Confiabilidad de sistemas

El término confiabilidad es descrita en el diccionario de la RAE como "probabilidad de buen funcionamiento de algo". Por tanto, extendiendo el significado a sistemas, se dice que la confiabilidad de un sistema es la probabilidad de que ese sistema funcione o desarrolle una cierta función, bajo condiciones fijadas y durante un período determinado.

Un sistema es una colección de componentes/subsistemas dispuestos de acuerdo a un diseño dado con el propósito de lograr el cumplimiento de unas determinadas funciones con una adecuación y confiabilidad aceptables. El tipo de componentes, su cantidad, su calidad y el modo en que están dispuestas tiene un efecto directo en la confiabilidad de sistema.

La confiabilidad se define como la probabilidad de que un bien funcione adecuadamente durante un período determinado bajo condiciones operativas específicas (por ejemplo, condiciones de presión, temperatura, fricción, velocidad, tensión o forma de una onda eléctrica, nivel de vibraciones).

Planes de inspección y confiabilidad

Los conceptos de planes de inspección y confiabilidad están sumamente relacionados. La confiabilidad se define como la probabilidad de que un equipo funcione adecuadamente durante un período determinado bajo condiciones operativas específicas (por ejemplo, condiciones de presión, temperatura, velocidad, tensión o forma de una onda eléctrica, nivel de vibraciones, etc.) y los planes de inspección son el conjunto de técnicas utilizadas para asegurar el correcto y continuo uso de equipos, maquinaria, instalaciones y servicios a fin de evitar su rotura (es decir, aumento de su confiabilidad). Por tanto, se analiza en conjunto ambos términos.

Esencialmente hay dos tipos de Planes de inspección: preventivo y correctivo.

En el preventivo, el objetivo es incurrir en gastos modestos de servicio del equipo, con el fin de evitar fallos potencialmente caros durante su funcionamiento. Normalmente, el equipo deja de funcionar durante las inspecciones preventivas, y el efecto físico de las actividades de mantenimiento es paliar los efectos del funcionamiento previo.

En contraste, el correctivo (o reparación) es la respuesta al fallo del equipo con el fin de devolverlo a un estado de funcionamiento.

Para ambas clases de Planes de inspección, puede asumirse que existen varios tipos de estructuras de coste y varios tipos de patrones de comportamiento de los equipos. Por consiguiente, hay bastantes casos de modelos distintos.

Es importante notar que el modelado y análisis de los procedimientos de los Planes de inspección de equipos requieren a menudo considerar el sistema completo en vez de sus componentes individuales.

Plan de inspección preventivo

Para la mayoría de los casos industriales de producción, es preferible y preferente aplicar Planes de inspección preventivo antes de un correctivo, a fin de no entorpecer la producción y evitar imprevistos ocasionados por la rotura del sistema. El motivo por el que se sustituye un dispositivo que funciona es que el coste de hacerlo es pequeño en comparación con el coste de responder a un fallo que ocurra durante el funcionamiento del dispositivo, un fallo en el campo. Históricamente, se han definido dos tipos de políticas de Plan de inspección preventiva. Se designan como «sustitución por edad» y «sustitución en bloque».

Una política de sustitución por edad implica el cambio de un dispositivo por otro nuevo, siempre que el dispositivo falla o alcanza la edad preestablecida.

Con la sustitución en bloque, el dispositivo en funcionamiento se sustituye en tiempos espaciados uniformemente independientemente de su edad en dichos instantes de tiempo. Los valores óptimos de los tiempos de la política pueden ser determinados analizando los modelos apropiados de costes.

La distinción entre fallos y sustituciones es que las sustituciones incluyen tanto a los dispositivos cambiados debido a fallos como a los reemplazados preventivamente antes del fallo.

La motivación para utilizar un programa de Plan de inspección preventivo es que al hacer sustituciones planificadas (reparaciones), la frecuencia de fallos de campo no planificados será reducida y presumiblemente esto significará un ahorro de costes.

