PROGETTAZIONE DI SISTEMI QUALITÀ E AFFIDABILITÀ DEL PRODOTTO

Transcript

1 PROGETTAZIONE DI SISTEMI QUALITÀ E AFFIDABILITÀ DEL PRODOTTO 1

2 Direttore Antonio CASTELLANI Sistemista Spazio e Difesa Comitato scientifico Sergio DI VEROLI Telebit S.r.l. Elsayed Ali ELSAYED The State University of New Jersey Massimo FIGARI Università degli Studi di Genova Antonella MASTROIANNI General Electric Oil & Gas Ann Marie NEUFELDER SoftRel Limited Liability Company Lucrezia PALUMMO Aster Technology & Engineering Natalia TRAPANI Università degli Studi di Catania

3 PROGETTAZIONE DI SISTEMI QUALITÀ E AFFIDABILITÀ DEL PRODOTTO Nella collana vengono pubblicate opere, articoli o libri, afferenti alla progettazione e realizzazione di Sistemi complessi, con particolare attenzione alle metodologie rivolte ad assicurare il soddisfacimento di requisiti relativi alla qualità del prodotto, alle prestazioni, all affidabilità e alla sicurezza.

4

5 Antonio Castellani Qualità e affidabilità del prodotto Attributi fondamentali per la ripresa

6 Copyright MMXV Aracne editrice int.le S.r.l. via Quarto Negroni, Ariccia (RM) (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: febbraio 2015

7 Indice 9 Prefazione 11 Introduzione 15 Struttura del libro 17 Capitolo I Teoria dell affidabilità 1.1. Affidabilità, Manutenibilità, Manutenzione programmata, Manutenzione correttiva, Disponibilità, Capitolo II La FMECA 45 Capitolo III La Fault Tree Analysis (FTA) 53 Capitolo IV Software Reliability, Availability, Maintainability 4.1. Modello di Musa, Modello di Putnam, Modello RL TR 92 52, Predizione, Stima, Modello RL TR 92 15, Un esempio dal settore automotive, Capitolo V Competitività 5.1. L assicurazione di Qualità e Affidabilità nel Ciclo di Vita del Prodotto, Obiettivi della gestione della Qualità nel Ciclo di Vita del Prodotto, Integrazione dei processi di sviluppo del prodotto, Pianificazione, Progettazione e Sviluppo, Testing, Controlli di qualità, Fase operativa, Innovazione, Definizione del modello del sistema, Predizione 7

8 8 Indice dell affidabilità, Analisi di affidabilità e di rischio, Documentazione di verifica e controllo, Gestione della Qualità Aziendale, Life Cycle Cost (LCC), Cost Effectiveness (CE), L assicurazione dei requisiti di Manutenibilità nel Ciclo di Vita del Prodotto, Definizioni e obiettivi della manutenibilità, La manutenibilità nel ciclo di vita del prodotto, Capitolo VI Il programma di assicurazione dell affidabilità 6.1. Derating, Sneak Circuit Analysis (SCA), Failure Reporting, Analysis and Corrective Action System (FRACAS), Closed loop FRACAS, Elementi per l implementazione di un sistema FRACAS, Costi associati all inaffidabilità, Capitolo VII Il programma di assicurazione della manutenibilità 7.1. Stato corrente dei prodotti nella fase di utilizzo, Requisiti dei dati di manutenzione, Valutazione del sistema/prodotto, Miglioramento del sistema/prodotto, Capitolo VIII Analisi dei costi associati al ciclo di vita 8.1. Cost Breakdown Structure (Categorie di costo), Stima dei costi, Modelli di costo, Profili di costo, Bibliografia

