Анализ видов и последствий отказов (FMEA)

Введение

Анализ потенциальных сбоев системы

Анализ видов и последствий отказов (FMEA; часто пишется как "виды отказов" во множественном числе) – это процесс рассмотрения максимально возможного количества компонентов, сборок и подсистем для выявления потенциальных видов отказов в системе, а также их причин и последствий. Для каждого компонента виды отказов и их влияние на остальную часть системы фиксируются в специальном листе FMEA. Существует множество вариантов таких листов. FMEA может быть качественным анализом, но может быть переведен на количественную основу при комбинировании математических моделей частоты отказов со статистической базой данных коэффициентов видов отказов. Это был один из первых высокоструктурированных, систематических методов анализа отказов. Он был разработан инженерами по надежности в конце 1950-х годов для изучения проблем, которые могут возникнуть из-за неисправностей военных систем. FMEA часто является первым шагом в исследовании надежности системы. Существуют различные типы анализа FMEA, такие как:
Функциональный
Проектный
Процессный

Иногда FMEA расширяется до FMECA (анализ видов, последствий и критичности отказов), чтобы указать, что выполняется также анализ критичности. FMEA – это анализ единичной точки отказа, основанный на индуктивном рассуждении (прямой логике), и является ключевой задачей в области инженерии надежности, безопасности и качества. Успешное проведение FMEA помогает выявить потенциальные виды отказов на основе опыта работы с аналогичными продуктами и процессами или на основе общих принципов физики отказов. Он широко используется в отраслях разработки и производства на различных этапах жизненного цикла продукта. Анализ последствий подразумевает изучение влияния этих отказов на различные уровни системы. Функциональный анализ необходим в качестве входных данных для определения корректных видов отказов на всех уровнях системы, как для функционального FMEA, так и для FMEA отдельных частей (аппаратного обеспечения). FMEA используется для структурирования мер по снижению риска на основе уменьшения вероятности отказа, снижения серьезности последствий отказа или их комбинации. FMEA по своей сути является полностью индуктивным (прямой логикой) анализом, однако вероятность отказа может быть оценена или снижена только при понимании механизма отказа. Следовательно, FMEA может включать информацию о причинах отказов (дедуктивный анализ) для уменьшения вероятности возникновения путем устранения выявленных (корневых) причин.

Введение

FME(C)A – это инструмент проектирования, используемый для систематического анализа предполагаемых отказов компонентов и выявления их влияния на работу системы. Анализ часто рассматривается как состоящий из двух поданализов: анализ видов и последствий отказов (FMEA) и анализ критичности (CA). Для успешной разработки FMEA аналитику необходимо учитывать все значимые виды отказов для каждого элемента или детали системы. Анализы FMEA могут выполняться на уровне системы, подсистемы, сборки, подборки или отдельной детали. FMECA должен быть действующим документом на протяжении всего процесса разработки аппаратного обеспечения. Его планирование и выполнение должны осуществляться параллельно с проектированием. Своевременное завершение FMECA может помочь в принятии обоснованных проектных решений. Эффективность FMECA как инструмента проектирования и в процессе принятия решений зависит от того, насколько эффективно и своевременно выявляются дефекты проектирования. Своевременность, пожалуй, является наиболее важным фактором. В крайнем случае, FMECA будет малополезен для процесса принятия проектных решений, если анализ будет выполнен уже после изготовления оборудования. Хотя FMECA определяет все возможные виды отказов деталей, его основное преимущество заключается в раннем выявлении всех критических и катастрофических отказов подсистем или системы, чтобы их можно было устранить или минимизировать путем внесения изменений в конструкцию на ранних этапах разработки; поэтому FMECA следует проводить на системном уровне сразу после получения предварительной информации о проектировании и расширять на более низкие уровни по мере углубления детального проектирования. Примечание: Для более полного моделирования сценариев может быть рассмотрен другой тип анализа надежности, например, анализ дерева неисправностей (FTA) – дедуктивный (основанный на обратной логике) анализ отказов, способный обрабатывать множественные отказы как внутри, так и вне рассматриваемого элемента, включая техническое обслуживание и логистику. Он начинается с более высокого функционального/системного уровня. FTA может использовать записи FMEA о видах основных отказов или сводку последствий в качестве одного из входных данных (базовых событий). Для полноты моделирования сценариев могут быть добавлены анализ опасностей интерфейсов, анализ человеческого фактора и другие виды анализа.

