Приложение К (обязательное). Процедура получения данных по применению электромеханических контакторов в назначениях функциональной безопасности

Приложение К
(обязательное)

Процедура получения данных по применению электромеханических контакторов в назначениях функциональной безопасности

К.1 Общие положения

К.1.1 Обзор

Данная информация не является обязательной и применяется по усмотрению изготовителя.

К.1.2 Область применения и цель

Настоящее приложение рассматривает процедуру получения специфической информации, характеризующей работоспособность механических устройств в назначениях функциональной безопасности в режиме с высокой частотой запросов или в режиме непрерывной работы согласно IEC 61508.

Данный метод не применим к электронным компонентам.

Примечание 1 - В качестве руководства при расчете достоверности частоты отказов немеханических устройств см. IEC 61508-6. Например, частоту отказов электронных частей можно оценивать по данным, приведенным в IEC/TR 62380.

Примечание 2 - Применение данных по достоверности согласно настоящему приложению необязательно при работе в режиме с низкой частотой запросов. Такой режим работы - на рассмотрении.

Такая информация требуется согласно стандартам на функциональную безопасность, в том числе серии IEC 61508, IEC 62061, ISO 13849-1.

В стандарте на изделие конкретного вида должны быть определены функции и виды отказов.

К.1.3 Общие требования

Процедура получения специфических данных для назначений функциональной безопасности приводится ниже.

Процедура основана на статистическом анализе результатов испытаний для систематизации данных по надежности.

Требования, содержащиеся в данном приложении, могут быть далее разработаны в стандарте на изделие конкретного вида в части конкретных испытаний, видов отказа и его частоты.

Уровень достоверности при расчете частоты отказов на протяжении срока эксплуатации устройства составляет приблизительно 60 %.

Примечание - Выбранные параметры, связанные с данными по надежности, согласуются с данными по другим изделиям, также применяемым в функциональной безопасности.

Статистические данные, полученные в соответствии с настоящим приложением, действительны только на протяжении срока службы устройства.

В данном приложении для сохранения статистической последовательности термин "наработка" относят к числу циклов оперирования.

Данное приложение не рассматривает замену частей аппаратов при испытании и применении.

К.2 Термины, определения и символы

К.2.1 Термины и определения

К.2.1.1

надежность (работоспособность) [reliability (performance)]: Способность объекта выполнять требуемую функцию в заданных условиях в течение заданного периода времени. [IEC 60050-191]

К.2.1.2 ресурс (useful life): В заданных условиях интервал времени, начинающийся в данный момент и заканчивающийся тогда, когда частота отказов становится неприемлемой.

Примечание - Ресурс может выражаться числом оперирований.

К.2.1.3

период постоянной частоты отказов (constant failure rate period): Период, при его наличии, в ресурсе не подвергавшегося восстановлению устройства, в течение которого частота отказов является фактически постоянной. [IEC 60050-191]

К.2.1.4 общий срок службы (overall lifetime): Срок службы устройства, который не должен быть превышен с целью достижения расчетной частоты отказов за счет случайных отказов аппаратуры.

Примечание 1 - Общий срок службы включает также периоды неиспользования, например хранения. Общий срок службы исчисляется количеством лет.

Примечание 2 - Он обозначается T₁ по IEC 62061 и Т_М по ISO 13849-1.

К.2.1.5 цензурирование (censoring): Прекращение испытаний либо после определенного числа отказов, либо по истечении определенного времени, но с сохранением объектом способности выполнять требуемые функции.

К.2.1.6 приостановка (suspension): Ситуация, в которой объект снят с испытания не в результате отказа вообще либо отказа в рассматриваемом смысле, а в результате отказа по какой-то другой причине.

К.2.1.7 коммутация без тока (no-make-break-current utilization): Условия, в которых коммутационное устройство выполняет действия включения - отключения в обесточенном состоянии.