9 Prefazione L idea di scrivere questo libro viene in un momento in cui si sente, in modo impellente, per motivi di natura economica e sociale, la necessità di una ripresa dell industria italiana. La politica, il Governo, potranno dare delle risposte che creeranno i fondamenti affinché questo possa avvenire: il conseguimento di un efficace risultato finale è, comunque, molto legato a ciò che l industria manifatturiera e le società di servizi, tecnologici e non, realizzeranno in termini di competitività dei loro prodotti. Si assiste in misura sempre maggiore all affermarsi di prodotti che, su base internazionale, rappresentano una determinata tipologia: un televisore, un telefono cellulare, una macchina fotografica, un automobile, un applicativo software vengono sempre più identificati con quella ristretta cerchia di produttori che coniugano al meglio qualità e accessibilità dei costi. Va tenuto presente che un tale obiettivo comporta un uso valido ed equilibrato di quelle tecniche in grado di conquistare la fiducia del mercato, il quale non è disposto a fare sconti. È necessario investire in conoscenza, tecnologia innovativa e, in particolare, in quelle metodologie di carattere interdisciplinare che caratterizzano il prodotto in termini di continuità nella messa a disposizione delle proprie funzionalità, ovvero nella capacità costruita intrinsecamente, già dalle primissime fasi della progettazione, di resistere a funzionamenti anomali e a vere proprie avarie. Tali discipline, indicate con il nome di Dependability, che comprendono l assicurazione dell affidabilità, della manutenibilità e della disponibilità del prodotto, oltre a particolari processi analitici come la FMECA (Failure Mode, Effects and Criticality Analysis) e la FTA (Failure Tree Analysis) sono tutte a rivolte alla concezione di un prodotto che, per le sue caratteristiche intrinseche nella sua architettura e nella tecnologia in esso impiegata sia in grado di funzionare correttamente e 9

10 10 Prefazione con una continuità il più possibile prolungata negli anni, continuando comunque ad essere accessibile a costi relativamente contenuti. Le metodologie che costituiscono la Dependability traggono origine da esigenze di carattere militare, in cui è fondamentale la continuità delle funzionalità rese disponibili: durante la Seconda Guerra Mondiale, gli Stati Uniti, per le esigenze di cui sopra, hanno iniziato studi significativi nel campo della Logistica Integrata (ILS) e dell assicurazione delle caratteristiche di Dependability nei sistemi di interesse militare. Tali metodologie, fino ai giorni nostri, hanno esteso il loro campo di applicazione anche ai prodotti commerciali, soprattutto da parte di Paesi Asiatici che hanno imposto i loro prodotti all insegna della Qualità e dell innovazione tecnologica. È bene ricordare che l impiego delle metodologie in oggetto non va limitato alla sola fase di progettazione e sviluppo di un prodotto, ma va esteso anche alla fase di operatività (o di utilizzo) in quanto, sulla base dei ritorni dal campo, è possibile introdurre modifiche sensibilmente migliorative, tramite l attuazione di opportuni processi, come, ad esempio il FRACAS (Failure Reporting, Analysis, and Corrective Action System). Nel libro, destinato ad un pubblico non necessariamente specialistico, dopo una prima parte dedicata alla definizione dei parametri di interesse affidabilistico (Capitoli da 1 a 4) è presente la parte in cui si discutono i metodi e gli aspetti legati alla creazione delle caratteristiche progettuali in grado di rendere un prodotto maggiormente appetibile rispetto ad altri dello stesso tipo. Roma, ottobre 2014 L autore

11 Introduzione L affidabilità è definita come la probabilità che un sistema funzioni correttamente 1 in un intervallo di tempo di durata prestabilita, se utilizzato nelle condizioni operative nominali. Tale probabilità viene determinata già nella fase di progettazione applicando il processo di predizione che restituisce un valore dipendente dall architettura del sistema che si sta progettando e dalle sue caratteristiche tecnologiche 2 al momento previste. Con il termine prodotto si intende invece l insieme di attributi tangibili e intangibili volti a fornire un valore aggiunto a un utilizzatore: tale valore aggiunto è ottenuto attraverso un processo di progettazione, realizzazione e produzione a partire da risorse iniziali. Il processo di assicurazione dell affidabilità viene effettuato instaurando un sistema costituito da varie analisi da ripetersi in modo iterativo che, sulla base dei risultati ciascuna volta ottenuti, determina opportune azioni correttive sul progetto, fino ad assicurare la.convergenza verso una architettura e una tecnologia caratterizzate dall affidabilità prevista per il prodotto. Dalla definizione di affidabilità sopra enunciata si evince che ci si sta riferendo a prestazioni di un sistema che, dovendo rendere disponibili le proprie funzioni nel modo desiderato in un dato periodo di tempo, non contempla interventi di riparazione eseguiti per ripristinare le condizioni operative nominali. Il fatto di non prendere in considerazione interventi di manutenzione correttiva non significa necessariamente che il concetto di affidabilità sia applicabile soltanto a sistemi non riparabili, ma che, sia per sistemi riparabili che non, si vuole prendere 1. La locuzione funzionare correttamente, riferita a un sistema, significa che esso fornisce le funzionalità per cui è stato progettato e realizzato, nell ipotesi che esso sia operato e manutenuto come prescritto dalle procedure operative e, rispettivamente, di manutenzione. 2. Ciò vale sia per sistemi hardware che software: in quest ultimo caso le caratteristiche tecnologiche consistono sostanzialmente negli attributi dell applicativo. 11

