Antriebstechnik

Zuverlässigkeit beeinflusst die Betriebskosten

Zu Gütemerkmalen von Erzeugnissen, Anlagen, Komponenten und Bauelementen gehören neben Funktionalität, Preis und Qualität auch die Betriebsbedingungen, EMV und das Ausfallverhalten. Hinter dieser Wahrscheinlichkeitsgröße „Zuverlässigkeit R“ (reliability) verbirgt sich die Fähigkeit einer Betrachtungseinheit, bestimmte Aufgaben bei Einhaltung vorgeschriebener Einsatz- und Umgebungsbedingungen während eines definierten Intervalls fehlerfrei zu erfüllen und lediglich zu einem statistisch festlegbaren Zeitpunkt auszufallen. Die entsprechenden Vorgaben für Entwicklung und Projektierung auf der Grundlage nationaler und internationaler Vorschriften sind in der Fertigung zu realisieren sowie durch Installation, Inbetriebsetzung und Dauerbetrieb zu halten. Nur die langfristige Übereinstimmung der Prognose mit der Wirklichkeit sichert die Wirtschaftlichkeit sowie die projektierte Lebensdauer der Erzeugnisse. Folgeschäden an Personen, Material und Anlagen bleiben minimal.

Ausfallverhalten

Grundstrukturen der Redundanz/Fehlertoleranz: statische Struktur (FE – baugleiche Funktionseinheit, V – Vergleicher)

Ausfälle von Hardware oder Software erzeugen Fehler, die meist „nur“ zu wirtschaftlichen Schäden (Produktionsstillstand, Fehlersuche, Reparatur) führen. Handelt es sich allerdings um ein Sicherheitssystem, können sogenannte gefährliche Defekte Personenschäden zur Folge haben. Sie sind unbedingt zu vermeiden.

Das Ausfallverhalten beschreibt die Ausfallrate λ. Als statistische Größe drückt sie die bedingte Wahrscheinlichkeit aus, dass ein Element in dem Intervall (t... t + ∆t) ausfällt, aber im Bereich 0...t kein Defekt auftrat. Die Zeitfunktion umfasst drei Bereiche:

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a) Frühausfallphase: Folge von Materialmängeln und Fertigungsfehlern (ist vom Hersteller zu eliminieren)

b) Nutzungsphase: λminimal = const.; geprägt von statistisch verteilten, regellosen Zufallsausfällen

c) Spätausfallphase: Folge von Ermüdung oder/und Verschleiß (oft bedeutungslos).

Der Betrag λ, der streng allein experimentell zu ermitteln ist, erreicht für die Grundbauelemente sehr kleine Werte. Da aber zuverlässigkeitstechnisch alle Bestandteile in Reihe geschaltet sind, addieren sich die Teilraten.

λ1 + λ2 + λ2 + λ2 + λ2 + .... = λSumme

Schnell ergibt sich trotz der geringen Einzelbeträge eine große, häufig unzulässige Ausfallrate für das Endprodukt, so dass Verbesserungsmaßnahmen zwingend werden, um die Erwartung des Betreibers zu erfüllen (zum Beispiel Umrichterantriebe MTBF = 1/λ > 50.000...100.000 Stunden). Den Zusammenhang mit der Überlebenswahrscheinlichkeit R (Zuverlässigkeit) in der Nutzungsphase beschreibt R(t) = e -λt. Darüber hinaus können unzulässige Umgebungsbedingungen, erhöhte Störempfindlichkeit (EMV), Überlastung, Überspannungen irreguläre Betriebszustände verursachen.

Zuverlässigkeits- analyse

Die Analyse erfolgt für den Bereich einer konstanten Ausfallrate. Mit der Größe SFF (Safe Failure Fraction) wird der Anteil sicherheitsrelevanter, gefährlicher Fehler bestimmt. Alle Kennwerte werden rechnerisch ermittelt. Ihrer experimentellen Bestätigung dienen Langzeittests unter Feldbedingungen mit großen Stückzahlen. Falls sich ein derartiger Aufwand wirtschaftlich nicht trägt oder technisch unmöglich ist (Stückzahlen), liefert die systematische Datenrückmeldung zum Betriebs- und Ausfallzustand Betriebszuverlässigkeits-Kennwerte. Nachweise für den erreichten Stand sind zusammen mit den realisierten Maßnahmen dem Kunden/Betreiber vorzulegen.

Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit

Um das prognostizierte Zuverlässigkeitsniveau zu erhalten, gewährleistet der Lieferant zusätzlich zur Auswertung der Datenrückmeldung einen geeigneten Service zum Beherrschen/Beseitigen der Ausfälle und ihrer Ursachen. In Rahmen seiner Mitwirkungspflicht liefert der Kunde nicht nur verlangte Daten. Gleichzeitig hat er zu beachten, dass die Leistungsgrenzwerte eingehalten, die zugelassenen Einsatzbedingungen (Netzspannung, Umgebungs- und Betriebstemperatur, Klima, Aufstellungshöhe, mechanische Beanspruchung) überwacht und nicht überschritten sowie die Belastungsbedingungen regelmäßig kontrolliert werden. Diese Ziele sind durch periodische Wartung in Verbindung mit vorbeugender Instandhaltung anhand eines spezifischen Zeitplanes zu erreichen. Sollten die Kennwerte in sensiblen Technologien (Kerntechnik, Verkehr, Medizin, Handhabungstechnik), aber auch bei prozessnahen Substationen nicht genügen, bietet die Redundanz einen Ausweg.

Wartung und Instandhaltung

Das effiziente Ausführen beider Aufgaben maximiert die Verfügbarkeit und minimiert die Verlustkosten. Lüftung, Filter, Kühlung, Heizung fallen ebenso darunter wie Wärmenester aus höhere Ströme tragenden Schraubverbindungen. Sollten außerdem Platzreserven ausgenutzt werden, führt darüber hinaus eine veränderte technologische Situation zur höheren Beanspruchung bestimmter Anlagenteile, ist die Wärmebilanz zu überprüfen. Auch das Auswechseln überlasteter Komponenten darf man im Interesse der Zuverlässigkeit nicht ausschließen. Die sich einstellende Erhöhung der Betriebstemperatur zieht nämlich das Sinken der Zuverlässigkeit nach sich. Entsprechend der empirischen Regel von Montsinger reduziert sich die Lebensdauer insbesondere elektronischer Bauteile um etwa 50 Prozent, sofern ihre Betriebstemperatur um acht bis zehn Kelvin steigt. Präventive Instandhaltung (Maintainance & Condition Monitoring) verspricht vor allem dann Erfolg, sofern eine On-line-Überwachung vorgegebene Warnschwellen (wie Betriebsstunden, Schaltspiele, Verluste, Drehzahlen, Lagerverschleiß, Temperaturen) kontrolliert, um bei Erreichen die vorbeugende Instandhaltung für einen geeigneten Zeitpunkt auszulösen, es also gar nicht erst zu einem Defekt kommen zu lassen.

Fehlertolerante Systeme

Mit zunehmender Komplexität nimmt die Fehleranfälligkeit zu. Um trotzdem die wachsenden Ansprüche zu erfüllen, sind Hardware und Software, ganze Funktionseinheiten redundant auszuführen. Zuverlässigkeitstechnisch entspricht das einer Parallelschaltung von Strukturen. Als Konsequenz toleriert das Gesamtsystem einen oder mehrere Ausfälle, unbeeinflusst kann es weiterarbeiten. Neben der aufwendigeren statischen Redundanz steht die dynamische Lösung. Statisch wirkt die „2-aus-3“-Schaltung. Der Vergleich eliminiert das abweichende Ausgangssignal einer Funktionseinheit. In der dynamischen Struktur läuft die zweite Einheit synchron mit, um im Fehlerfall unverzögert den bisher aktiven Anordnungsteil zu ersetzen. Joachim Krause

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