EL PROCESO DE INSPECCIÓN

Una inspección puede definirse como “el examen de la concepción de un producto, de un producto, de un servicio, de un proceso o de una fábrica, y la determinación de su conformidad con requisitos específicos o, a base de un juicio profesional, con los requisitos generales”. La inspección de los procesos se refiere al personal, las instituciones, la tecnología y la metodología. Los resultados de la inspección pueden usarse como soporte de la certificación.

Los organismos de inspección son los organismos que proceden a la inspección: realizan, pues, evaluaciones basadas en la aplicación de controles de conformidad.

Los controles se refieren a características de los productos, materiales, instalaciones, fábricas, procesos, procedimientos de trabajo o servicios, y determinan la conformidad con los requisitos estipulados.

Las inspecciones se realizan en función de órdenes de servicio emitidas por la autoridad central. El proceso de ejecución de las órdenes de servicio puede esquematizarse así:

Quien imparte la orden de inspección es la autoridad competente. Esta produce textos que reúnen los criterios de conformidad. Es ella también quien pide que se proceda a inspecciones, especificando la naturaleza y la cantidad de los objetos que han de inspeccionarse.

Estas órdenes de servicio constituyen la referencia reglamentaria de cada país. Para la buena ejecución de dichas órdenes, es necesario:

– cuantificar las inspecciones y a veces incluso las operaciones de control que las constituyen;

– precisar su frecuencia;

– definir con precisión la metodología seguida por las inspecciones;

– definir los análisis (cantidad, métodos, umbrales). - 15 -

El 88 % por ciento de los Países Miembros asumen el control completo del proceso de inspección en materia de sanidad animal, mientras que la proporción es muy inferior para el proceso de inspección de los productos alimentarios: sólo un 52 % de los Países Miembros asumen el control completo del mismo.

LOS CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE UN PROCESO DE INSPECCIÓN

Para probar que una organización es competente, fiable e imparcial, hay que examinar las responsabilidades, los procedimientos de organización y los recursos.

Esta evaluación de los recursos implica el examen de los recursos humanos, de los presupuestos de funcionamiento, de los locales puestos a disposición, de los sistemas de comunicación, de los medios de transporte, de las capacidades de análisis (laboratorios de diagnóstico y laboratorios de investigación), de las capacidades de intervención, del soporte reglamentario, de los programas de vigilancia, de las capacidades científicas, etc..

Entre dichos criterios de evaluación de los recursos, reviste particular importancia el examen de las competencias técnicas y científicas de los inspectores.

Deben arbitrarse procedimientos a fin de garantizar que personas u organizaciones ajenas al organismo no puedan influir en los resultados de las inspecciones efectuadas.

Para merecer confianza, el organismo de inspección debe ser imparcial e independiente. Estas dos nociones no son de igual naturaleza. La imparcialidad (no tomar partido por uno o por otro) es un criterio absoluto, mientras que la independencia es un criterio relativo.

– La imparcialidad es una obligación de resultado: es impensable que un documento normativo reconozca que un organismo pueda ser parcial. El ámbito de la imparcialidad no tiene límites.

– La independencia es una obligación de medios. La noción de independencia es, por esencia, relativa: se es independiente con respecto a tal o cual persona, a tal o cual organismo, en lo relativo a tal o cual actividad o a tal o cual función. La independencia de un organismo supone que éste no está sometido a ningún otro organismo o colectividad: es la ausencia de dependencia entre instituciones. La independencia del organismo de inspección no es una cualidad absoluta, sino una condición necesaria previa de su imparcialidad, de la integridad del organismo y de la de su personal.

El criterio de imparcialidad engloba necesariamente la independencia, mientras que la independencia no implica necesariamente la imparcialidad. Para que el requisito de independencia sea respetado en la función de inspección y no quede reducido a piadosas intenciones, la independencia debe estar caracterizada por obligaciones de medios y definida en términos verificables.