12 12 Introduzione in considerazione la capacità del sistema di funzionare correttamente senza l esecuzione di interventi di manutenzione. Pertanto, il concetto di affidabilità si può applicare sia a sistemi riparabili che non riparabili e rappresenta la capacità intrinseca del sistema di funzionare il più a lungo possibile senza.l insorgere di avarie. Si richiama all attenzione che la teoria dell affidabilità è stata sviluppata per rispondere a esigenze di carattere militare, estendendosi successivamente a prodotti di origine commerciale per imporre e incrementare le caratteristiche atte a renderlo maggiormente appetibile e competitivo. Se si sta analizzando un sistema riparabile e, considerando le riparazioni effettuate su di esso, si vuole determinare la probabilità che esso sia disponibile in un generico istante della sua vita operativa si parla di disponibilità, definita come la probabilità che un sistema sia pronto per essere utilizzato in un generico istante t della sua vita operativa, se utilizzato nelle condizioni operative nominali. Facendo ancora riferimento a sistemi riparabili, la loro caratterizzazione richiede l introduzione del concetto di manutenibilità, definita come la probabilità che un sistema in avaria sia riparato (riportato nelle condizioni nominali), in un intervallo di tempo di durata prestabilita, se la manutenzione è effettuata secondo procedure specificate. Pertanto, l Ingegneria dell Affidabilità 3, già nella fase di disegno architetturale, attua una serie di processi aventi l obiettivo di assicurare il soddisfacimento dei requisiti relativi ad assicurare la continuità operativa. Tali processi sono: Allocazione dei requisiti affidabilistici: partendo dal requisito di affidabilità, nel caso di sistemi non riparabili, e/o da quello di disponibilità, per sistemi riparabili, formulato per l intero sistema da progettare, si deriveranno requisiti di affidabilità e/o 3. Si parla di affidabilità anche se, in caso di sistemi riparabili, le attività ingegneristiche riguardano anche manutenibilità e disponibilità.

13 Introduzione 13 di disponibilità per ogni sua porzione 4, effettuando il cosiddetto apporzionamento del requisito; RAM 5 Analysis: fa parte del processo di predizione che, sulla base dei parametri affidabilistici dei componenti di più basso livello del sistema, consente di determinare affidabilità, disponibilità e manutenibilità relative ai livelli gerarchici del sistema. I risultati di queste analisi possono determinare opportune modifiche al progetto, atte a migliorarne le prestazioni affidabilistiche (ad esempio, tramite l introduzione di opportune ridondanze); FMEA/FMECA 6 : l acronimo FMEA identifica un processo, da eseguirsi iterativamente nella fase di progettazione, con lo scopo di determinare gli effetti di ciascun tipo di avaria (modo di guasto) su sottosistemi, segmenti e sistema. L acronimo FME- CA identifica, invece, il processo, da eseguirsi iterativamente nella fase di progettazione, con lo scopo di determinare sia gli effetti di ciascun tipo di avaria che la relativa criticità 7. I risultati di tali analisi possono determinare opportune modifiche al progetto, atte a prendere le dovute precauzioni per mitigare/eliminare gli effetti dei vari modi di guasto. In Figura 1 è riportato il work flow delle analisi di Dependability 8. Si richiama all attenzione che la teoria dell affidabilità è stata sviluppata per rispondere a esigenze di carattere militare, estendendosi successivamente a prodotti di origine commerciale per imporre e consolidare le caratteristiche atte a renderlo maggiormente appetibile, economicamente valido e, quindi, competitivo. 4. Segmento, elemento, sottosistema, apparato, fino al livello architetturale più basso da prendere in considerazione, ovvero quello su cui si effettueranno le attività di manutenzione, ovvero per cui si definiranno le parti di scorta. 5. Dalle iniziali di Reliability (affidabilità), Availability (disponibilità), Maintainability (manutenibilità). 6. Failure Modes and Effects Analysis/Failure Modes, Effects, and Criticality Analysis. 7. La criticità di un determinato modo di guasto è tanto più alta quanto più alte sono sia la sua probabilità di verificarsi che la gravità (severity) dei suoi effetti sul sistema. 8. La Dependability comprende le analisi: RAM; FMECA; FTA (Failure Tree Analysis)