К.2.1.8 наработка до отказа (time to failure): Время работы объекта, прошедшее от начала эксплуатации или от восстановления им работоспособного состояния до отказа.

Примечание - Наработка до отказа может выражаться числом оперирования.

К.2.2 Символы

n - число испытанных образцов;

u - число отказов;

t - число циклов оперирования;

- ресурсная характеристика Вейбулла или масштабный параметр;

- параметр формы (распределения) Вейбулла;

с - число оперирования в час;

- оцениваемая частота отказов (верхний предел) при уровне вероятности 60 % на операцию;

- частота отказов в час;

- частота опасных отказов в час;

r² - коэффициент смешанной корреляции.

К.3 Метод, основанный на результатах испытаний на износ

К.3.1 Общий метод

Применительно к случайным отказам аппаратуры метод основан на результатах длительного мониторинга устройств, подвергшихся испытаниям на износ.

К.3.2 Требования к испытанию

Испытательная окружающая среда должна соответствовать разделу 6 и соответствующим требованиям стандарта на аппарат конкретного вида.

Механическую износостойкость определяют по 7.2.4.3.1. Механическую износостойкость определяют при коммутации без тока.

Коммутационную износостойкость определяют по 7.2.4.3.2 в соответствии с категорией применения, установленной стандартом на аппарат конкретного вида или установленной изготовителем.

К.3.3 Число образцов

Число образцов для испытаний выбирают по инженерному расчету согласно IEC 61649 и IEC 60300-3-5.

Примечание - При определении числа образцов следует учитывать статистический метод (см. раздел 4 IEC 61649:2008) и уровень достоверности полученных данных по надежности.

К.3.4 Характеристика видов отказов

Если иное не установлено в стандарте на аппарат конкретного вида или изготовителем, то возникновение одного или более видов отказов по таблице К.1 ведет к заключению по поводу результата испытаний для образца. Эти данные записывают.

Примечание - По указанному изготовителем числу циклов оперирования можно также сделать заключение об испытании (цензурирование или приостановка испытания). Тем не менее должно быть записано достаточное число отказов для возможности проведения статистического анализа.

Таблица К.1 - Виды отказов аппаратов

Виды отказов	Характеристики коммутационного контакта
Отказ на размыкание	После нормальной операции размыкания в одном или нескольких полюсах остается ток
Отказ на замыкание	После нормальной операции замыкания в одном или нескольких полюсах ток отсутствует
Отказ изоляции	В результате пробоя изоляции между двумя полюсами или между полюсом и смежными токоведущими частями происходит потеря функции безопасности

К.3.5 Модель Вейбулла

К.3.5.1 Оценка данных

Для получения ресурсной характеристики Вейбулла или масштабного параметра используют параметр формы Вейбулла и частоту отказов, подтвержденную статистическим анализом на основе программного продукта или электронных таблиц. Далее следует описание необходимых этапов.

К.3.5.2 Метод моделирования

Данные по надежности получены посредством моделирования данных по результатам испытаний согласно распределению Вейбулла по IEC 61649.

Если число отказов равно или меньше 20, применяют метод радианной ранговой регрессии среднего порядка (МРР). Если число отказов больше 10, применяют метод максимального правдоподобия (ММП) для получения точечной оценки параметров распределения и после проверки критерия (согласия) Колмогорова - Смирнова (Н) с распределением Фишера () при  = 60 % по неравенству (К.1):

,

(К.1)

где обозначает наибольшее целое число, меньше или равное х.

Примечание 1 - В IEC 61649 приведены и х, описание и примеры расчета.

Примечание 2 - Если число отказов составляет от 10 до 20, рекомендуется оценивать по МРР и ММП. Выбирают худший результат.

