Hibafaelemzés a hibátlan tervezés érdekében Johanyák Zsolt Csaba A minõségbiztosítás hagyományos módszerei legtöbbször csak a gyártásközi és végellenõrzésre szorítkoznak. Ez azonban nem elégíti ki a termékfejlesztéssel és -elõállítással szemben támasztott követelményeket. Az elvárt hármas optimum (idõ, minõség és költségek) megvalósítása során igen hasznos segédeszköz a hibafaelemzés (FTA - Fault Tree Analysis).. Elõzmények A teljeskörû minõségirányítás keretei között egy termék kifejlesztését és elõállítását különbözõ módszerek és eljárások teszik rendszerezetté. Ezeket általában az ûrhajózás, a hadiipar és az atomenergetika területén dolgozták ki, azaz ott, ahol a minõség fogalma erõsen kapcsolódik a biztonsághoz. Az eljárások kifejlesztésében vezetõ szerepet játszott az amerikai ûripar. A japán ipar átvette ezeket a módszereket, és sikeresen alkalmazta a fogyasztási javak gyártása során, és ezáltal megelõzte versenytársait a termékek minõsége terén. 2. Az elemzés célja A hibafaelemzés során egy feltételezett rendszerhibából (fõ-esemény) indulnak ki, és fokozatosan felderítik azokat az alkotóelem és részrendszer meghibásodási lehetõségeket, melyek az adott esemény bekövetkezéséhez vezetnek. Az áttekinthetõ munkát fastruktúra-szerû grafikus megjelenítés segíti, amit megbízhatósági számításokkal is ki lehet egészíteni. A hibafaelemzés lehetõvé teszi: a fõ-eseményhez vezetõ összes hiba és hibakombináció, valamint ezek okainak azonosítását, a különösen kritikus események és esemény-láncolatok kimutatását, a megbízhatósági számértékek kiszámítását a hibafa ágain végighaladva, a meghibásodási mechanizmusok tiszta és áttekinthetõ dokumentálását. 3. Az elemzés módszere 3.. Modellépítés és jelölés A kiinduló állapot egy n elembõl álló rendszer. A rendszer állapotát a fõ-esemény segítségével írjuk le. A hibafa modellje beazonosítja az összes olyan alkotóelem meghibásodást, mely ezen rendszerállapot kialakulásához vezet. Az alkotóelem meghibásodások három osztályba sorolhatók: elsõdleges hiba, másodlagos hiba, kezelési hiba. Az elsõdleges hiba egy olyan meghibásodás, mely az elõírt mûködési körülmények között áll elõ. Ennek oka az alkotóelem kialakításában vagy anyagtulajdonságaiban rejlik. A másodlagos hiba egy olyan meghibásodás, ami nem megengedett külsõ behatás következtében áll elõ. Ezek lehetnek környezeti feltételek, alkalmazási körülmények, vagy más rendszerelemek hatásai. A kezelési hibát a nem megfelelõ használat okozza.
Johanyák Zsolt Csaba: Hibafaelemzés a hibátlan tervezés érdekében A hibafa ún. bemenetekbõl és ezek kapcsolódási láncolatát leíró jelekbõl áll. A kapcsolódások (kapuk) logikai összefüggéseket fejeznek ki, és a bemenetekbõl egy kimenetet állítanak elõ. Mindez leírható binárisan a 0 (hibátlan) és (hibás) értékekkel, néhány operátor segítségével. Az. táblázatban a leggyakrabban elõforduló jelek és kaputípusok, valamint a kimenõjelet meghatározó szabályok szerepelnek. A hibafák kiépítése alapvetõen ÉS/VAGY kapcsolódások segítségével történik. Név és jel Megjegyzés. táblázat be Magyarázat >= ki be2 A kapuk bemeneteinek és kimeneteinek leírása. A VAGY kapcsolat a logikai egyesítést szolgálja. A kapu több bemenettel is rendelkezhet. ki be & be2 ÉS kapcsolat. A kapu több bemenettel is rendelkezhet. Elsõdleges hiba. 3.2. Rendszerelemzés A rendszerelemzés lehetõséget teremt arra, hogy az egészen bonyolult rendszerekrõl a lehetõ legvalósabb modellt készítsük el. A hibafa felállítása feltételezi a normálisan mûködõ rendszer folyamatainak pontos ismeretét. Az elemzés táblázatos formában egy munkalapon történik (2. táblázat). RENDSZERELEMZÉS FTA Készít ette: Részrendszer neve: Modell: Azn. hidropneumatikus szabályozó HPSzR szám: rendszer 53 2 Változat: 2 Dátum: 97.05.3 Rendszer: gépkocsi Mûködési terület: szintszabályozás. Nyomás létrehozása Részfeladat Elem Megjegyzés. Pumpa hajtása gk. motor pumpa.2 Hidraulikaolaj felszívása olajtartály pumpa A rendszerelemzés három nagy témakörre bontható. 2. táblázat Lap:
