationnels 74 75 76 77