14 14 Introduzione Nel presente testo ci si riferirà essenzialmente a prodotti di tipo commerciale, anche se alcune conclusioni possono essere estese a sistemi destinati ad attività militari e spaziali. In questi ultimi casi le finalità relative a costi e prestazioni vengono gestite con modalità diverse da quanto avviene per i prodotti commerciali. Figura 1. Work Flow delle analisi di Dependability

15 Struttura del libro Nel Capitolo 1 saranno esposti sinteticamente i fondamenti della Teoria dell Affidabilità in modo da evidenziare gli elementi di valutazione delle metodologie da attuarsi nel corso del processo di progettazione e realizzazione del prodotto che, si evidenzia, può essere un sistema costituito da componenti hardware, da componenti software, oppure da componenti sia hardware che software. Il Capitolo 2 è dedicato a illustrare la Failure Mode, Effects and Criticality Analysis (FMECA), analisi da eseguirsi parallelamente alla RAM Analysis e avente l obiettivo di evidenziare, a fronte delle possibili modalità di malfunzionamento (modi di guasto) dei componenti del sistema, sia gli effetti sulle funzionalità del sistema stesso che la criticità del modo di guasto analizzato. Lo scopo di tale analisi è di mitigare o, se possibile, eliminare, già dalla fase di progettazione preliminare, i modi di guasto, o i relativi effetti, caratterizzati da maggiore criticità. Il Capitolo 3 descrive la Fault Tree Analysis (FTA), in cui vengono esaminate le combinazioni di eventi (avarie di componenti, eventi accidentali) che possono determinare effetti altamente indesiderati per la vita umana, l ambiente e il sistema stesso. Verranno evidenziate le analisi di tipo qualitativo, che evidenziano le combinazioni di eventi in.grado di determinare l evento indesiderato, e quelle di tipo quantitativo che forniscono anche il valore della probabilità dell evento indesiderato. Il Capitolo 4 espone i fondamenti dell analisi di affidabilità del software che, sia pure analoghi in linea di principio a quelli dell hardware, si basano su metodologie e caratteristiche di natura diversa. Il Capitolo 5 introduce le metodologie di carattere ingegneristico da adottare per incrementare la competitività del prodotto, esaltando il rapporto tra qualità e costi. 15

16 16 Qualità e affidabilità del prodotto I Capitoli 6 e 7 descrivono approcci e metodologie rivolte ad incorporare nel progetto le richieste caratteristiche di affidabilità e, rispettivamente, di manutenibilità. Il Capitolo 8 affronta modalità ed approcci per lo svolgimento dell analisi dei costi associati al ciclo di vita del prodotto.

