Публикация пресс-релизов Поиск по компании
Решения, технологии, стандарты Рынок, отрасль, люди Основы
Отменить подписку Подписка
Производители Системные интеграторы Дистрибьюторы
Продукты месяца Поиск по категории Добавить продукт
Добавить мероприятие
Добавить вакансию Специалисты по АСУ ТП, КИП Специалисты по электротехнике, энергетике Главные инженеры, технологи, электрики Менеджеры по продажам, консультанты, другое
Технические требования Публикация статей Публикация пресс-релизов Media Kit 2014
Перейти:  
 


 

Основы АСУ ТП и КИП - в статьях Ua.Automation.com

FMEA: анализ видов и последствий отказов

FMEA: анализ видов и последствий отказов

Мощный инструмент анализа данных для повышения надежности

Уильям Гобл для InTech

Анализ видов и последствий отказов (от англ.: Failure Mode and Effects Analysis или FMEA) – это специальная техника оценки надежности и безопасности систем, разработанная в 60-х гг. прошлого столетия в США, в рамках программы создания ракеты «Минитмен». Целью ее разработки было обнаружение и устранение технических проблем в сложных системах.

Техника достаточно проста. Виды отказов каждого компонента той или иной системы перечисляются в специальной таблице и документируются – вместе с предполагаемыми последствиями. Метод систематический, эффективный и детальный, хотя иногда и считается затратным по времени, а также, склонным к повторяющимся действиям. Причина эффективности метода в том, что изучается каждый вид отказа каждого отдельного компонента. Ниже приведен пример таблицы, описанный в одном из исходных руководств по применению этого метода, а именно, в MIL-HNBK-1629.

В колонке №1 содержится название исследуемого компонента, в колонке №2 – идентификационный номер компонента (серийный номер или код). Вместе первые две колонки должны уникально идентифицировать исследуемый компонент. Колонка №3 описывает функцию компонента, а колонка №4 – возможные виды отказов. Для каждого вида отказа, как правило, используется одна строчка. Колонка №5 используется для записи причины отказа, в случае, когда это применимо. В колонке №6 описываются последствия каждого отказа. Остальные колонки могут отличаться в зависимости от того, какие версии FMEA применяются.

FMEA позволяет находить проблемы

Популярность метода FMEA росла на протяжении долгих лет, и он смог стать важной частью многих процессов разработки, особенно в автомобильной отрасли. Причиной этого стало то, что метод сумел продемонстрировать свою полезность и эффективность, несмотря на критику. Как бы то ни было, именно во время применения метода FMEA можно часто услышать крик вроде «О, нет», когда становится ясно, что последствия отказа того или иного компонента очень серьезны, и, главное, до этого они оставались незамеченными. Если проблема достаточно серьезна, записываются и корректирующие действия. Конструкция улучшается, для обнаружения, избегания или управления проблемой.

Применение в различных отраслях

Несколько вариантов техники FMEA используются в различных отраслях. В частности, FMEA используется для определения опасностей, которые необходимо учитывать во время проектирования нефтехимических предприятий. Эта техника отлично согласуется с другой хорошо известной техникой – Анализом опасностей и работоспособности (от англ.: Hazard and Operability Study или HAZOP). По сути, обе техники практически одинаковы, и являются вариациями списков компонентов системы в табличной форме. Основная разница между FMEA и HAZOP состоит в том, что HAZOP использует ключевые слова, чтобы помогать сотрудникам идентифицировать отклонения от нормы, в то время как FMEA основан на известных видах отказа оборудования.

Вариантом техники FMEA, используемой для анализа систем управления, является техника Анализа опасностей и работоспособности систем управления (англ.: Control Hazards and Operability Analysis или CHAZOP). В списке приведены известные виды отказов компонентов систем управления, таких как системы управления базовыми процессами, комбинации клапанов и приводов или различные преобразователи, а также записаны последствия этих отказов. Кроме того, приводятся описания корректирующих действий, в случае если отказ ведет к серьезным проблемам.

