Qualitätsmethode - FTA - Qualitative Fehler-Zustands-Baum-Analyse


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Logikanalyse

Gemäß EN 61025

  • Logische Untersuchung des Systems 
  • Grundlage: Modellierung durch die man eine Fehlzustandsbaumdarstellung der funktionalen und strukturellen Architektur des Systems erhält 
  • Untersuchung
    • Bewertung der Fehlzustandsbaumstruktur durch Vergleich mit vorliegenden 
    • Informationen (schematische Darstellungen, Zeichnungen, Funktionsdiagramm,...) • Boolesche Reduktion 
    • Bewertung der Auswirkungen von gemeinsamen Ereignissen 
    • Hilfreich, wenn identische Ereignisse in unterschiedlichen Zweigen auftreten 
    • Anwendung möglich, wenn das Auftreten des Hauptereignisses vom zeitlichen Ablauf unabhängig ist 
  • Ermittlung von Minimalschnitten

Allgemeines

  • Identifizierung von Systemschwachstellen zur gezielten Optimierung 
  • Keine numerische Einschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit 
  • Bewertung der Eintrittswahrscheinlichkeit der Primärereignisse: 
    • Äußerst wahrscheinlich 
    • Sehr wahrscheinlich 
    • Durchschnittlich wahrscheinlich 
    • Kaum wahrscheinlich
  • Ziel: Ermittlung von Minimal Cut Sets (MCS, Minimalschnitt) 
  • Cut Set = Gruppen von primären Ereignissen, deren Kombination bzw. gemeinsames Eintreten genügt, um das TOP Ereignis auszulöse 
    • Bewertung der Fehlerrate (semi-quantitative Analyse)
      Klassenbildung für Fehlerraten kann eine erste quantitative Schätzung untestützen 
  • Beispiel: 
    • kleine Fehlerrate  1 Fit 
    • typische Fehlerrate  10 Fit 
    • moderat erhöhte Fehlerrate  50 Fit 
    • erhöhte Fehlerrate 100 Fit 
  • Minimalschnitt 
    • Minimalschnitt = kleinste Ereignismenge, die für den Eintritt des Hauptereignisses erforderlich ist. 
    • Ausfallkombinationen, die keine anderen Ausfallkombinationen mehr enthalten Minimalschnitt 1.Ordnung (einelementig) = Single Point Failure 
  • Der Ausfall einer Komponente genügt, um die Systemgefährdung zu verursachen

Ausfallarten

  • Common Cause und Common Mode Failure 
    • Abschätzung von Common Cause und Common Mode Ausfällen durch qualitative Analyse möglich 
  • Common Cause Failure (CCF) 
    • Ausfälle aufgrund gemeinsamer Ursache 
    • Ausfälle verschiedener Einheiten aufgrund eines einzelnen Ereignisses, wobei sich diese Ausfälle nicht gegenseitig beeinflussen 
  • Common Mode Failure (CMF) 
    • Gleichartige Ausfälle 
    • Ausfälle von Einheiten, die durch den gleichen Ablauf gekennzeichnet sind 
    • Können unterschiedliche Ursachen haben 
    • Z.B. Kaskadenfehler 

Bestimmung des Beta-Faktors z. B. über Check listen wie in der IEC 61508 (Werte für ß meist zwischen 0,01 bis 0,3 - gemeinsame Ressourcen, Diversität, gemeinsame CCF-Ursachen)

Ziele

  • Identifikation sämtlicher Ausfallarten und Ausfallursachen 
  • Festhalten aller kritischer Ereignisse und Ereigniskombinationen 
  • Lokalisierung von Schwachstellen 
  • Erstellung objektiver Beurteilungskriterien 
  • Dokumentation 
  • Beherrschbarkeit der Komplexität

Analyseschritte

Nach EN 61025-2007 sind mindestens die folgenden Analyseschritte durchzuführen: 

  • Festlegung des Untersuchungsziels 
  • Vertraut machen mit dem Konstruktionsentwurf, den Funktionen und der Arbeitsweise des Systems 
  • Festlegung der Hauptereignisse 
  • Konstruktion des Fehlzustandsbaums 
  • Untersuchung des logischen Aufbaus des Fehlzustandsbaums 
  • Bericht über die Ergebnisse der Untersuchung 
  • Bewertung der Zuverlässigkeitsverbesserungen und der eingegangenen Kompromisse

1. Analyse des Systems = Systemdefinition

Ziel: 