17 Capitolo I Teoria dell affidabilità Prima di entrare nel merito dell argomento, ricordiamo che la teoria dell affidabilità affronta da un punto di vista analitico o, meglio, probabilistico argomenti attinenti l affidabilità, la manutenibilità e la disponibilità, le cui definizioni saranno date nel seguito. In ogni caso, dato che, come vedremo, esse sono tre probabilità, il loro studio viene condotto tramite principi e concetti della teoria della probabilità. Allo scopo di ricavare importanti parametri richiesti per lo studio quantitativo delle problematiche affidabilistiche, è necessario fare ricorso alle distribuzioni di probabilità, come funzioni sia cumulative (CDF 1 ) che di densità di probabilità (PDF 2 ) Affidabilità L affidabilità è la probabilità che un sistema funzioni correttamente, senza avarie, in un dato intervallo di tempo, se operato conformemente ai relativi requisiti. Pertanto, l affidabilità 3 all istante t è definita formalmente come la probabilità che l istante in cui interviene una avaria, indicato tramite la variabile aleatoria T, sia maggiore o uguale di t. R (t) = P {T t} (1.1) È possibile dimostrare che l affidabilità è data, in generale, dalla relazione: R (t) = e t λ(τ) dτ 0 (1.2) 1. Cumulative Distribution Function. 2. Probability Density Function. 3. In inglese Reliability e, pertanto, indicata con R. 17

18 18 Qualità e affidabilità del prodotto in cui λ (t) è il tasso di guasto, ovvero il numero di avarie del sistema analizzato nell unità di tempo. Per molti sistemi, in dipendenza delle caratteristiche tecnologiche e costruttive, il tasso di guasto è funzione del tempo e, al trascorrere del tempo tende ad aumentare a causa dell invecchiamento. Un tipico andamento della funzione R (t) è riportato in Figura 1.1. Figura 1.1. Funzione affidabilità Con l introduzione dei dispositivi elettronici allo stato solido è divenuto opportuno, considerare il caso in cui, al trascorrere del tempo, il tasso di guasto rimane costante: λ (t) = λ = cost (Constant Failure Rate (CFR) Model). In quest ultimo caso la (1.2) diviene: in cui: R (t) = e λt (1.3) R (0) = 1 : all inizio dell operatività il sistema è nuovo, pertanto la probabilità che esso, per t = 0, funzioni correttamente è pari a 1; R ( ) = 0 : dopo un tempo di funzionamento molto lungo la probabilità che il sistema funzioni correttamente è 0. Si noti che il fatto che, dopo un tempo molto lungo, la probabilità che

19 I. Teoria dell affidabilità 19 il sistema funzioni correttamente è 0, non è dovuto all invecchiamento (infatti stiamo impiegando il modello CFR che non lo prevede) ma unicamente al fatto che, in tale lasso di tempo, è certo che l evento aleatorio consistente nell avaria si sia verificato in un istante precedente. L andamento della R (t) con il modello CFR (esponenziale), in corrispondenza di tre diversi valori del tasso di guasto, è riportato in Figura 1.2. Figura 1.2. R(t) esponenziale (modello CFR) per tre diversi valori di λ La (1.2) e, nel caso di tasso di guasto costante nel tempo, la (1.3) rappresentano la distribuzione di probabilità che caratterizza le avarie del sistema in esame, detta anche distribuzione delle avarie. Nel caso del modello CFR la distribuzione delle avarie è una distribuzione esponenziale. In Figura 1.3 è riportato (curva a tratto continuo) un tipico andamento nel tempo del tasso di guasto di un generico sistema, ottenuto da dati statistici rilevati durante il funzionamento effettivo. A causa della sua forma, tale andamento è chiamato curva a vasca da bagno (bathtub curve). Viene evidenziato che il tasso di guasto, nel corso della vita del sistema, decresce inizialmente a causa della cosiddetta mortalità infantile,

20 20 Qualità e affidabilità del prodotto Figura 1.3. Curva a vasca da bagno dovuta a difetti iniziali che, se non sono dovuti a difetti di fabbricazione, possono venire eliminati mediante lievi modifiche al progetto (ad es. correzioni di dimensionamenti, modifiche nella scelta della componentistica, ecc.). Segue un periodo in cui il tasso di guasto è pressoché costante (vita utile) e, infine, a causa dell invecchiamento del sistema si entra nella fase di invecchiamento (wearout 4 ), caratterizzata da un andamento crescente di λ(t). È importante osservare che, durante la vita utile del sistema, dato che il tasso di guasto risulta pressoché indipendente dal tempo, i tempi in cui si verificano le avarie sono da considerarsi casuali, ovvero come output di un processo aleatorio, in quanto non attribuibili a difetti infantili né a invecchiamento. La curva a vasca da bagno si presta a essere utilizzata in modo particolare per sistemi costituiti prevalentemente da componenti elettronici 5. Va osservato che in questo caso, una.volta conclusa la vita utile, i componenti elettronici ovvero l apparato che ne è costituito, vanno immediatamente sostituiti: questo significa l impossibilità di poter utilizzare sistemi elettronici immediatamente dopo il termine della loro vita utile. 4. Logorio in italiano. 5. Nei sistemi costituiti da componenti elettronici si può assumere che il tasso di guasto abbia un andamento costante nel tempo, in quanto non sono significativi gli effetti dovuti all invecchiamento (come, ad esempio, il logorio).