3. Az elemzés módszere A rendszer feladata A rendszer feladatának egyértelmû meghatározása érdekében felsoroljuk az összes igényelt funkciót, és hozzárendeljük az ezeket kielégítõ elemekhez. Környezeti feltételek A rendszer az elõírt módon kell mûködjön különbözõ, általa nem befolyásolható környezeti hatások között. A környezet hatásain kívül figyelembe kell még venni a rendszerelemek fizikai és kémiai tulajdonságait. Kapcsolatok és viselkedés A rendszert az alábbi szempontok szerint is meg kell vizsgálni: a rendszerelemek kölcsönhatása a rendszerfeladatok megvalósítása érdekében, a rendszer reakciója a környezeti feltételekre, a rendszer viselkedése belsõ hibák és az erõforrások meghibásodása esetén (pl. áramkimaradás). 3.3. A fõ-események meghatározása Az elemzés során két alapvetõen különbözõ felfogás lehetséges: Megelõzés Ha a hibafaelemzést megelõzés céljából hajtják végre (elsõsorban új rendszer tervezésekor), akkor a nem kívánt események (fõ-események) a rendszer azon lehetséges állapotait jelölik, amikor az nem felel meg az elvárásoknak. Javítás A bekövetkezett rendszer-meghibásodás a fõ-esemény. Helyes leírásához szükséges az ún. problémaelemzés végrehajtása. Ebbõl következik a hibás mûködésre vonatkozó összes információ. 3. táblázat HIBALEHETÕSÉG ELEMZÉS FTA Készítette: Dátum: 97. 05. 3. Részrendszer neve: hidropneumatikus szabályozó Modell: HPSzR Azn. szám: 53 Változat: 2 Lap: rendszer Fõ-esemény gépkocsi kormányozhatatlansága a HPSzR meghibásodása következtében Mûködési szintszabályozás terület Fõ feladat. nyomás létrehozása Részfeladat. hidraulikus rendszer nyomás alatt tartása Elemek Elsõdleges hiba Másodlagos h. Kezelési hiba fõ tároló fõ tároló megh. pumpa pumpa megh. nyomásszabályozó ny. szab. megh. vezeték olajvesztés csõtörés hibás beszerelés anyagfáradás kõfelcsapódás szerelési utasítást nem tartották be 3.4. Az alkotóelemek meghibásodási lehetõségeinek meghatározása 3
Johanyák Zsolt Csaba: Hibafaelemzés a hibátlan tervezés érdekében A modellben figyelembe vett összes alkotóelemre le kell vezetni valamennyi meghibásodási lehetõséget. Egy építõ elem különbözõ meghibásodásai különbözõ hatást gyakorolhatnak a fõ-eseményre, így ezek nem összegezhetõk egy kapcsolódási pont (kapu) alatt, hanem azokat a hibafa különbözõ helyeire kell beírni. Elsõ lépésként célszerû ezeket a meghibásodási lehetõségeket egy erre a célra készített ûrlapon összesíteni, külön oszlopban feltüntetve az elsõdleges, másodlagos és kezelési hibákat (3. táblázat). A hibafaelemzés során gyakran hajtanak végre egyszerûsített hibalehetõség elemzést az egyes alkotóelemek meghibásodási lehetõségeinek (bázis-események) rendszerezett felismerése céljából. A gépkocsi kormányozhatatlan & Nyomásvesztés >= A fõtároló A pumpa A nyomásszabályzó A hidraulikaolaj vesztés Gépkocsit nem állítják le >= A forgalom nem teszi lehetõvé a leállást A vezetõ nem veszi figyelembe a jelzõlámpát. ábra. Egy tehergépkocsi hidropneumatikus szabályozó rendszerének (HPSzR) hibafája 3.5. A hibafa elkészítése A jelzõlámpa Egy hibafa felállításának kiindulópontja mindig a fõ-esemény. Elsõ lépésben megvizsgáljuk, hogy a fõesemény leírható-e egyetlen rendszerelem meghibásodásaként. Ilyenkor általában egy VAGY kapu következik három bemenettel (elsõdleges, másodlagos és kezelési hiba). Egyébként meg kell keresnünk azon meghibásodásokat vagy meghibásodás láncolatokat, melyek egyenként vagy valamilyen összhatásra a fõ-eseményt kiválthatják. Ezek megnevezése egy-egy