Пример использования FMEA

 

На этом рисунке схематически изображен упрощенный «реактор» с аварийной системой охлаждения. Система состоит из самотечного резервуара с водой, клапана управления, охлаждающего кожуха вокруг реактора, выключателя с датчиком температуры и источника питания. При нормальном режиме работы выключатель находится в активном (проводящем) положении, поскольку температура реактора находится ниже опасной зоны. Электрический ток проходит от источника через клапан и выключатель, и держит клапан в закрытом положении. Если температура внутри реактора становится слишком высокой, реагирующий на температуру выключатель размыкает цепь, и клапан управления открывается. Охлаждающая вода течет из резервуара, через клапан, затем через охлаждающий кожух и выходит через сток кожуха. Этот поток воды охлаждает реактор, понижая его температуру.

Вам нравится эта статья? Поставьте нам Like! Спасибо :)

Процедура FMEA требует создания таблицы, в которой перечислены все виды отказов для каждого из компонентов системы. Таблица «реактора» ниже служит примером использования техники FMEA, в результате которой идентифицированы критические компоненты, которые следует проверять на предмет необходимости в корректирующих действиях.

Создатель системы – несложного реактора в нашем случае – может рассмотреть возможность последовательной установки 2 выключателей, чувствительных к температуре. Можно использовать интеллектуальный преобразователь, соответствующий стандарту IEC 61508, и обладающей функцией автоматической диагностики и выходным сигналом. Сертифицированный преобразователь существенно упростит процедуру проверки, необходимую для обнаружения неисправностей. Наряду с одним стоком, можно установить второй, таким образом, засор одного из них не приведет к критическому отказу системы. Уровнемер в резервуаре может сообщить о недостаточном уровне воды. Возможно множество других изменений и усовершенствований в конструкции для предотвращения поломок.

Часть II

Эволюция метода FMEA

Метод FMEA был расширен в 70-х гг., и включил полуколичественные оценки (число от 1 до 10) серьезности, частоты происхождения и обнаружения отказов. К таблице добавили 5 колонок. Три колонки включили рейтинги, а четвертая – номер приоритета риска (от англ.: risk priority number  или RPN), получаемый умножением трех чисел. Этот расширенный метод получил название «Анализ видов, последствий и критичности отказов» (от англ.: Failure Modes, Effects and Criticality Analysis или FMECA). Пример таблицы с результатами анализа FMECA по «простому реактору» показан ниже.

Техники FMEA продолжали эволюционировать. Некоторые из более поздних вариаций могут быть использованы не только для проектирования, но и для технологических процессов. Аналогично списку компонентов, создается список этапов процесса. Каждый шаг сопровождается описанием всех вариантов неправильного протекания процесса, что соответствует описанию возможных отказов того или иного компонента системы. Во всем остальном, эти вариации техники FMEA соответствуют друг другу. В литературе эти методы иногда называют «design FMEA», или DFMEA, и «process FMEA» или PFMEA. «Процессный» FMEA успешно продемонстрировал свою эффективность в обнаружении непредвиденных проблем.

Анализ отказов, их последствий и диагностики

Непрерывно развивающийся метод FMEA, кроме всего прочего, дал жизнь методу «Анализа отказов, их последствий и диагностики» (от англ.: Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis или FMEDA). В конце 80-х гг. возникла необходимость моделировать автоматическую диагностику интеллектуальных устройств. Появилась новая архитектура на рынке контроллеров безопасности под названием «один из двух» с диагностическим выключателем (1oo2D), конкурировавшая с распространенной тогда тройной модульной архитектурой резервирования, называвшейся «два из трех» (2oo3). Поскольку безопасность и готовность новой архитектуры сильно зависели от реализации диагностики, ее количественная оценка стала важным процессом. В FMEDA это реализуется благодаря добавлению дополнительных колонок, показывающих частоту возникновения различных типов отказов и колонку с вероятностью обнаружения для каждой строки анализа. 