21 I. Teoria dell affidabilità 21 Nel caso, invece, di un sistema costituito prevalentemente da componenti meccanici 6, pur rimanendo sostanzialmente valido l andamento di Figura 1.3, va osservato che la durata della vita utile è molto minore e, pertanto, l andamento crescente di λ(t) ha inizio molto prima, anche se con una pendenza inferiore. Ciò significa che i sistemi meccanici risentono dell usura molto più precocemente di quelli elettronici, senza che però il degrado sia tale da determinare la loro dismissione in tempi relativamente brevi. I componenti meccanici sono quindi caratterizzati da una vita utile in cui già si risentono i primi effetti dell usura (curva blu tratteggiata di Figura 1.3), senza però richiedere la loro immediata sostituzione, come nel caso dei componenti elettronici. In Figura 1.3 sono riportati andamenti tipici di tasso di guasto decrescente (DFR 7 ), costante (CFR) e crescente (IFR 8 ). Complementarmente all affidabilità può essere presa in considerazione la probabilità di guasto F (t) 9. Dalle (1.2) e (1.3) si ha, in generale: e, per tasso di guasto costante (CFR): in cui: F (0) = 0 ; F ( ) = 1. F (t) = 1 R (t) = 1 e t 0 λ(τ)dτ (1.4) F (t) = 1 R (t) = 1 e λt (1.5) La (1.4) e, nel caso di tasso di guasto costante nel tempo, la (1.5) rappresentano la distribuzione di probabilità che caratterizza le avarie del sistema in esame, detta anche distribuzione delle avarie. Un tipico andamento della F (t) è riportato in Figura 1.4. Tenendo conto del fatto che la F (t) è il complemento a 1 della R (t), risulta 6. In questo caso l invecchiamento e, in particolare, il conseguente logorio vanno tenuti in considerazione. 7. Decreasing Failure Rate. 8. Increasing Failure Rate. 9. Indicata con F (t) dal termine inglese Failure.

22 22 Qualità e affidabilità del prodotto che essa rappresenta la probabilità che si abbia una avaria per T t. Pertanto la F (t) è una Cumulative Distribution Function 10 (CDF). Figura 1.4. Probabilità di guasto L andamento della F (t) con il modello CFR (esponenziale), in corrispondenza di tre diversi valori del tasso di guasto, è riportato in Figura 1.5. Un altra funzione di interesse è la PDF della distribuzione delle avarie, ovvero: f (t) = df(t) dt Essa, nel caso CFR, diviene: = dr(t) dt (1.6) f (t) = df(t) = dr(t) = λe λt (1.7) dt dt Si osservi che, in caso di modello CFR, dalle (1.7) e (1.3) si ottiene: λ (t) = f (t) R (t) Un tipico andamento della PDF è riportato in Figura 1.6. (1.8) 10. Infatti cumula le probabilità che si verifichi una avaria per ogni istante precedente t.

23 I. Teoria dell affidabilità 23 Figura 1.5. F(t) con modello CFR per tre diversi valori di λ Figura 1.6. PDF delle avarie L andamento della PDF determinata secondo il modello CFR (esponenziale), in corrispondenza di tre diversi valori del tasso di guasto, è riportato in Figura 1.7.