The FME(C)A is a design tool used to systematically analyze postulated component failures and identify the resultant effects on system operations. The analysis is sometimes characterized as consisting of two sub analyses, the first being the failure modes and effects analysis (FMEA), and the second, the criticality analysis (CA). Successful development of an FMEA requires that the analyst include all significant failure modes for each contributing element or part in the system. FMEAs can be performed at the system, subsystem, assembly, subassembly or part level. The FMECA should be a living document during development of a hardware design. It should be scheduled and completed concurrently with the design. If completed in a timely manner, the FMECA can help guide design decisions. The usefulness of the FMECA as a design tool and in the decision making process is dependent on the effectiveness and timeliness with which design problems are identified. Timeliness is probably the most important consideration. In the extreme case, the FMECA would be of little value to the design decision process if the analysis is performed after the hardware is built. While the FMECA identifies all part failure modes, its primary benefit is the early identification of all critical and catastrophic subsystem or system failure modes so they can be eliminated or minimized through design modification at the earliest point in the development effort; therefore, the FMECA should be performed at the system level as soon as preliminary design information is available and extended to the lower levels as the detail design progresses. Remark: For more complete scenario modelling another type of reliability analysis may be considered, for example fault tree analysis (FTA); a deductive (backward logic) failure analysis that may handle multiple failures within the item and/or external to the item including maintenance and logistics. It starts at higher functional / system level. An FTA may use the basic failure mode FMEA records or an effect summary as one of its inputs (the basic events). Interface hazard analysis, human error analysis and others may be added for completion in scenario modelling.

Анализ режима и эффектов функционального отказа

Анализ всегда должен начинаться с перечисления функций, которые должна выполнять конструкция. Функции – это отправная точка качественно выполненного FMEA, и использование функций в качестве базы обеспечивает максимальную эффективность FMEA. В конечном счете, конструкция – это лишь одно из возможных решений для реализации необходимых функций. Таким образом, FMEA может быть выполнена как для концептуальных, так и для детальных конструкций, для аппаратного, так и для программного обеспечения, независимо от сложности конструкции. При выполнении FMECA, интерфейсное оборудование (или программное обеспечение) изначально рассматривается как работающее в соответствии со спецификацией. Затем анализ может быть расширен путем последовательного использования одного из пяти возможных видов отказа одной функции интерфейсного оборудования в качестве причины отказа для рассматриваемого элемента конструкции. Это позволяет сделать конструкцию устойчивой к функциональным отказам в других частях системы. Кроме того, каждый предполагаемый отказ компонента рассматривается как единственный отказ в системе (то есть проводится анализ единичного отказа). Помимо FMEA, выполняемых для систем с целью оценки влияния отказов нижнего уровня на работу системы, проводятся и другие FMEA. Особое внимание уделяется интерфейсам между системами и, вообще, всем функциональным интерфейсам. Цель этих FMEA – гарантировать, что необратимые физические и/или функциональные повреждения не будут распространяться через интерфейс в результате отказов в одном из взаимодействующих устройств. Эти анализы проводятся на уровне отдельных компонентов для схем, которые непосредственно взаимодействуют с другими устройствами. FMEA может быть выполнена без анализа причин (CA), но для проведения CA необходимо, чтобы FMEA предварительно выявил критические отказы на системном уровне. Когда оба этапа выполнены, весь процесс называется FMECA.

