Luotettavuus

Kunnossapidossa laitteen luotettavuutta voidaan arvioida yksittäisen komponentin luotettavuuden avulla:

Komponentti on viallinen, jos jokin sille määritellyistä vakioista on rajojensa ulkopuolella (ylä- tai alapuolella) sille määritellyissä toimintaoloissa.

Esimerkiksi 5,6 kohmin vastus (+/– 5 %) on mitattaessa 6 kohm. Tämä on osittainen vika, koska suorituskykyä ei ole menetetty täydellisesti. Jos vastus on ääretön, on kyse täydellisestä viasta. Osittainen vika on tärkeä vain, jos komponentti on kriittisessä paikassa. Täydellinen vika tarkoittaa sitä, että komponentti lakkaa kokonaan toimimasta, esimerkiksi vastus on poikki tai diodi on oikosulussa.

Komponentti	Vikatyyppi
Vastus	Suuri vastuksen arvo, piiri poikki/auki
Säätövastus	Piiri auki, huono kontakti, mekaaninen kuluminen
Kondensaattori	Piiri auki tai oikosulku
Induktanssikela	Piiri auki, oikosulku kelan johtimien välillä tai kelan kuoren ja johtimen välillä
Puolijohteet	Piiri auki tai oikosulussa
Venttiili	Ei aukea, ei sulkeudu tai jää väliasentoon
Moottori	Ei pyöri, pyörii liian hitaasti tai nopeasti
Lamppu	Ei pala tai palaa himmeästi

Vikaantumisen syitä:

a) Vanheneminen

• toiminnallinen rasitus
  • toiminnalliseen rasitukseen voidaan vaikuttaa hyvällä suunnittelulla
• ympäristön rasitusta aiheuttaa
  • lämpötila T
  • kosteus Rh
  • iskut
  • värähtely, tärinä
  • paine p, paine–ero
  • kemikaalit

Vikaesimerkki:

Tyypillinen ympäristöolojen aiheuttama vaurio syntyy, kun kuumeneminen ensin haurastuttaa materiaalia ja laitteistoon kohdistunut isku vaurioittaa komponenttia lopullisesti. Satunnainen vika aiheutuu usein tällaisesta tilanteesta. Satunnaisen vian löytäminen on vaikeaa, koska laitteisto ei aina saavuta maksimilämpötilaansa ja toimii normaalisti silloin, kun sen lämpötila on normaali. Komponenttia kannattaa tällöin kuumentaa kuumennuslaitteella, jolloin saadaan esille komponentin vika ja komponentin arvoja voidaan mitata.

b) Ylivirta tai –jännite:

• piirin sisäisistä virroista ja jännitteistä aiheutuvat jännite- ja virtapiikit
• staattisen sähkön aiheuttamat jännite- ja virtapiikit
• ylikuormitus
• indusoituminen

Vikaesimerkki:

• Ukkonen vaurioittaa piirin komponenttia tai useita komponentteja.
• Asentaessaan automaatiolaitteen logiikkayksikön korttia asentaja käyttää villaisia vaateitta ja vaurioittaa herkkää piiriä, kun villavaatteen keräämä staattinen sähkö purkautuu asentajan käsien kautta piirilevylle.
• Sähköverkossa oleva taajuusmuuttaja indusoi välittömässä läheisyydessä olevaan instrumenttiin ylijännitteen, ja instrumentti näyttää ajoittain väärin tai vaurioituu.
• Induktiivinen lähestymiskytkin on asennettu paikkaan, jossa ulkopuolelta tuleva sähköinen magneettikenttä häiritsee laitteen normaalia toimintaa.
• Instrumentin tai mittalaitteen jännitemuuntajan tasasuuntausosa on vioittunut, ja muuntajapiiri syöttää liian suuren vaihtovirran instrumentin komponenteille polttaen komponentit tai osia niistä.

Tehtävä: Mieti edellä olevien esimerkkien korjaustapoja. Kuinka vikaantumisen aiheuttamat syyt voidaan poistaa?

Luotettavuuden suunnittelu ja parantaminen

Jotta laitteistojen luotettavuutta ja käytettävyyttä voidaan parantaa, on tiedettävä laitteiston osien tai komponenttien luotettavuudet. Kun komponenttien tai sen osien luotettavuus on tiedossa, parantavat toimenpiteet voidaan kohdentaa epäluotettaviin komponentteihin. Luotettavuutta voidaan parantaa järjestämällä redundanttisuus eli kahdentaminen. Kahdentaminen voidaan tehdä kahden samanlaisen laitteen, laitteiden A1 ja A2, avulla. Tällöin toinen laite A2 joko toimii varalaitteena tai suorittaa samaa toimintaa kuin laite A1. Todennäköisyys, että molemmat laitteet vaurioituisivat yhtä aikaa, on pieni. Sama vika voi aiheuttaa molempien laitteiden yhtäaikaisen vioittumisen.