Este punto de organización es esencial, pues muy a menudo los imperativos de la economía y de la producción dan lugar a dudas sobre la sinceridad de la certificación y el valor del certificado sanitario.

Tipos de sistemas

Los modelos matemáticos permiten analizar características del comportamiento de sistemas con un esfuerzo, coste y riesgo sensiblemente inferior al que correspondería a la realización de los mismos análisis sobre el propio sistema. El desarrollo de cualquier modelo matemático, ya sea para estudiar la fiabilidad de un sistema o cualquier otra característica, parte del establecimiento de una serie de hipótesis. Es, por tanto, imprescindible conocer con exactitud la base del desarrollo de cualquier modelo, de forma que se sepa cómo de cerca o lejos se está de la realidad y, consiguientemente, como de veraces son los resultados.

Se reconoce en general que existen cuatro tipos genéricos de relaciones estructurales entre un dispositivo y sus componentes. Estos son: serie, paralelo, k-de-n y sistemas coherentes.

Función estructural de un sistema

-La confiabilidad de un sistema depende tanto de la confiabilidad individual de cada una de sus componentes como del modo lógico en que están conectadas dichas componentes en relación con el funcionamiento o no del sistema. Se supone que el estado de funcionamiento o fallo de las componentes determina el estado de funcionamiento o fallo del sistema. Esta información se recoge en la llamada función estructura del sistema.

- Suponemos que el sistema está formado por n componentes y que el estado de la componente i está descrito por la variable Xi que puede tomar valor 1 si funciona o 0 si no funciona. El estado del sistema XS es una función de las variables Xi:

es la función estructura del sistema.

Denotaremos mediante RS la fiabilidad del sistema, mediante Ri la fiabilidad de la

componente i. Por tanto,  . Mediante   denotaremos

la probabilidad de fallo del sistema, análogamente 

Sistemas en serie

- En una configuración en serie el fallo de cualquiera de sus componentes provoca el fallo del sistema. En la mayoría de los casos, cuando consideramos sistemas completos y su descomposición más básica, se obtiene una ordenación lógica de sus componentes en serie. Es decir, un sistema serie es aquel en el que todos los componentes deben funcionar adecuadamente para que funcione el sistema. La función estructura del sistema es:

La confiabilidad del sistema es la probabilidad de que todas las componentes del sistema funcionen. Como consideramos independientes los tiempos de vida de las componentes entonces la fiabilidad del sistema es:

- Efecto de la fiabilidad de una componente en la confiabilidad del sistema → En una configuración en serie la componente con una menor fiabilidad tiene una mayor influencia en la confiabilidad del sistema. Se dice que “una cadena es tan buena como su eslabón más débil”.

Representación de una estructura en serie

Sistemas en paralelo

- En una configuración en paralelo se precisa el funcionamiento de al menos una componente para que el sistema funcione. Se dice que las componentes son redundantes. La redundancia es uno de los métodos utilizados para mejorar la confiabilidad de un sistema. La función estructura del sistema es:

- La función de confiabilidad de sistema es:

-Efecto de la fiabilidad de las componentes en la confiabilidad del sistema → En un sistema en paralelo la componente más importante de cara a la fiabilidad es aquella que tiene la mayor fiabilidad de todas. La característica inherente al modelo paralelo se llama redundancia: Es decir existe más de un componente para desempeñar una función dada. La redundancia puede ser de dos clases:

Redundancia activa.- En este caso, todos los elementos redundantes están activos simultáneamente durante la misión.

Redundancia secuencial (llamada también stand-by o pasiva).-En esta ocasión, el elemento redundante sólo entra en juego cuando se le da la orden como consecuencia del fallo del elemento primario. Hasta que llega ese momento el elemento redundante ha permanecido inactivo, en reserva, pero ha podido estar:

- Totalmente inactivo (Ej.: La rueda de repuesto de un automóvil)

- Energizado total o parcialmente (Ej.: Un grupo electrógeno).

Representación de una estructura en paralelo.