История

Процедуры проведения FMECA были описаны в 1949 году в документе Вооруженных сил США о военных процедурах MIL P 1629, пересмотренном в 1980 году как MIL STD 1629A. К началу 1960-х годов подрядчики Национального управления по аэронавтике и космосу США (NASA) использовали вариации FMECA или FMEA под различными названиями. Программы NASA, использующие варианты FMEA, включали Apollo, Viking, Voyager, Magellan, Galileo и Skylab. Индустрия гражданской авиации была одним из первых, кто внедрил FMEA, а Общество инженеров автомобильной промышленности (SAE, организация, охватывающая авиацию и другие виды транспорта, помимо автомобильной промышленности, несмотря на свое название) опубликовало ARP926 в 1967 году. После двух пересмотров, рекомендуемая практика аэрокосмической промышленности ARP926 была заменена на ARP4761, которая в настоящее время широко используется в гражданской авиации. В 1970-х годах использование FMEA и связанных с ним методов распространилось на другие отрасли. В 1971 году NASA подготовила доклад для Геологической службы США, рекомендуя использовать FMEA для оценки морской нефтегазовой разведки. В докладе Агентства по охране окружающей среды США 1973 года описано применение FMEA к очистным сооружениям сточных вод. Применение FMEA в рамках HACCP в космической программе "Аполлон" перешло в пищевую промышленность в целом. Автомобильная промышленность начала использовать FMEA к середине 1970-х годов. Ford Motor Company представила FMEA в автомобильной промышленности для обеспечения безопасности и соответствия нормативным требованиям после инцидента с Pinto. Ford применил тот же подход к процессам (PFMEA) для выявления потенциальных отказов, вызванных технологическими процессами, до начала производства. В 1993 году Группа действий по автомобильной промышленности (AIAG) впервые опубликовала стандарт FMEA для автомобильной промышленности. В настоящее время он находится в четвертом издании. SAE впервые опубликовала соответствующий стандарт J1739 в 1994 году. Этот стандарт также находится в четвертом издании. В 2019 году оба описания методов были заменены новым руководством AIAG / VDA FMEA. Оно представляет собой гармонизацию бывших стандартов FMEA AIAG, VDA, SAE и других описаний методов. Хотя изначально разработанная военными, методология FMEA теперь широко используется в различных отраслях промышленности, включая производство полупроводников, пищевую промышленность, производство пластмасс, разработку программного обеспечения и здравоохранение. Toyota пошла еще дальше, разработав подход к анализу конструкции на основе анализа режимов отказа (DRBFM). В настоящее время метод поддерживается Американским обществом качества, которое предоставляет подробные руководства по его применению. Стандартные процедуры анализа видов и последствий отказов (FMEA) и анализа видов и последствий отказов и критичности (FMECA) идентифицируют механизмы отказов продукта, но не могут моделировать их без специализированного программного обеспечения. Это ограничивает их применимость для внесения значимого вклада в критически важные процедуры, такие как виртуальная квалификация, анализ первопричин, ускоренные программы испытаний и оценка остаточного ресурса. Для преодоления недостатков FMEA и FMECA часто использовался анализ видов, механизмов и последствий отказов (FMMEA).

Procedures for conducting FMECA were described in 1949 in US Armed Forces Military Procedures document MIL P 1629, revised in 1980 as MIL STD 1629A. By the early 1960s, contractors for the U. S. National Aeronautics and Space Administration (NASA) were using variations of FMECA or FMEA under a variety of names. NASA programs using FMEA variants included Apollo, Viking, Voyager, Magellan, Galileo, and Skylab. The civil aviation industry was an early adopter of FMEA, with the Society for Automotive Engineers (SAE, an organization covering aviation and other transportation beyond just automotive, despite its name) publishing ARP926 in 1967. After two revisions, Aerospace Recommended Practice ARP926 has been replaced by ARP4761, which is now broadly used in civil aviation. During the 1970s, use of FMEA and related techniques spread to other industries. In 1971 NASA prepared a report for the U. S. Geological Survey recommending the use of FMEA in assessment of offshore petroleum exploration. A 1973 U. S. Environmental Protection Agency report described the application of FMEA to wastewater treatment plants. FMEA as application for HACCP on the Apollo Space Program moved into the food industry in general. The automotive industry began to use FMEA by the mid 1970s. The Ford Motor Company introduced FMEA to the automotive industry for safety and regulatory consideration after the Pinto affair. Ford applied the same approach to processes (PFMEA) to consider potential process induced failures prior to launching production. In 1993 the Automotive Industry Action Group (AIAG) first published an FMEA standard for the automotive industry. It is now in its fourth edition. The SAE first published related standard J1739 in 1994. This standard is also now in its fourth edition. In 2019 both method descriptions were replaced by the new AIAG / VDA FMEA handbook. It is a harmonization of the former FMEA standards of AIAG, VDA, SAE and other method descriptions. Although initially developed by the military, FMEA methodology is now extensively used in a variety of industries including semiconductor processing, food service, plastics, software, and healthcare. Toyota has taken this one step further with its design review based on failure mode (DRBFM) approach. The method is now supported by the American Society for Quality which provides detailed guides on applying the method. The standard failure modes and effects analysis (FMEA) and failure modes, effects and criticality analysis (FMECA) procedures identify the product failure mechanisms, but may not model them without specialized software. This limits their applicability to provide a meaningful input to critical procedures such as virtual qualification, root cause analysis, accelerated test programs, and to remaining life assessment. To overcome the shortcomings of FMEA and FMECA a failure modes, mechanisms and effect analysis (FMMEA) has often been used.