Redundanttisuudesta on esimerkkinä kaksi rinnakkaista ja samanlaista lämpötilamittaria, jotka ovat samassa astiassa vierekkäin tai samassa anturitaskussa. Tällaisessa tapauksessa toisen anturin vikaantuminen ei välttämättä vaurioita toista anturia, joten saadaan ainakin yksi mittaustulos.

PR-sovellusgalleria (lähde: sks.fi

Toinen menetelmä on niin sanottu diversiteetti eli kahdentaminen. Kahta erilaista laitetta, laitteita A1 ja B2, käytetään samaan tarkoitukseen. Sama vika ei normaalisti voi aiheuttaa yhtäaikaista virhettä molemmissa laitteissa.

Diversiteetistä on esimerkkinä kaksi erilaista lämpötilamittausmenetelmää, PT100-vastusanturi ja termoelementti, jotka ovat eri paikoissa samassa astiassa. Sama vika ei yleensä voi vaurioittaa kumpaakin laitetta yhtä aikaa ja samalla tavalla. Lisäksi nämä mainitut mittausmenetelmät toimivat vastakkaiseen suuntaan esimerkiksi ylijännitteen aiheuttaman poikkipalamisen seurauksena. Vastusanturi näyttää ääretöntä, ja termoelementti ei anna signaalia lainkaan.

Luotettavuus ja käytettävyys yhdessä

Kun halutaan samanaikaisesti sekä luotettava että käytettävä järjestelmä, voidaan käyttää useita samanlaisia redundanttisia tai erilaisia eli diverssejä mittalaitteita ja tehdä näiden välillä äänestys. Äänestyksellä tässä tarkoitetaan sitä, että useamman kuin yhden mittaustuloksen tai raja-arvon ylityksen on tapahduttava yhtä aikaa, ennen kuin järjestelmä antaa hälytyksen tai laitteen suojalukitus katkaisee laitteen toiminnan.

Yleisimpiä äänestysmalleja ovat:

• yksi kahdesta eli 1ooo2
• kaksi kahdesta eli 2ooo2
• kaksi kolmesta eli 2ooo3.

Esimerkiksi kaksi kolmesta -sovellutus voi olla seuraava: Painevesisäiliön pintahälytys tehdään ensimmäisestä anturiviasta tai lukitusehdosta ja turvalukitus vasta sitten, kun kaksi anturia kolmesta ilmoittaa samaa.

Yleisimpien komponenttien vikataajuuksia

Komponentti	Vika	Todennäköisyys
pumput	ei käynnisty	1 * 10e-3/tarve
moottoriventtiilit	ei käynnisty	3 * 10e-5/h
magneettiventtiilit	ei vaihda tilaa	1 * 10e-3/tarve
pneum. venttiilit	ei vaihda tilaa	3 * 10e-4/tarve
takaiskuventtiilit	takaiskuventtiilit vuotavat	1 * 10e-4/tarve 3 * 10e-7/h
varoventtiilit	ei avaudu virh. avautuminen	1 * 10e-5/tarve 1 * 10e-5/h
sähkömoottorit	ei käynnisty pysähtyy	3 * 10e-4/tarve 1 * 10e-5/h
releet	ei vedä ei sulkeudu kosketinoikosulku avautuu väärin	1 * 10e-4/tarve 3 * 10e-7/h 1 * 10e-8/h 1 * 10e-7/h
kytkimet	rajakytkin ei toimi momenttikytkin ei toimi painekytkin ei toimi kosketinoikosulku	3 * 10e-4/tarve 1 * 10e-4/tarve 1 * 10e-4/tarve 1 * 10e-8/h
sulakkeet	ei avaudu tarpeeton avautuminen	1 * 10e-5/tarve 1 * 10e-6/h

Tehtävä: Laske edellä olevaan taulukkoon MTBF-arvosta käänteisarvo, joka on vikaa/vuosi-arvo. Kirjaa oikeanpuoleiseen sarakkeeseen numerojärjestyksessä laitteiden vikaantuminen. Näin voit arvioida, kuinka luotettava laite on suhteessa toisiin laitteisiin.