24 24 Qualità e affidabilità del prodotto Figura 1.7. PDF delle avarie con modello CFR per tre diversi valori di λ Come indicato in Figura 1.6 l area sottesa dalla PDF delle avarie per t che varia tra 0 e è uguale a 1, ovvero: f (t) dt = 1 (1.9) 0 come può essere facilmente verificato dall espressione della PDF delle avarie ottenuta per il modello CFR. Va sottolineato che, considerando il concetto di affidabilità, si sta considerando il possibile insorgere di una avaria in un sistema che, funzionando, non è soggetto ad alcun intervento esterno tendente a modificarne i due possibili stati di corretto funzionamento e di avaria. In altre parole non è presa in considerazione la possibilità di riparazione. Questo significa che si può parlare di affidabilità sia per sistemi riparabili (di cui si studiano le caratteristiche indipendentemente dalla possibilità di ripararlo) che per sistemi non riparabili (ad esempio, una lampadina, per cui la riparazione non è applicabile oppure un satellite che una volta in orbita non è riparabile). Pertanto le caratteristiche del sistema messe in luce dall affidabilità sono unicamente quelle intrinseche al sistema stesso, ovvero quelle

25 I. Teoria dell affidabilità 25 dipendenti dalla sua architettura e dalla tecnologia impiegata per realizzarlo. Si anticipa che conclusioni simili valgono anche per un applicativo software, in cui l affidabilità, dipendendo dalle sue caratteristiche intrinseche, dipende dalla design architecture a dai suoi attributi. Un importante parametro che descrive l affidabilità del sistema, in alternativa al tasso di guasto, è il Mean Time To Failure (MTTF), ovvero il tempo medio in cui, in assenza di interventi di riparazione, si verifica una avaria, relativamente al sistema che si sta analizzando. Esso è il valore medio E(T) della distribuzione delle avarie, per cui, in base alla (1.9), si ha: MTTF = E (T) = Nel caso di modello CFR, in base alla (1.7) si ha: 0 t f (t) dt (1.10) MTTF = E (T) = tf (t) = t λe λt dt = 1 (1.11) 0 0 λ ovvero, solo nel caso CFR, il parametro MTTF è pari all inverso del tasso di guasto λ. Dalle relazioni (1.3) e (1.11) segue che, nel caso in cui si adotti il modello CFR la distribuzione delle avarie è completamente caratterizzata dal parametro MTTF. Ciò non è più vero nel caso in cui il modello adottato sia diverso dal CFR: infatti, in tali casi, una caratterizzazione completa richiede anche la conoscenza di altri parametri come, ad esempio, la deviazione standard. Si osservi che, nell ambito del modello CFR, nel caso in cui si calcoli l affidabilità per t = MTTF, tenendo conto della (1.11), si ottiene: R (t = MTTF) = e λ MTTF = e 1 = 0,368 (1.12) Pertanto, un sistema, dopo un tempo pari al suo MTTF, vede ridursi la sua affidabilità al 37% Manutenibilità Finora non è stato preso in considerazione ciò che accade dopo che il sistema è andato in avaria per la prima volta e per le successive. Inoltre non è stato considerato l insieme di attività da svolgere per mantenere

26 26 Qualità e affidabilità del prodotto il sistema in condizioni di funzionamento nominali, ovvero rispondenti a quanto specificato nei suoi requisiti, inclusi quelli attinenti la sua operatività e relativa manutenzione. In questa sezione ci si occuperà di questi aspetti, considerando sistemi riparabili 11 : in particolare, saranno descritte metodologie applicabili alla riparazione e al ripristino di unità andate in avaria. Si possono distinguere alcuni tipi fondamentali di manutenzione: innanzitutto quella correttiva, da applicarsi al fine di ripristinare un sistema 12 andato in avaria, e quella preventiva, effettuata periodicamente sul sistema, per garantire che esso fornisca con continuità nel tempo le funzionalità e le prestazioni per esso specificate dai requisiti di progetto. La manutenzione correttiva viene effettuata senza rispondere ad alcuna pianificazione temporale, in quanto risponde all esigenza, imprevista, di ripristinare il corretto funzionamento di un sistema dopo che si è verificata una avaria. L assenza della pianificazione temporale non esclude che la manutenzione correttiva venga effettuata seguendo piani e procedure che descrivono tutti i passi necessari per effettuare ciascun intervento di riparazione. Tali piani includeranno anche, per ogni possibile intervento da effettuare e quindi per ogni procedura, la lista della strumentazione da utilizzare, le verifiche da effettuare al termine dell intervento, ovvero prima di dichiarare nuovamente funzionante il sistema andato in avaria. I piani di manutenzione, nella sezione dedicata alla manutenzione correttiva, dovranno anche indicare la composizione e il numero delle squadre che dovranno eseguire le eventuali riparazioni. Infatti, in un sistema che deve funzionare continuativamente 24 ore su 24, come, ad esempio, centrali elettriche o telefoniche, dovranno essere previste squadre composte da tutti gli specialisti richiesti per far fronte in qualunque momento a eventuali avarie. La manutenzione programmata o preventiva è invece attuata secondo tempi prestabiliti, e spesso richiede che il sistema che ne deve essere oggetto venga posto in condizioni non operative. Essa, al fine di prevenire funzionamenti fuori specifica, degradati o comunque tali da portare all avaria del sistema, consiste in ben definite attività, come ispezioni, 11. Non tutti i sistemi sono riparabili: ad esempio un satellite, una volta nello spazio, non lo è. 12. Il termine sistema continua a essere utilizzato per indicare un insieme di apparati opportunamente interagenti tra loro, o un singolo apparato (ad esempio un trasmettitore) o, ancora, un componente (ad esempio, un circuito integrato) facente parte di un apparato.

