Sinergia tra BlockSim, Weibull++, ALTA, e Lambda Predict

In questo articolo verrà studiata, attraverso la metodologia RBD (Reliability Block Diagram), una luce da palcoscenico come sistema complesso. Questa sarà modellata come un insieme di blocchi interconnessi, ciascuno dei quali rappresenta un componente elettronico o meccanico della luce. Al fine di mostrare la sinergia tra i prodotti della suite ReliaSoft, i modelli di affidabilità di alcuni componenti, quali i motori, la lampada, e la scheda di controllo elettronica, saranno derivati da dati elaborati tramite i programmi Weibull++ (e il suo add-on ALTA), e Lambda Predict. Infine, verrà compiuta una simulazione dell’intero sistema al fine di estrapolarne i parametri di affidabilità, sia della sola fase del concerto, che delle due fasi test/concerto attraverso un diagramma a fasi.

Panoramica del sistema e suoi componenti

Le luci di scena sono uno strumento fondamentale per lo svolgimento degli spettacoli di intrattenimento moderni. Esse offrono una vasta gamma di effetti visivi—come la proiezione di una moltitudine di motivi luminosi, cambi di colore, ed effetti gobo—che rendono molto più suggestive le performance degli artisti. Queste luci sono formate da tre componenti essenziali: Una lampada di notevole potenza, un supporto in materiale rigido, e una coppia di motori elettrici per il movimento planare del raggio di luce. Tra questi, la lampada è sicuramente la parte più soggetta a stress elettrici, poiché i suoi circuiti sono investiti da una scarica di elevata potenza a intervalli di utilizzo irregolari; questo effetto causa nella lampada una degradazione nel tempo maggiore rispetto a luci di uso comune. Inoltre, le luci di scena sono adoperate anche all’aperto, dove possono essere soggette alle intemperie, oppure in spettacoli che fanno ricorso a fumogeni a base di ghiaccio secco. Queste condizioni avverse possono compromettere ulteriormente l’affidabilità a lungo termine dello strumento. Dunque, è fondamentale raccogliere dati dal campo al fine di sviluppare un modello preciso sia della vita dei componenti che dell’intero sistema. Questi dati saranno poi inseriti in uno schema a blocchi affidabilistico, il quale permette di modellare le interazioni tra i componenti del sistema.

Analisi dei dati di guasto usando diversi software della suite ReliaSoft

I programmi della suite ReliaSoft non operano in maniera isolata, ma permettono di condividere facilmente i risultati delle loro analisi con BlockSim attraverso la funzione ‘Publish’.

Foglio di garanzia e rientri con Weibull++

Le analisi di garanzia permettono di stimare i costi e i rientri futuri del prodotto. Questa predizione si basa sulla sintesi di un modello di vita a partire dai dati di rientro presenti. In questo studio si utilizza un’analisi di garanzia per determinare il modello di affidabilità dei motori delle luci.

Le immagini seguenti mostrano un foglio di garanzia in formato ‘Dates of failure’, composto da due fogli da compilare manualmente:

• il foglio delle vendite mostra il numero stimato di prodotti entrati in servizio, la data di entrata in servizio, e un subset ID personalizzabile che contraddistingue sottoinsiemi di prodotti; in questo caso questi sono raggruppati per modello e revisione del motore. In questo foglio la chiave univoca è la data di entrata in servizio;
• il foglio dei rientri mostra il numero di prodotti rientrati in ciascuna data, la data di rientro, la data di messa in servizio del prodotto, e il subset ID. In questo foglio la chiave univoca è la data di rientro.

Svolta l’analisi di garanzia attraverso la funzione ‘Calculate’, questa deve essere convertita in un foglio life data, da cui poi si potrà calcolare il modello di affidabilità che verrà poi esportato in BlockSim usando la funzione ‘Publish Model’.

Per approfondire la conoscenza delle analisi di garanzia e poter osservare il loro utilizzo nella proiezione dei rientri dal campo, si rimanda all’articolo ‘Proiezione rientri in garanzia’.

Analisi di predizione con Lambda Predict

Le analisi di predizione sono comunemente utilizzate per prevedere la vita e il tasso di guasto di schede e componenti elettronici. Esse si basano su standard internazionali, i quali contengono una lista di componenti di varia natura con i loro parametri MTBF (Mean Time Between Failures) e λ (tasso di guasto). In questo caso, viene compiuta un’analisi di predizione secondo lo standard Siemens SN 29500 al fine di modellare la vita della scheda elettronica di controllo delle luci. Si confronta la lista dei componenti della scheda—la ‘Bill of Materials’—con la lista dei componenti presente nello standard. I componenti selezionati faranno poi parte dell’analisi di predizione. I dati di vita dovranno essere poi esportati attraverso il comando ‘Publish Branch’, così da convertirli in un modello utilizzabile da BlockSim. Una volta pubblicato il modello, questo è disponibile dalla finestra ‘Block Properties’ di BlockSim. Da notare la dicitura ‘synchronized’, la quale indica che il modello presente in BlockSim corrisponde al modello generato dai dati di Lambda Predict È opportuno tenere a mente un aspetto importante dell’integrazione tra i prodotti ReliaSoft: se i dati da cui deriva il modello sono modificati nell’applicazione di origine, questo risulterà desincronizzato, per cui BlockSim conserverà il modello precedente. Questo comportamento evita che modifiche apportate ai dati—accidentali o intenzionali—non compromettano inaspettatamente la validità del sistema in BlockSim. La sincronizzazione, tuttavia, può essere ristabilita manualmente premendo il tasto ‘Publish’.