  • Wirkungsweise des Systems deutlich zu machen 
  • Wechselwirkung über Schnittstellen mit der Umwelt zu ermitteln 
  • Abhängigkeiten innerhalb des Systems zu ermitteln 
  • Top-Ereignis wird festlegt 
  • Wirkungsweise des Systems über Zusammenhang zwischen Anforderungen und Funktionen bestimmen: 
  • Darlegen der Anforderungen (Funktion, Leistung, Qualität,...) 
  • Aufzeigen der Funktionalität und Zuordnung einzelner Funktionen zu Komponenten 
  • Durchgängigkeit zwischen Anforderungen, Funktionen und Komponente 
    herstellen über Lastenheft, Konstruktionsplan, etc. 
  • Berücksichtigung der Umgebung
    • Identifikation relevanter Umgebungseinflüsse (Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration,...) 
    • Eigenschaften der Systemelemente bestimmen (chemisch und physikalisch), die von der Umgebung beeinflusst werden können 
    • Verhaltensabhängigkeiten untersuchen 
    • Zusammenwirken von Systemkomponenten 
  • Reaktion auf Einflüsse der Umgebung und auf Ausfälle externer/interner, mit der System in Verbindung stehender, Komponenten 
    Ansatz: Funktionalität muss immer gewährleistet sein!

Notwendige Informationen über das System gemäß EN 61025:

  • Beschreibung der Systemfunktionen 
  • Benennung der Schnittstellen 
  • Zusammenfassung des Entwicklungsziels 
  • Festlegung des Systemausfalls 
  • Funktionale Struktur des Systems (Blockdiagramm) 
  • Grenzen des Systems (elektr., mechan., betriebl. Schnittstellen) 
  • Mechanischer Aufbau des Systems im Gegensatz zur funktionalen Struktur 
  • Feststellung der Betriebsarten des Systems 
  • Beschreibung der Arbeitsweise des Systems 
  • Betriebsprofil des Systems 
  • Umgebungsbedingungen des Systems 
  • Liste der notwendigen Unterlagen (z.B. Zeichnungen, Pflichtenheft...)

2. Unerwünschte Ereignisse definieren

Vorgehen nach zwei mögliche Ansätze

Präventiver Ansatz: 

  • „Unerwünschten Ereignisse werden von der möglichen Nichterfüllung von Funktionen und Anforderungen abgeleitet.“ 

Korrektiver Ansatz: 

  • „Unerwünschte Ereignisse werden direkt von aufgetretenen Ausfällen bzw. Fehlfunktionen abgeleitet.“ 
  • Unter Berücksichtigung von Kosten und Schadenschwere!

3. Ausfallarten bestimmen

Unterschiedliche Arten von Ausfällen haben unterschiedliche Auswirkungen auf das Top-Event 
Betrachtung verschiedener Arten von Komponentenausfällen: 

  • Primärer Ausfall 
    • Komponentenausfall durch Schwächen bzw. Fehler, die sich schon zu Beginn im System befinden
    • Ausfall bei zulässigen Einsatzbedingungen 
  • Sekundärer Ausfall 
    • Komponentenausfall, der durch die Umgebungsbedingungen oder durch die Einsatzbedingungen eintritt 
    • Ausfall bei unzulässigen Einsatzbedingungen
  • Kommandierter Ausfall 
    • Komponentenausfall einer eigentlich funktionsfähigen Komponente durch eine Fehlbedienung oder Eingabe von falschen oder ungültigen Werten (bei Software)
    • Bedienung- und Wartungsfehler 
    • Absichtliche Fehler

4. Fehlerbaum erstellen

Ermittlung des Top-Ereignis

  • Frage: Ereignis auf Ausfall einer Komponente reduzierbar?
    • Nein: Berücksichtigung aller Einzelausfälle der Komponente = Ursache ermitteln
    • Sofern JA: Eintrag ausgefallener Komponente in Fehlerbaum
  • Frage: Werden die Ausfälle berücksichtigt?
    • Nein: Berücksichtigung aller Einzelausfälle der Komponente = Ursache ermitteln
    • Sofern JA: Fehlerbaum verfollständigt

Common Mode Failure

Ausfall mehrerer gleichartiger Komponenten, die zu einem Schadenereignis führen 

  • Fehler, die nicht durch eine gemeinsame Ursache ausgelöst werden Gleiche Ausfallart 
    • Z. B. Sensor 1 & Sensor 2 fallen aus. Klärung: Hat der Ausfall von Sensor 1 Auswirkungen auf Sensor 2
  • Ausfall mehrerer Komponenten, deren Ursache ein einzelner Ausfall einer anderen Komponente darstellt Gemeinsame Ausfallursache 
    • Ausfälle sind statistisch abhängig voneinander, da sich verschiedene Äste des Fehlerbaums auf dieselbe ausgefallene Komponente beziehen 
    • Z. B. Fehler in der Stromversorgung

5. Qualitative Bewertung

Die Zuverlässigkeit bzw. das Risiko von Ausfällen wird über die graphische Struktur (qualitativ) abgeschätzt 