Riskianalyysiin perustuva luotettavuuden arviointi

Euroopan unionin alueella koneautomaation luotettavuutta ja turvallisuutta määrittelevät useat erilaiset turvallisuusmääräykset. Näistä tärkeimmät ovat CE-direktiivi ja standardi IEC61508. Direktiivissä ja standardissa laitteiston turvallisuus ja kunnossapito määritellään selvästi. Laitevalmistajan tulee valmistaa laitteistot niin, että niistä ei aiheudu vaaraa ihmiselle eikä ympäristölle. Käytännössä tämä tarkoittaa erilaisia mekaanisia, sähköisiä ja elektronisia suojalaitteita. CE-direktiivin mukaan valmistajan on tehtävä laitteistolle riskiarvioinnit, joissa arvioidaan laitteiston luotettavuus ja mahdollisen vahingon aiheuttaman seurauksen suuruus.

IEC61508 standardi

Vahingon suuruus arvioidaan henkilöriskien kautta tutkimalla sitä, kuinka suuren vahingon laitteen toimimattomuus voi aiheuttaa ihmiselle tai ympäristölle. Vahingon suuruuden arvioinnissa voidaan arvioida myös taloudellisten vahinkojen suuruus.

Luotettavuus arvioidaan laitteen komponenttien toimimattomuuden todennäköisyyden perusteella.

Kokonaisriski muodostuu edellä olevien tapahtumien yhtenäisvaikutuksesta.

Luotettavuutta arvioitaessa tulee vikavälin lisäksi tuntea tiheys eli tietää, kuinka usein tapahtuma voi tapahtua. Kun lasketaan kokonaisluotettavuutta, saadaan vika todennäköisyyden ja taajuuden tulona. Koneautomaatiossa käytetään luotettavuuden/riskinarvioinnissa EU-standardia IEC61508 (lisätietoja: Siirilä, Pahkala: EU-määräysten mukainen koneiden turvallisuus, fimtekno).

Standardissa on määritelty, kuinka lasketaan laadullisesti (kvalitatiivisesti) ja määrällisesti (kvantitatiivisesti) laitteiden riskejä ja luotettavuutta. Laadullinen luotettavuuden arviointi perustuu ammattitaitoisten henkilöiden keskinäiseen keskusteluun ja arviointiin. Määrällinen arviointi perustuu edellä esitettyihin Riskianalyysiin perustuva luotettavuuden arviointi perustuu luotettavuuslaskelmiin ja niiden avulla tehtyihin toiminta-arvioihin. Toiminta-arviot tehdään yleisesti muodostamalla laitteistosta looginen toimintakokonaisuus.

Koska luotettavuuden laskeminen on vaikeaa ja vaivalloista, luotettavuuslukuja kannattaa etsiä erilaisista tietopankeista tai alan kirjallisuudesta. Seuraavassa luotettavuus on esitetty komponenteittain suhteessa käyttöympäristön vaativuuteen. Ympäristön vaatimuksena tässä taulukossa on puhtaus.

Laitetyyppi	Viat vuotta kohden erilaisissa ympäristöoloissa
	Puhdas	Keskipuhdas	Likainen
Lämpötilalähetin (sähköinen)	0,1	-	-
Virtausmittarin elementti	0,1	0,2	0,4
Turbiinin virtausmittari	0,1
Virtausmittarin lähetin	0,2	0,4	0,8
Sähköinen mittari	0,1	0,1	0,2
Analysaattorimittauselementti	2,00	4,00	8,00
Painelähetin	0,2	0,4	0,8
Painekytkin (instrumentti-ilma)
Painekytkin (prosessiputkeen asennettu)	0,2	0,4	0,8
Pinnan mittauslähetin (paine-eron mittaus)	0,2	0,4	0,8
Pintakytkin (uimuri)	0,2	0,4	0,8
Radioaktiivinen lähetin	0,1
Radioaktiivinen kytkin	0,01	-	-
Lämpötila-anturin elementti	0,1	-	-
Raja-arvon lähetin	0,05	-	-
Pulssilaskin	0,05	-	-
Lähestymiskytkimen elementti	0,05	-	-
Lähestymiskytkimen vahvistin	0,05	-	-
Mekaaninen lähestymiskytkin	0,05	-	-
Raja-arvon rele	0,01	-	-
Hätäpysäytyspainike	0,005	-	-
Solenoidiventtiili	0,1	-	-
Prosessiputkeen asennettu sulkuventtiili	0,1	-	-
Säätöventtiili	0,1	0,2	0,4
Palohälytysanturi, liekkiä valvova tyyppi	0,05	-	-

Lähde: ICI EDG.CEE.02.71.

Taulukosta käy ilmi, miten eri rakenneosien luotettavuus vaihtelee käyttöolojen mukaan.