Per un’introduzione all’analisi di predizione e al calcolo del MBTF, si consiglia la lettura dell’articolo ‘Nuovo al calcolo MTBF’.

Analisi vita-stress con ALTA (add-on Weibull++)

La lampada è sicuramente il componente sottoposto a maggiore stress, poiché riceve improvvise scariche di grande potenza in maniera irregolare. Per questa ragione, un’analisi vita-stress attraverso un test accelerato è estremamente utile per determinare il modello di vita della lampada, poiché permette di simulare in maniera ragionevolmente accurata l’ambiente di lavoro del componente, e ottenere risultati in tempi rapidi. L’esperimento si basa sulla variazione di due parametri, ovvero temperatura e voltaggio, i quali hanno un notevole impatto sulla durata di una lampada. Le coppie di parametri sono le seguenti:

Condizione	Temperatura (K)	Voltaggio (kV)
Uso	300	20
Test 1	333	30
Test 2	373	35
Test 3	373	30

La prima riga illustra le condizioni in cui si prevede che lo strumento operi durante il normale utilizzo, mentre le restanti indicano le condizioni in cui verranno svolti i test. È possibile notare due peculiarità: sarebbe buona norma condurre i test accelerati in condizioni vicine a quelle di utilizzo, cosicché si possa ottenere una stima accurata. Inoltre, non è necessario testare tutte le unità in ciascuna prova; Se queste sono in numero limitato, si possono allocare maggiormente ai test più significativi, ovvero quelli con stress leggermente superiore a quello di utilizzo.

Inseriti i dati, per ottenere il modello vita-stress occorre semplicemente premere il pulsante ‘Calculate’. Questo può essere poi pubblicato attraverso il comando ‘Publish model’, e di conseguenza sarà disponibile come modello di affidabilità in BlockSim.

Per un’introduzione ai test accelerati, si consiglia la lettura dell’articolo ‘Nuovo ai test accelerati’.

Simulazione con BlockSim

Grazie alle analisi compiute precedentemente sono stati ottenuti i modelli di affidabilità dei tre componenti più critici di una luce da palcoscenico. Ora non rimane che applicare questi modelli ai blocchi del sistema disegnato in BlockSim, e avviare la simulazione al fine di ottenere il valore di disponibilità del sistema. L’immagine sottostante mostra la disponibilità a 10 ore compiendo 1000 simulazioni.

Per un’introduzione al metodo di analisi RBD, si consiglia la lettura dell’articolo ‘Nuovo al Reliability Block Diagram’.

A proposito del ‘duty cycle’

Al fine di rendere la simulazione il più simile possibile alla realtà, si è optato per impostare nel blocco relativo alla lampada un valore di ‘duty cycle’ equivalente a 10. Ciò significa che, durante il suo funzionamento, la lampada compie uno ‘sforzo’ di 10 volte superiore a uno convenzionale, e dunque la sua vita è ridotta a 1/10 del normale. Questo è dovuto al fatto che le accensioni e gli spegnimenti applicano uno stress notevole alla circuiteria della lampada, e ne determinano una riduzione della vita utile. L’immagine sottostante mostra le caratteristiche del blocco lampada, in particolare il parametro ‘duty cycle’ e il suo valore.

Simulazione con diagramma a fasi

Nei precedenti paragrafi si è presunto che la luce di scena fosse utilizzata solamente durante il concerto, tuttavia questo comportamento non ricalca esattamente la realtà. Le luci, infatti, sono sottoposte a dei test preliminari per determinarne il funzionamento. BlockSim permette di simulare entrambe le fasi operative—test e concerto—grazie al diagramma a fasi. Per compiere quest’analisi occorre innanzitutto duplicare il diagramma precedentemente creato (‘moving-head-concert’) in un nuovo foglio, chiamato arbitrariamente ‘moving-head-testing-2’. Successivamente, nel diagramma a fasi si inseriscono due macroblocchi corrispondenti alle fasi operative: uno relativo al test, della durata di un’ora, l’altro relativo al concerto, della durata di tre ore. Questi dovranno poi essere collegati in serie, come mostrato in figura. La simulazione finale è analoga a quella per un singolo sistema, e da questa si possono ottenere i familiari parametri di affidabilità.

Nel diagramma temporale sottostante è possibile osservare la transizione tra la fase di test ‘testing-2’ e la fase del concerto.

In questo caso, una linea nera continua rappresenta il tempo in cui i timer spengono i relativi motori e luci, mentre una linea nera tratteggiata indica che un particolare componente, pilotato da un timer, è in attesa di attivarsi. È utile osservare inoltre come nella fase di test gli intervalli di attivazione e disattivazione siano più corti, e le transizioni più frequenti rispetto al concerto. Lo scopo della prima fase, infatti, è di stressare il sistema in tempi rapidi per saggiarne il funzionamento.

Per un’introduzione alla tecnica di analisi al diagramma a fasi, si consiglia la lettura dell’articolo ‘Nuovo al diagramma a fasi’.

Conclusione

In questo articolo è stato compiuto uno studio di affidabilità su una luce di scena mobile. Il sistema è stato ricreato attraverso il metodo RBD nel programma BlockSim, e i modelli di affidabilità dei componenti critici sono stati sintetizzati dalle analisi dei dati provenienti da analisi di predizione (Lambda Predict), analisi di garanzia (Weibull++), e test accelerati (add-on ALTA di Weibull++). È stata inoltre compiuta una simulazione del sistema al fine di estrapolare i dati di vita come disponibilità, MTTF, guasti previsti, etc. Infine, la precedente simulazione è stata estesa a due fasi di utilizzo della lampada, ovvero le fasi di test e del concerto, da cui è stato sviluppato un diagramma a fasi.