Так же как и в случае с FMEA, в технике FMEDA перечисляются все компоненты и виды отказов, а также последствия этих отказов. В таблицу добавляются колонки, в которых перечисляются все варианты отказов системы, вероятность того, что диагностика позволит обнаружить конкретный отказ, а также, количественную оценку вероятности возникновения этого отказа. Когда анализ FMEDA завершается, высчитывается фактор «диагностического покрытия» на основе показателя частоты отказов, средневзвешенном относительно диагностического покрытия всех компонентов.

Показатели частоты отказов и распределения отказов необходимо иметь для каждого компонента, если есть необходимость провести анализ FMEDA. Поэтому требуется база данных компонентов, как видно из рисунка «Процесс FMEDA» (см. выше).

В базе данных компонентов должны быть учтены ключевые переменные, влияющие на уровень отказов компонентов. В число переменных включаются факторы окружающей среды. К счастью, существуют определенные стандарты, позволяющие характеризовать среду в процессных отраслях, благодаря чему можно создавать соответствующие профили. В таблице ниже показаны «Профили окружающей среды для процессных отраслей», взятые из второго издания Electrical and Mechanical Component Reliability Handbook, (www.exida.com).

 

Анализ данных по отказам полевого оборудования в FMEDA

Анализ конструкции может использоваться для создания теоретических баз данных отказов. Тем не менее, точную информацию можно получить, только если показатели частоты отказов компонентов, а также, виды отказов, основаны на данных, собранных на основе исследования реального полевого оборудования. Любая необъяснимая разница между частотами отказа компонентов, высчитанными на основе полевых данных, и на основе FMEDA, должна быть изучена. Иногда требует совершенствования процесс сбора полевых данных. Иногда может потребоваться модернизировать базу данных компонентов, дополнив ее новыми видами отказов и типами компонентов.

К счастью, некоторые сертификационные организации по функциональной безопасности изучают данные об отказах полевого оборудования при оценке большинства продуктов, благодаря чему, являются ценным источником данных о реальных отказах. В рамках некоторых проектов также собираются данные о полевых отказах с помощью конечных заказчиков. После более чем 10 млрд. часов (!) работы различного оборудования, давших огромный объем данных о видах и частоте отказов, собранный в рамках десятков исследований, сложно переоценить ценность базы компонентов FMEDA, особенно в аспекте функциональной безопасности. Итоговые данные FMEDA о продукте, как правило, используются для проверочных вычислений уровня целостности безопасности.

Техника FMEDA может использоваться для того, чтобы оценить эффективность проверочных испытаний различных функций безопасности, позволяющих определить, соответствует ли тот или иной дизайн определенному уровню целостности безопасности.  Любое конкретное проверочное испытание позволяет определить те или иные потенциально опасные отказы – но не все. FMEDA позволяет определить, какие отказы определяются или не определяются проверочными испытаниями. Это реализуется добавлением другой колонки, где оценивается вероятность обнаружения каждого вида отказа компонента в ходе проверочного тестирования. При использовании этого детализированного, систематического метода становится очевидным, что некоторые потенциально опасные виды отказов не обнаруживаются во время проверочного тестирования.

Оборотная сторона медали

Основная проблема при использовании метода FMEA (или любой его вариации) это большие затраты времени. Многие аналитики жалуются на скучный и долгий процесс. Действительно, нужен строгий и сфокусированный куратор, для того, чтобы процесс анализа двигался вперед. Всегда необходимо помнить, что решение проблемы не является частью анализа. Проблемы решаются после того, как анализ будет закончен. Если следовать этим правилам, результатом станут достаточно быстрые улучшения в безопасности и надежности.

ОБ АВТОРЕ

Доктор Уильям Гоббл (William Goble) является главным инженером и директором сертификационной группы по функциональной безопасности в exida, аккредитованном сертификационном органе. Более 40 лет опыта в электронике, разработке ПО и систем безопасности. Ph.D. в области количественного анализа надежности/безопасности систем автоматизации.