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Cahier technique n° 144 Introduction à la conception de la sûreté E. Cabau Coll

Cahier technique n° 144 Introduction à la conception de la sûreté E. Cabau Collection technique Les Cahiers T echniques constituent une collection d’une centaine de titres édités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent une information plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogues et notices techniques. Les Cahiers T echniques apportent des connaissances sur les nouvelles techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les installations, les systèmes et les équipements. Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des automatismes industriels. Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partir du site Schneider Electric. Code : http://www.schneider-electric.com Rubrique : Le rendez-vous des experts Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contactez votre agent Schneider Electric. La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique » de Schneider Electric. Avertissement L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrecte des informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et ne saurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni de conséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémas contenus dans cet ouvrage. La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée après accord de la Direction Scientifique et Technique, avec la mention obligatoire : « Extrait du Cahier Technique Schneider Electric n° (à préciser) ». n° 144 Introduction à la conception de la sûreté CT 144 édition juin 1999 Emmanuel CABAU Ingénieur ENSIMAG 1989 (INPG, Grenoble), est chez Schneider Electric depuis 1990. Il se spécialise d'abord dans le domaine de plans d'expérience et techniques statistiques diverses auprès de la Direction Scientifique et Technique, puis, utilisant sa formation initiale d'informaticien, participe au développement d'un outil logiciel d'audit d'installation électrique pour Schneider Services. En 1998, il rejoint le pôle de compétence des études de sûreté de fonctionnement, une équipe spécialisée dans l'étude de fiabilité de certains produits et process de Schneider Electric, notamment dans les domaines : contrôle-commande de centrales nucléaires, installations électriques, appareillage de coupure, système d'automatismes répartis, etc. Cahier Technique Schneider Electric n° 144 / p.2 Cahier Technique Schneider Electric n° 144 / p.3 Introduction à la conception de la sûreté La panne d'un équipement, l'indisponibilité d'une source d'énergie, l'arrêt d'un système automatique, l'accident sont de moins en moins tolérables et acceptés par le citoyen comme par l'industriel. La sûreté qui se décline en terme de fiabilité, de maintenabilité, de disponibilité et de sécurité est maintenant une science qu'aucun concepteur de produit ou d'installation, ne peut ignorer. Ce cahier technique vous propose une présentation des notions de base, et une explication des méthodes de calcul. Quelques exemples et valeurs numériques permettent de faire contrepoids à quelques formules et à l'utilisation sous-jacente de nombreux outils informatiques. Sommaire 1 L'importance de la sûreté 1.1 Dans le logement p. 4 1.2 Dans le tertiaire p. 4 1.3 Dans l’industrie p. 4 2 Les grandeurs de la sûreté 2.1 Fiabilité p. 5 2.2 Taux de défaillance p. 5 2.3 Disponibilité p. 6 2.4 Maintenabilité p. 7 2.5 Sécurité p. 7 3 Relations entre les grandeurs 3.1 Des grandeurs interactives p. 8 de la sûreté 3.2 Des grandeurs qui peuvent s’opposer p. 8 3.3 Des grandeurs fonction des temps moyens p. 9 4 Les types de défaut 4.1 Les défauts physiques p. 11 4.2 Les défauts de conception p. 11 4.3 Les défauts d’exploitation p. 11 5 De l’élément au système : 5.1 Les bases de données sur les composants des systèmes p. 13 la modélisation 5.2 La méthode APR p. 15 5.3 La méthode AMDEC p. 16 5.4 Les diagrammes de fiabilité p. 16 5.5 Les arbres de défaillance p. 19 5.6 Les graphes d’états p. 22 5.7 Les réseaux de Pétri p. 24 5.8 Choix d’une technique de modélisation p. 25 6 Maintenance et logistique : 6.1 Optimisation de la maintenance par la fiabilité (O.M.F) p. 26 de plus en plus complexe… 6.2 Soutien logistique intégré (S.L.I) p. 26 7 Conclusion p. 27 Bibliographie et normes p. 28 Cahier Technique Schneider Electric n° 144 / p.4 1 L’importance de la sûreté L'homme des cavernes devait être sûr de son bras. L'homme moderne est entouré d'outils, de systèmes de plus en plus sophistiqués dont il c la réparabilité des ascenseurs, c la sécurité incendie. 