Luotettavuuden parantaminen kunnossapidossa

Luotettavuutta voidaan parantaa noudattamalla seuraavia pääsääntöjä, jotka voidaan ottaa huomioon jo suunnitteluvaiheessa tai kunnossapidossa.

• Laitteet ja kytkennät ovat yksinkertaisia.
• Käytetään varmoja standardirakenteita.
• Toiminnot ylimitoitetaan hieman.
• Järjestetään hyvä jäähdytys, tuuletus ja puhtaus.
• Estetään kondensoituminen.
• Mitoitetaan mekaaniset osat sopiviksi.
• Käytetään väljiä toleransseja.
• Liitokset ja juotokset tehdään huolellisesti.
• Vältetään aiheuttamasta tärinää.
• Rakenne suunnitellaan kestämään häiriöitä.

Mittaus-, säätö- ja ohjauslaitteiden luotettavuus

Mittaus-, säätö- ja ohjauslaitteet muodostuvat komponenteista, piirikorteista ja toimintalaitteista. Laitteet on yleensä koottu moduuleista, jotka on helppo vaihtaa ja korvata vastaavilla moduuleilla. Näiden laitteiden luotettavuuteen vaikuttaa henkilökunnan osaaminen. Automaatioammattilaisten työn määrä perustuu elektronisten laitteiden määrän lisäksi luotettavuusongelmiin. Yritysten käyttämä teknologia hyödyntää automaatiota, ja automaation määrä lisääntyy teollisuudessa. Jos laitteiston määrä kasvaa, työmäärän voidaan olettaa kasvavan. Huoltoa tarvitaan enemmän, laitteistoihin tulee enemmän vikoja ja niitä voidaan käyttää vähemmän, eli yritys on häiriöille altis. Luotettavuutta voidaan arvioida laitteen elinkaaren ja komponenttien määrän avulla. Vanha sanonta "ketju on yhtä luotettava kuin sen heikoin lenkki" pitää hyvin paikkansa.

Luotettavuuden seurantajärjestelmiä

Luotettavuutta voidaan seurata joko off-line- tai on-line-menetelmällä. Yksinkertaisin menetelmä on kone-, työtunti- ja vikaraportteihin perustuva kirjanpito, jossa esimerkiksi työjohtoalueittain seurataan mittauslaitteiden vikamääriä tai pidetään vikakirjaa laitoksen valvomossa. Tällaista seurantamenetelmää kutsutaan off-line-järjestelmäksi. Se ei ole reaaliaikainen ja kertoo kunnossapidon onnistumisesta jälkikäteen. On-line-menetelmässä kunnossapidon tarvitsemat tiedot kerätään suoraan prosessin tai koneen ohjausjärjestelmästä ja raportoidaan vastuualueittain. Useat koneautomaation laitteistot sisältävät sisäisessä diagnostiikassaan yksinkertaisia tapoja seurata laitteen toimintaa.

Esimerkki tuotantolinjan käyntihäiriöiden jakaumasta ja kaavio (kaavion lähde VTT/Komonen)

Käyntihäiriöjakauma vuositasolla jaettuna kuukausille

Käyntiaikalaskelma voisi olla seuraavanlainen:

Tuotantolinjan käyntiaika	Kuukauden lasketut tunnit
aika, jolloin laite voisi olla toiminnassa	744,00
ohjelmoidut seisokit	24,00
ohjelmoitu käyntiaika	720,00
pulaseisokit	0,00
muut seisokit	0,00
mahdollinen käyntiaika	720,00
suunnitellut korjausseisokit	0,00
korjausseisokit	7,16
suunnitellut prosessiseisokit	6,83
puhdistusseisokit	39,23
käyntiaika	666,78
Tunnusluvut:
käyntiaste	89,6%
teknillinen käyntiaste	92,6%
käytettävyys	99,0%

Laitteita voidaan seurata top-ten-periaatteella, eli luetteloidaan eniten häiriöitä ja tuotannonkatkoksia aiheuttaneet laitteet ja koneet syineen.

Eniten seisokkeja aiheuttaneet koneet

Kone	Syyt	H
Pystykuljetin	Kierrosvahti, hihnan tarkastus, vaihto	205,02
Pesurumpu	Tukossa, puhdistusta	48,92
Säiliö	Sekoittimen korjausta, akseli irti	38,04
Kuivain	Putkiston korjausta	19,06
Prosessiputkisto	Tukossa	10,5
Öljypoltin laitteineen	Mittarin vaihto, poltinhäiriö	8,23

TOP-TEN periaatteen mukainen kriittisten laitteiden seurantataulukko

TOP-TEN periaatteen mukainen kriittisten laitteiden graafinen seuranta