megjegyzés téglalapban történik, majd logikailag összekapcsoljuk õket és megvizsgáljuk, hogy báziseseménnyel van-e dolgunk vagy az adott esemény a vizsgált részrendszer egy alkotóeleme meghibásodása miatt következett-e be. Ilymódon minden hibaeseménybõl egy különálló hibafaág keletkezik. A gyakorlatban az elsõdleges hibákat nem szokták tovább kifejteni [], kivéve ha az FTA-t tisztán okelemzés céljából hajtják végre. Egy adott esemény bekövetkezésének okai között nincs mindig jelen mindhárom hibatípus. Egy hibafaág teljes kidolgozása (. ábra) után áttérhetünk a következõ ágra, és ezt hasonlóan folytatjuk a többi ág esetében is. A hibafa kidolgozása után az elemzés céljától függõen következik a rendszerhibák és hibaláncolatok minõségi és/vagy mennyiségi kiértékelése. Viszonylag egyszerû esetekben a kiértékelés kézzel papíron is történhet, azonban a bonyolultabb hibafák számítógép alkalmazását igénylik. 4
3.6. A hibafa minõségi kiértékelése 3. Az elemzés módszere Az elemzés következetes végrehajtása esetén a hibafa tartalmazza az összes olyan meghibásodást és láncolatot, amely a fõ-eseményhez vezet. Az eredményeknek csak az alkalmazók ismeretszintje és gondossága szab korlátot. Megbízhatósági mérõszámok nélkül is levonhatunk következtetéseket a rendszer megbízhatóságára vonatkozóan. Ennek egyik módja a kritikus (minimális) láncok megkeresése. A minimális lánc egy olyan hibakombináció, mely a lehetõ legkisebb számú meghibásodás mellett egy fõ-esemény bekövetkezését okozza. Ennek alapján meghatározható a hibafa leggyengébb ága. 3.7. A hibafa mennyiségi kiértékelése A rendszerelemekre vonatkozó megbízhatósági mérõszámokból kiindulva kiszámítható a fõ-esemény bekövetkezési valószínûsége, és ezáltal jellemezhetõ a rendszer megbízhatósága. A kiinduló adatokat különbözõ szakkönyvek táblázataiból választhatjuk ki, vagy ennek hiányában gyakorlati tapasztalatok, esetleg laboratóriumi tesztek alapján kell meghatározni. A kiértékelés során vizsgált mennyiségek a következõk lehetnek: rendelkezésre nem állás valószínûsége ( F(t) ), azaz annak a valószínûsége, hogy a vizsgált egység a t idõpontig, rendelkezésre állás valószínûsége ( R(t) ), azaz az F(t) komplemense: ( R(t) = - F(t) ), 4. táblázat Kapu ÉS Rendelkezésre nem állás F = n F i i = VAGY n F = R i i = A bázis-eseményektõl kiindulva, és az egyes kapukban alkalmazva a 4. táblázatban szereplõ összegzési szabályokat, végighaladva az egyes ágakon eljutunk a fõ-eseményhez. Amennyiben az így kapott számértékek eltérnek az elõírt értékektõl, egy érzékenységi elemezés segítségével meg kell keresni azokat a bázis-eseményeket, melyek a legnagyobb befolyást gyakorolják a kedvezõtlen eredményekre. A gyenge pontokat egy listán összegezzük egy fontossági sorrendet felállítva, pl. egy Pareto elemzés segítségével. Ahol rendelkezésre áll a korábbi meghibásodások megakadályozására hozott megelõzõ intézkedések leírása, ott az ún. intézkedés katalógusból gyorsan ki lehet választani a megelõzéshez szükséges teendõket. Amennyiben egy teljesen új esettel állunk szemben, akkor természetesen a szükséges intézkedés kigondolása és gyakorlati hatásának vizsgálata után az adott intézkedést is felveszik a katalógusba. Az intézkedések hatásának lemérése érdekében késõbb újra végre kell hajtani a hibafa mennyiségi kiértékelését. Ha a számítási eredmények megfelelnek az elõírásoknak, akkor az elemzés elérte végsõ célját. 5
Johanyák Zsolt Csaba: Hibafaelemzés a hibátlan tervezés érdekében IRODALOM [] Leist, Ralph : Qualitätsmanagement. Methoden und Werkzeuge zur Planung und Sicherung der Qualität. WEKA-Fachverlag für technische Führungskräfte GmbH, Augsburg, 994. [2] Evans, James: The management and control of quality. West Publishing Company, New-York, 993. 6