Если испытание окончено в заданное время T до отказа всех объектов, тогда считают, что данные цензурированы по времени. Если испытуемый объект не получил отказа рассматриваемых видов, тогда это означает приостановку. Нормально приостановки включены во все анализы путем регулирования порядка расположения. Метод для оценки параметров распределения Вейбулла в данном приложение упрощен изъятием приостановок. Более полное рассмотрение цензурирования и приостановки приведено в IEC 60300-3-5 и связанных с этим расчетов - в IEC 61649.

Примечание - IEC 61649 приводит руководство для оценки по электронным таблицам.

К.3.5.3 Медианная ранговая регрессия

Медианная ранговая регрессия (МРР) является предпочтительным методом оценки параметров распределения с использованием метода линейной регрессии с двумя переменными: медианным рангом и циклом оперирования.

Если таблица медианных рангов и способа расчета медианных рангов бета-распределением не подходит, тогда может быть использована аппроксимация Бернарда, уравнение (К.2):

,

(К.2)

где N - число образцов;

i - ранговая позиция данных рассматриваемого объекта.

Примечание 1 - Данное уравнение чаще всего используют для N  30; для N > 30 коррекцией накопленной частоты можно пренебречь: .

Малое число образцов усложняет калибровку критерия согласия. Для проверки распределения Вейбулла чаще всего используют коэффициент смешанной корреляции. Его можно вычислить по уравнению (К.3):

,

(К.3)

где (х_i) и (у_i), i = [1...n] - медианные ранги и время отказа соответственно;

r² - пропорция изменения данных, которое можно объяснить гипотезой Вейбулла. Ближе к 1 обеспечивает лучшее соответствие согласно распределению Вейбулла, ближе к 0 - плохое соответствие.

Порядок набора данных для построения графика следующий:

a) во-первых, расположить время в цикле оперирования от раннего к позднему;

b) использовать аппроксимацию Бернарда для расчета медианных рангов;

c) отложить время отказов по оси х и медианные ранги F_i по оси y в масштабе 1 х 1 на бумаге для распределения Вейбулла или на бумаге с логарифмическим масштабом по обеим осям для дифференцирования х_In и y_In;

d) вычислить по функции линейной регрессии для получения кривой

;

(К.4)

e) вычислить

;

(К.5)

f) построить на графике кривую регрессии для проверки соответствия.

Примечание 2 - Нормально для электромеханического устройства больше или равно 1.

К.3.6 Ресурс и верхний предел частоты отказов

К.3.6.1 Численный метод

Предполагая постоянную частоту отказов, ресурс определяют как нижний предел достоверности числа циклов, в котором 10 % числа аппаратов имеют отказ (В_{10|нижний предел}).

Для 20 и меньше точек данных с временем цензурирования и без него должны применяться параметры и распределения Вейбулла, полученные методом медианной ранговой регрессии (МРР) (см. К.3.5.3).

К.3.6.2 Точечная оценка квантиля (10 %) наработки до отказа

Вычислить В₁₀, используя уравнение (К.6), точечную оценку В₁₀, время получения отказов 10 % числа аппаратов:

.

(К.6)

К.3.6.3 Ресурс

Вычислить нижний уровень достоверности В₁₀, используя уравнения (К.7-К.9):

;

(К.7)

,

(К.8)

где х = u_y - y - квантиль нормального распределения, если иное не установлено изготовителем, тогда должно использоваться 60 % нижнего уровня достоверности (отсюда y = 0,4 и u_y = 0,253 3).

А₄, А₅ и А₆ вычисляют, используя соотношение q = r/n:

;

;

.

;

(К.9)

.

(К.10)

Данное значение В_{10|нижний предел} считают ресурсом.

К.3.6.4 Верхний предел частоты отказов

Верхний предел частоты отказов на операцию представлен следующим уравнением (К.11):

.

(К.11)

К.3.7 Данные по надежности

Окончательные данные по надежности из предыдущих уравнений:

- частота отказов на операцию: ;

- значение ресурса = В_{10|нижний предел}.