  • Keine Eingangsdaten für den Fehlerbaum (Ausfallraten) notwendig 
  • Verfahren bzw. Fehlerbaum muss vollständig sein, damit eine qualitative Bewertung zweckmäßig ist 
  • Vollständigkeit bedeutet, dass alle Ereignisse und Ereigniskombinationen in der Fehlerbaumerstellung berücksichtig wurden 

Alle Ereigniskombinationen, die zum Ausfall eines Systems führen, können gefunden werden 
Voraussetzungen hierfür sind: 

  • Konsequente Anwendung der Methode 
  • Sorgfalt des Anwenders 
  • Kenntnisstand der verschiedenen Einflüsse auf das betrachtete System 
  • Eine realistische Fehlerbaumerstellung hängt auch von den Möglichkeiten der Abbildung der kausalen Wirkungskette und seinem funktionalen Ausfallverhalten ab

Qualitative Auswertung – Kritische Pfade

  • Risiken werden bereits ohne Eingangsdaten (z.B. Ausfallarten) ersichtlich
  • Gute Anwendungsmöglichkeit bei einer reinen Ursachenermittlung mit Hilfe der FTA o Auswertung des Gesamtsystems schnell und unkompliziert Zuordenbarkeit der Risiken an die entsprechenden Fachabteilungen möglich
  • Gewonnene Ergebnisse können auf ähnliche Systeme übertragen werden 
  • Qualitative Auswertung – Minimale Schnittmengen 
  • Hierbeiwerden Einzel- oder Mehrfachausfälle untersucht
  • Systemkomponenten werden kombiniert,diezumschnellstenAusfalldesSystemsführen o Schwachstellen in der Verkettung werden deutlich
  • Ein Ergebnis dieser Analyseform bringt, unter Umständen, die Notwendigkeit für ein schnelles agieren mit sich (Hohes Risiko -> z.B. Änderungen des Designs)
  • Risiken werden bereits ohne Eingangsdaten (z.B. Ausfallarten) ersichtlich
  • Gute Anwendungsmöglichkeit bei einer reinen Ursachenermittlung mit Hilfe der FTA o Auswertung des Gesamtsystems schnell und unkompliziert Zuordenbarkeit der Risiken an die entsprechenden Fachabteilungen möglich
  • Gewonnene Ergebnisse können auf ähnliche Systeme übertragen werden 
  • Qualitative Auswertung – Minimale Schnittmengen 
  • Hierbeiwerden Einzel- oder Mehrfachausfälle untersucht
  • Systemkomponenten werden kombiniert,diezumschnellstenAusfalldesSystemsführen o Schwachstellen in der Verkettung werden deutlich
  • Ein Ergebnis dieser Analyseform bringt, unter Umständen, die Notwendigkeit für ein schnelles agieren mit sich (Hohes Risiko -> z.B. Änderungen des Designs)

Ansätze zu Bewertung:

Kritischer Pfad = Kritische Menge bzw. minimale Schnittmenge 

  • Ast des Fehlerbaums, bei dem die Komponentenausfälle nicht durch systemeigene Vermeidungs- bzw. Prüfmechanismen (Diagnose- und Fehlererkennungsmaßnahmen) abgesichert sind oder werden können 
  • Erkenntnisse über Zusammenhänge von Ursache und Wirkung 
  • Ableitung von Näherungen über Risiken und Schwachstellen des Systems 

Kritische Menge – Schwächster Ast = ODER-Verknüpfungen

  • Die kritische Menge ist der Unterbaum eines Fehlerbaums, der die minimale Kombination von Einzelelementen enthält, deren Ausfall zu einem unerwünschten Ereignis führt 
  • Es ist somit eine Aussage über den schwächsten Ast des Fehlerbaums möglich 
  • Schwächster Ast ist die Kombination an Ereignissen, die am ehesten zu einem Ausfall führt 

Kritische Menge – Stärkster Ast = UND Verknüpfungen

  • Ist für einen Unterbaum der schwächste Ast bestimmt worden, so ist es auch möglich, den stärksten Ast des Unterbaums zu bestimmen 
  • Stärkster Ast ist die Kombination an Ereignissen, mit deren Auftreten am ehesten nicht zu rechnen ist und somit ein Ausfall „unrealistischer“ ist 
  • D.h., ein Ausfall über den stärksten Ast wird am wenigsten erwartet

Beurteilung der qualitativen FTA

Vorteile: 

  • Exakte Anpassung an den Untersuchungsgegenstand möglich 
  • Tiefer Informationsgehalt der Auswertung 
  • Ermöglicht die Aufdeckung noch unbekannter Ausfallursachen 
  • Ableitung von Verbesserungsvorschlägen! 

Nachteile: 

  • Aufwendige Auswertung der Ergebnisse 
  • Hohe fachliche Kenntnis der Themenfelder der jeweiligen Äste notwendig 
  • Relativ zeit- und kostenintensiv 
  • Vergleichbarkeit?