Sistemas k-out-of-n

- La configuración k-out-of-n consiste en una generalización del sistema en paralelo en la que se requiere el funcionamiento de k de las n unidades para que el sistema funcione. Por ejemplo un avión que tiene cuatro motores pero que con al menos dos de ellos en funcionamiento puede volar, es un sistema 2-out-of-4.

La función estructura de un sistema k-out-of-n es:

La función de fiabilidad, cuando se consideran componentes independientes y con idéntica fiabilidad R es:

-Confiabilidad de un sistema k-out-of-n con componentes no idénticas → Un método de cálculo de la fiabilidad consiste en determinar todas las posibles combinaciones distintas de funcionamiento y calcular la probabilidad de cada una de ellas.

-Combinación de subsistemas en serie y en paralelo →La confiabilidad del sistema resultante se calcula evaluando primero la confiabilidad de cada subsistema para posteriormente combinarlos de manera adecuada.

Representación de una estructura en k-out-of-n.

Sistemas Coherentes

La definición de confiabilidad presenta cuatro elementos: probabilidad, tiempo, entorno, y funcionamiento correcto. Es necesario hablar en términos probabilísticos al referirse al posible estado del sistema en un instante futuro; el tiempo es esencial, ya que la probabilidad de que los componentes funcionen depende del tiempo transcurrido, por ser la mayoría de los procesos de degradación que causan sus fallos función de este; la especificación del entorno de operación es necesaria, ya que un mismo componente perderá sus cualidades de forma distinta en entornos distintos, y consiguientemente sus probabilidades de supervivencia o funcionamiento correcto serán diferentes; y por último, debe definirse lo que se entiende por funcionamiento correcto, es decir, debe establecerse la línea divisoria ente “funcionamiento” y “fallo”.

-Una componente i de un sistema es relevante cuando existe al menos una situación, definida por el estado del resto de las componentes, en que el funcionamiento del sistema depende de que la componente i funcione o no, esto es, ∃ vector de estado de las componentes x t. q. φ (1i , x ) > φ (0i , x ). Por tanto una componente es irrelevante cuando para todo vector de estados de las componentes x se verifica que φ (1i , x ) = φ (0 i , x ) .

Un sistema se dice que es coherente si todas sus componentes son relevantes y la función estructura es no decreciente en cada argumento.

φ(1)= 1, φ(0)= 0, si φ(x) es la función estructura de un sistema coherente, entonces   se verifica:

Diagramas de Bloque de confiabilidad (RBDS)

En fiabilidad un diagrama de bloques (RBD) es una representación gráfica de los componentes/subsistemas del sistema, y de cómo se relacionan desde el punto de vista de la fiabilidad. En algunos casos, esta relación es distinta de la relación física. Por ejemplo, un grupo de resistencias que está conectado físicamente en paralelo desde el punto de vista de la fiabilidad está conectado en serie, ya que todas las resistencias son necesarias para proporcionar la resistencia requerida. El siguiente gráfico muestra un RBD simplificado de un sistema de ordenador con un ventilador redundante. Cada bloque de fiabilidad del diagrama podría ser representado por su propio diagrama de bloques. Por ejemplo en el RBD de un coche, el nivel superior de bloques podría representar los principales sistemas del coche. Cada uno de estos sistemas podría tener sus propios RBD.

Diagrama BDRS de una CPU.

El RBD proporciona una representación visual del modo en que los bloques se relacionan de modo que el diagrama muestra el efecto que el funcionamiento o fallo de una componente tiene sobre el funcionamiento o fallo del sistema.

El primer paso para la evaluación de la fiabilidad de un sistema es obtener datos acerca de la fiabilidad de cada uno de los bloques. Estos datos permitirán al ingeniero de fiabilidad caracterizar las distribuciones de vida de las componentes o bloques específicos.

La fiabilidad del sistema se expresa como una función de la fiabilidad de sus componentes. Los RBD suelen mostrarse útiles a la hora de determinar esta función matemática.