27 I. Teoria dell affidabilità 27 eventuali riparazioni o sostituzioni di parti (ad esempio a fronte della individuazione di particolari modi di guasto che hanno portato a funzionamenti degradati), lubrificazioni di parti meccaniche con periodicità specificate appositamente per la fase operativa, allineamenti in frequenza di apparati per telecomunicazioni, ecc. Va considerata anche la cosiddetta manutenzione predittiva che, tramite opportuni strumenti diagnostici oltre che opportune misurazioni, si prefigge di stimare quando una parte è prossima all avaria e va quindi preventivamente sostituita, in modo da evitare maggior costo e impegno di risorse effettuando la riparazione dopo che è intervenuta una avaria. Da quanto esposto si comprende come la manutenzione, dipendentemente dalla intensità con cui è applicata, determina costi più o meno elevati. Se pertanto si può intuire che la manutenzione preventiva e predittiva sono tanto più costose quanto più accuratamente applicate, va tenuto conto del fatto che esse possono ridurre significativamente i costi associati alla manutenzione correttiva. Infatti, molto frequentemente, alle avarie sono associati altri tipi di problemi, come la non disponibilità del sistema fino all avvenuto ripristino, il maggiore costo associato alla riparazione rispetto a quello della conduzione di ispezioni su apparati, sostituzioni preventive di parti, ecc. Sulla base di quanto evidenziato si comprende come la manutenzione vada dimensionata sulla base del bilancio costi/benefici da associare alle attività di manutenzione preventiva, predittiva e correttiva Manutenzione programmata La manutenzione programmata (o preventiva), tipicamente eseguita su base periodica, consiste in predefinite attività come ispezioni, eventuali riparazioni o sostituzioni di parti (ad esempio a fronte della individuazione di particolari modi di guasto che hanno portato a funzionamenti degradati), lubrificazioni di parti meccaniche, allineamenti e ripristini a condizioni nominali di configurazioni che nel tempo tendono a variare (derive). In Figura 1.8 è riportato l alternarsi dei tempi prefissati sia di operatività che di fermo (downtime 13 ) dovuto a manutenzione preventiva 13. In italiano tempo in cui il sistema è giù ovvero non funzionante e quindi non disponibile per fornire le funzionalità richieste.

28 Qualità e affidabilità del prodotto Figura.. Tempi di operatività e downtime per manutenzione programmata di un sistema: si è ipotizzato un aumento nel tempo delle durate di fermo e una diminuzione dei periodi di operatività continuativa, a causa dell invecchiamento del sistema.... Manutenzione correttiva La manutenzione correttiva inizia dopo il riconoscimento dello stato di avaria. Essa si articola nelle seguenti fasi (Figura. ): riconoscimento dello stato di avaria; localizzazione dell avaria e diagnosi; riparazione o sostituzione del componente guasto; allineamenti, configurazioni e verifiche. Figura.. Fasi della manutenzione correttiva