Для данного назначения, если число оперирований в час с меньше максимальной частоты коммутаций, частота отказов , выраженная "в час", равна частоте отказов , выраженной "за операцию", умноженной на число операций за час с:

.

(К.12)

Значение для F (соотношения между опасными отказами и всеми отказами) для каждого вида отказов по таблице К.2 определяет стандарт на аппарат конкретного вида. Если это удобно, его можно использовать для оценки частоты опасных отказов.

Если это невозможно в силу характеристик конструкции, изготовитель может определить значение для F путем анализа и оценки статистических данных по видам отказов, полученным в ходе испытаний. В таком случае минимальное допустимое значение для F составляет 20 %.

В том случае, если в стандарте на аппарат конкретного вида не содержится таких данных и такими методами определить значение для F не представляется возможным, тогда значение отказов устанавливают 50 %.

.

(К.13)

Примечание - Значения В₁₀ можно использовать для получения значений B_10D:

.

К.4 Представляемые данные

Перечень данных по надежности изделия должен включать следующие характеристики:

- частоту отказов на операцию (см. К.3.6);

- ресурс (см. К.3.6);

- уровень достоверности, если отличается от 60 %;

- коммутацию без тока или категорию применения;

- максимальную частоту коммутации;

- максимальное рабочее напряжение, если не U_e;

- максимальный рабочий ток для заданной категории применения, если отличается от I_е;

- общий срок службы, равный 20 лет, если иное не установлено изготовителем;

Примечание - Общий срок службы в 20 лет обычно используют в качестве статистического эталона для анализа на надежность.

- условия окружающей среды, если отличаются от нормальных.

Примеры приведены в К.5.1-К.5.3.

К.5 Пример

К.5.1 Результаты испытаний

Всего 15 аппаратов (n = 15) были испытаны одновременно до получения отказа. 15 раз до отказа (r = 15) расположены в порядке i в таблице К.2.

Таблица К.2 - Пример 15 сортированных по возрастанию наработок до отказа контакторов

i	Циклы ti
1	1 000 000
2	1 250 000
3	1 400 000
4	1 550 000
5	1 650 000
6	1 750 000
7	1 850 000
8	1 950 000
9	2 050 000
10	2 150 000
11	2 280 000
12	2 420 000
13	2 500 000
14	2 700 000
15	2 800 000

К.5.2 Распределение Вейбулла и медианная ранговая регрессия

Расчет медианных рангов дает следующие результаты:

Таблица К.3 - Расчет медианных рангов

i	Циклы ti	Медианные ранги, %
1	1 000 000	4,5
2	1 250 000	11,0
3	1 400 000	17,0
4	1 550 000	24,0
5	1 650 000	30,5
6	1 750 000	37,0
7	1 850 000	43,5
8	1 950 000	50,0
9	2 050 000	56,5
10	2 150 000	63,0
11	2 280 000	69,5
12	2 420 000	76,0
13	2 500 000	82,5
14	2 700 000	89,0
15	2 800 000	95,5

Коэффициент смешанной корреляции r² = 0,998, данное значение, приближенное к 1, указывает критерий согласия для распределения Вейбулла.

Линейная регрессия с двумя натуральными логарифмическими шкалами дает:

.

Из этого уравнения могут быть выведены параметры распределения:

.

Подобранный результат, полученный методом МРР, дает достоверность согласованного распределения Вейбулла (см. рисунок К.1).

К.5.3 Ресурс и частота отказов

Для вычисления нижнего уровня достоверности числа циклов, в которых 10 % аппаратов получили отказ, данный пример соответствует К.3.5.

Точечная оценка В₁₀ = 1 212 879.

Коэффициент Q₁ = 0,960 1 и В_{10|нижний предел} = 1 164 541.

Окончательно верхний предел частоты отказов .

Результат этого численного метода проиллюстрирован на рисунке К.1.

Рисунок К.1 - График медианной ранговой регрессии