Применение

Разработка системных требований, минимизирующих вероятность отказов. Разработка конструкций и систем тестирования для обеспечения устранения отказов или снижения риска до допустимого уровня. Разработка и оценка диагностических систем. Оказание помощи при выборе конструктивных решений (анализ компромиссов).

Ограничения

Хотя FMEA выявляет важные опасности в системе, его результаты могут быть неполными, и этот подход имеет ограничения. В контексте здравоохранения было установлено, что FMEA и другие методы оценки рисков, включая SWIFT (Structured What If Technique) и ретроспективные подходы, обладают ограниченной достоверностью при использовании изолированно. Проблемы, связанные с определением области применения и организационными границами, представляются основным фактором, снижающим достоверность. Это связано с тем, что ранги являются числами порядковой шкалы, а операция умножения для чисел порядковой шкалы не определена. Ранги порядковой шкалы лишь указывают, что один ранг лучше или хуже другого, но не на сколько именно. Например, ранг "2" не обязательно в два раза серьезнее ранга "1", а "8" не обязательно в два раза серьезнее "4", однако при использовании умножения предполагается обратное. Подробнее см. раздел "Уровни измерения". Было предложено несколько решений этой проблемы, например, использование нечеткой логики в качестве альтернативы классической модели RPN. В новом руководстве AIAG / VDA FMEA (2019) подход RPN был заменен на AP (приоритет действий). Рабочий лист FMEA сложно создавать, понимать, читать и поддерживать в актуальном состоянии. Начиная с 2010 года, предлагалось использовать методы нейронных сетей для кластеризации и визуализации видов отказов. Альтернативный подход заключается в объединении традиционной таблицы FMEA с набором диаграмм "бабочка". Диаграммы обеспечивают визуализацию цепочек причинно-следственных связей, а таблица FMEA предоставляет подробную информацию о конкретных событиях.

Типы

Функциональные: до разработки проектных решений (или только на высоком уровне) функции могут быть оценены с точки зрения потенциальных последствий функциональных отказов. Общие меры по снижению рисков ("требования к проектированию с учетом") могут быть предложены для ограничения последствий функциональных отказов или снижения вероятности их возникновения на ранней стадии разработки. Такой анализ основывается на функциональном декомпозировании системы и может также применяться для оценки программного обеспечения. Концептуальное проектирование / аппаратная часть: анализ систем или подсистем на ранних стадиях концептуального проектирования для выявления механизмов отказов и отказов функционального уровня, особенно при рассмотрении различных концептуальных решений в деталях. Может использоваться при проведении сравнительных анализов. Детальное проектирование / аппаратная часть: анализ продукции перед началом производства. Это наиболее детальные FMEA (в стандарте MIL 1629 называемые FMEA отдельных компонентов или оборудования), используемые для выявления любых возможных режимов отказа оборудования (или других элементов) до уровня отдельных деталей. Анализ должен основываться на декомпозиции оборудования (например, спецификации – BoM). В рамках данного FMEA может быть полностью проанализирована степень тяжести последствий отказа, меры по предотвращению (смягчению) отказов, а также методы обнаружения и диагностики отказов. Процесс: анализ производственных и сборочных процессов. Неисправности в процессах могут повлиять как на качество, так и на надежность. Входными данными для данного FMEA, в частности, является декомпозиция рабочих процессов / задач.