El principal objetivo de un análisis de fiabilidad de un sistema es determinar la función de distribución del tiempo hasta el fallo aunque en otros casos únicamente se desee o se pueda determinar la fiabilidad del sistema para un tiempo dado.

Existen dos métodos para determinar la fiabilidad de un sistema: método analítico y simulación. En el primero se utiliza teoría de la probabilidad. Existen métodos que conducen a evaluaciones exactas de la fiabilidad mientras que otros proporcionan cotas. El método de la simulación genera tiempos de fallo para cada componente y a partir de ellos se determina el estado de funcionamiento o fallo del sistema de acuerdo con la estructura del sistema.

Gestión de la confiabilidad

Un programa realmente efectivo de confiabilidad sólo puede existir en una organización donde el cumplimiento de los objetivos de fiabilidad esté reconocido como parte integrante en la estrategia corporativa. En los casos contrarios, es de los primeros en ser recortados en cuanto existan presiones de costes o plazos.

Programas integrados de confiabilidad

Puesto que la calidad de la producción será el determinante final de la confiabilidad, el control de la calidad es una parte integral del programa de confiabilidad. El programa de control de calidad debe estar basado en los requisitos de confiabilidad y no ir dirigido únicamente a reducir costes de producción. El programa de control de calidad contribuirá de forma efectiva al de confiabilidad so los procedimientos del primero están ligados a factores que puedan influir ene. Segundo, y no sólo a formas o funciones, si los datos de pruebas de control de calidad están integrados con el resto de datos de confiabilidad, y si el personal de control de calidad está formado para reconocer la relevancia de su trabajo a la confiabilidad, así como motivado para contribuir a su cumplimiento.

Confiabilidad y costes asociados

Resulta costoso llegar a objetivos elevados de confiabilidad, y más cuando el producto o sistema es complejo. Pero a todo esto, la experiencia demuestra que todos los esfuerzos de un programa de confiabilidad bien gestionados son rentables, ya que es resulta menos costos descubrir y corregir deficiencias durante el diseño y desarrollo que corregir el resultado de fallos producidos durante el funcionamiento del producto o sistema. Según la naturaleza del programa estaremos ante el caso de un tipo de coste u otro. Si se trata del diseño de un producto y colocarlo en el mercado se tratará de coste de confiabilidad, y si, de forma contraria, se trata del diseño de un sistema por encargo específico de un cliente se hablará de coste de ciclo de vida.

Hay que resaltar que los programas de confiabilidad están normalmente limitados por los recursos que se les puedan destinar durante las fases de diseño y desarrollo. La asignación de recursos a las actividades de un programa de fiabilidad deben estar basadas en una consideración de os riesgos asociados, siendo un valor subjetivo basado en la experiencia.

Requisitos de fiabilidad

Los diseños para fortalecer la confiabilidad están basados en requisitos que definen la necesidad a satisfacer. Las especificaciones de requisitos de confiabilidad deben contener lo siguiente:

Una definición de fallos relacionada con las funciones del sistema, incluyendo todos los modos de fallo que sean relevantes.

Una descripción completa de los entornos en los que el producto o sistema será almacenado, transportado, utilizado o mantenido

Una especificación nítida de requisito de confiabilidad.

Una relación de modos de fallos (con sus efectos) que sean particularmente críticos y que deban tener una probabilidad muy baja de ocurrencia.

Hay que tener especial cuidado a la hora de definir los fallos para que no sean ambiguos. Éstos fallos deben estar relacionados siempre a un parámetro que se pueda medir o ligado a una clara indicación libre de interpretaciones subjetivas. A todo esto, no es inevitable que aparezcan variaciones subjetivas al validar los fallos (normalmente cuando la procedencia de los datos no está controlada) Las especificaciones de entorno deben incluir las cargas, temperaturas, humedades, vibraciones y todos los parámetros necesarios que puedan condicionar la probabilidad de fallo del producto o sistema. Éstos requisitos deben establecerse se manera que sean verificables y lógicos, y deben estar relacionados con las distribuciones correspondientes.