1.1 Dans le logement Le citoyen, dans sa vie de tous les jours, est fortement intéressé par : c la fiabilité de son téléviseur, c la disponibilité de l’électricité, 1.2 Dans le tertiaire Le banquier et tout le secteur tertiaire accorde beaucoup d’importance à : c la fiabilité de l’informatique, c la disponibilité du chauffage, c la réparabilité de son congélateur ou de sa voiture, c la sécurité du coupe-gaz de sa chaudière. 1.3 Dans l’industrie L’industriel qui doit être compétitif ne peut admettre de pertes de production, d’autant plus importantes que son process de fabrication est complexe ; il recherche la meilleure : c fiabilité de ses systèmes contrôle commande, c disponibilité de ses machines, c maintenabilité de l’outil de production, c sécurité des personnes et du capital industriel. Ces valeurs que l’on regroupe sous le concept de SURETE (être sûr) font appel à la notion de confiance. Elles se quantifient en terme d’objectif, se calculent en terme de probabilité, doit être sûr, ceci s'il veut qu'ils concourent réellement à sa sécurité, son efficacité et son confort. se réalisent en terme d’architecture et de choix de composants, se vérifient par les tests ou l’expérience. Schneider Electric intègre ce concept de sûreté de longue date. Il en est ainsi, entre autres, depuis 30 ans pour les produits Merlin Gerin dont on connaît la contribution : hier, par exemple, à la conception des centrales nucléaires, ou à l’exceptionnelle disponibilité de l’énergie électrique de la base de lancement des fusées ARIANE, aujourd’hui dans la conception des produits et systèmes destinés à tous les secteurs d’activité. Cahier Technique Schneider Electric n° 144 / p.5 2.2 Taux de défaillance 2.1 Fiabilité L’ampoule électrique est utile au particulier, au banquier et à l’industriel. Quand ils l’allument ils veulent tous qu’elle éclaire jusqu’à ce qu’ils l’éteignent ! La fiabilité est la probabilité que l’ampoule soit en état de fonctionner à l’instant t, elle mesure l’aptitude à rester dans un état de fonctionnement correct. Définition : la fiabilité est la probabilité pour qu’une entité puisse accomplir une fonction requise, dans des conditions données, pendant un intervalle de temps donné [t1,t2] ; que l’on écrit : R(t1,t2). Cette définition, celle de la CEI (Commission Electrotechnique Internationale), est donnée dans la norme 191 de juin 1988. Conservons l’exemple de l’ampoule. Son taux de défaillance à l’instant t, noté λ(t), mesure la probabilité qu’elle s’éteigne intempestivement dans l’intervalle [t,t+∆t] sachant qu’elle est restée allumée jusqu’à l’instant t. Le taux de défaillance est un taux horaire qui est homogène à l’inverse d’un temps. L’écriture mathématique est la suivante : λ(t) = lim 1 t R(t)-R(t+ t) R(t) = -1 R(t) dR(t) dt (1) t ∆ ∆ ∆ → ⋅       ⋅ 0 Ainsi, le taux de défaillance qui mesure la probabilité pour une personne âgée de 20 ans de mourir dans l’heure qui suit se note : λ(20 ans) = 10-6 par heure. Si on représente λ en fonction de l’âge on obtient alors une courbe qui est celle de la figure 1 . Après de fortes valeurs qui correspondent à la mortalité infantile, λ atteint la valeur de l’âge adulte durant laquelle il est constant car les causes de décès sont surtout accidentelles et donc indépendantes de l’âge. A partir de 60 ans, Plusieurs notions sont fondamentales dans cette définition : c Fonction : la fiabilité est caractéristique de la fonction attribuée au système. La connaissance de son architecture matérielle est souvent insuffisante et il faut utiliser des méthodes d’analyse fonctionnelle. c Conditions : le rôle de l’environnement est primordial en fiabilité, il faut aussi connaître les conditions d’utilisation. La connaissance du matériel n’est pas suffisante. c Intervalle : on s’intéresse à une durée et pas à un instant. Par hypothèse le système fonctionne à l’instant initial, le problème est de savoir pour combien de temps. En général t1 = 0 et on note R(t) la fiabilité. Période de jeunesse 0 t λ(t) Période d'usure Vie utile du fait du vieillissement λ augmente. L’expérience a montré que pour les composants électroniques la courbe obtenue a la même allure, d’où la terminologie : période de jeunesse, vie utile et période d’usure. Fig. 1 : courbe en baignoire. 2 Les grandeurs de la sûreté Cahier Technique Schneider Electric n° 144 / p.6 Pendant la période de vie utile le taux λ est constant et l’équation (1) donne : R(t) = exp(-λt). La loi est dite exponentielle, la courbe de fiabilité en fonction du temps, dans ce cas, est celle de la figure 2 . La loi exponentielle est une des lois possibles. Les dispositifs mécaniques soumis, dès le début La notion de disponibilité s’illustre uploads/Industriel/ ct144.pdf