FMEA Failure Mode Effect Analysis FTA Fault Tree Analysis Fahrzeugdiagnose

1. Datenbanksysteme und Informationsmanagement
Technische Universität Berlin
http://www.dima.tu-berlin.de/
Failure Mode Effect Analysis
Fault Tree Analysis
Fahrzeugdiagnose
Benjamin Brand

2. Agenda
■ Einführung
■ Failure Mode Effects Analysis
■ Fault Tree Analysis
■ Fahrzeugdiagnose
2

3. Einführung: Problem
■ bei der Bearbeitung eines Projektes
□ Verständigungsprobleme
□ Schnittstellenungenauigkeiten
□ Doppelarbeit
□ arbeitsaufwändige Nacharbeiten
■ nach der Markteinführung
□ Mangelhafte Nachweisbarkeit über Einhaltung von
Verkehrssicherungspflichten (Produkthaftung: Fabrikations- und
Konstruktionspflicht)
□ Reklamationen
Werden Projekte ohne geeignete Qualitätsicherungsverfahren
durchgeführt, so können verschiedene Probleme entstehen…
„
3
Resultat: Fehler!

4. Einführung: Folgen von Fehlern (1)
■ Finanzielle Folgen
□ Rückrufaktionen
□ Kostspielige Fehlerbeseitigung im späten Entwicklungsstadium
■ Existenzielle Folgen
□ Insolvenz
□ Juristische Konsequenzen, Schadensersatzforderungen
■ Rufschädigung
□ Verlust von Kunden, weniger Absatz
Spät oder nicht entdeckte Fehler können Konsequenzen
unterschiedlichen Ausmaßes haben
„
4

5. Einführung: Folgen von Fehlern (2)
Kosten
Fehler sind umso schwerwiegender, je später sie korrigiert werden„
5
Projektdefinition
Projektplanung
Projektdurchführung
Projektkontrolle
Markteinführung
0,1
1
10
100

6. Einführung: Überlegungen
■ Überlegung
□ Welche Fehler können auftreten?
□ …mit welcher Wahrscheinlichkeit?
□ …mit welchen Konsequenzen?
□ Wie können diese vermieden werden?
□ Kann ein bestimmtes Sicherheitsniveau erreicht werden?
□ Umfasst die Projektspezifikation alle Punkte?
□ Ist die Aufwandsabschätzung realistisch?
Eine sorgfältige Planung hilft bei der Vermeidung ungewollter
Konsequenzen und verbessert die Produktqualität
„
6

7. FMEA: Failure Mode Effects Analysis
■ Failure Mode Effects Analysis FMEA
□ FMEA betrachtet präventiv Fehler, deren Ursache und bewertet deren
Risiken bezüglich Auftreten, Bedeutung und Entdeckung
□ DIN-Norm: Analysetechniken für die Funktionsfähigkeit von Systemen -
Verfahren für die Fehlzustandsart- und Auswirkungsanalyse (FMEA)
(IEC 60812:2006); Deutsche Fassung EN 60812:2006
□ Dt. auch „Fehler-Möglichkeits- und Einflussanalyse“
□ oder auch „Auswirkungsanalyse“
Die FMEA ist eine optimale Verfahrensweise zur Unterstützung des
Risikomanagementprozesses und letztendlich der Qualitätssicherung
„
7

8. FMEA: Definition
■ Systematisches, induktives Analyseverfahren
■ zur Ermittlung Fehlzustandsarten
■ deren Ursachen
■ deren Auswirkungen auf das Systemverhalten
□ Verhalten der übergeordneten Baugruppe und des gesamten Systems
oder eines Prozesses
Die FMEA ist ein wichtiges methodisches Instrument und eine
systematische Vorgehensweise, um mögliche Fehler bei der
Entwicklung von Produkten und Prozessen bereits vor ihrer
Entstehung zu erkennen und zu vermeiden. Dabei werden
Fehlermöglichkeiten konsequent strukturiert durch Erkennen,
Bewerten und Vermeiden von Risiken.
„
8
Quelle: EN 60812:2006
Quelle: FG Qualitätswissenschaft TU Berlin

9. FMEA: Gründe
■ Hinterfragung und Bewertung der Planungs- und Entwicklungsgüte
□ Reifegradmonitor & Managementinstrument
■ Fehler werden in der Entwicklungsphase behoben in der sie auftreten
□ geringere Abstell- & Änderungskosten
□ höhere Termintreue
■ Reduzierung der Garantie- & Kulanzkosten
□ Steigerung der Kundenzufriedenheit
Aus der Durchführung einer FMEA kann Nutzen in verschiedener
Hinsicht gezogen werden
„
9
Quelle: FG Qualitätswissenschaft TU Berlin

10. FMEA: Wirtschaftlicher Nutzen
■ Reduzierung von Fehlern in Entwicklung und Fertigung
■ Vermeidung von Fehlentwicklungen und Doppelarbeit
■ Vermeidung von Wiederholungsfehlern
■ Reduzierung von Produktivitätseinbußen
■ Verringerung der Gefahr von Rückrufaktionen
■ Verkürzung der Entwicklungszeit
Die Durchführung einer FMEA ermöglicht kurz- und langfristige
Vorteile
„
10
Quelle: FG Qualitätswissenschaft TU Berlin

11. FMEA: Diskussions- und Kommunikationsinstrument
■ Die interdisziplinäre Teambildung zusammen mit der methodischen
Vorgehensweise ermöglicht eine sehr gute Diskussions- und
Kommunikationsbasis.
■ Alle Teilnehmer werden umfassend über die Risiken informiert.
■ Schnittstellenprobleme können sofort diskutiert werden.
■ Die Methode lenkt den Fokus der Diskussion immer wieder auf die
sachliche Ebene.
■ Die Diskussionsergebnisse werden sofort dokumentiert,
Verantwortlichkeiten inkl. Termine sofort festgelegt.
Eine FMEA bietet eine fördert als Diskussions- und
Kommunikationsgrundlage die Zusammenarbeit
„
11
Quelle: FG Qualitätswissenschaft TU Berlin

12. FMEA: Arten
■ Produkt-FMEA
□ Funktionsorientierte Zusammenhänge des betrachteten Systems mit
Untersuchung bis in die Merkmale der Bauteile
■ Prozess-FMEA
□ welche die ablauforientierten Zusammenhänge zur Herstellung des
betrachteten Systems analysiert.
FMEAs werden in der Regel ab der Konzeptionsphase
von Produkten oder Prozessen eingesetzt und vor Anlauf
der Serienfertigung abgeschlossen
„
12
Quelle: FG Qualitätswissenschaft TU Berlin

13. FMEA: Vorgehen (Planung)
■ Zeitliche Einplanung
□ Setzen von Meilensteinen
■ Personelle Planung
□ Einbeziehen fähiger Experten
Erkennen der möglichen Fehler
Wissen über deren Auswirkungen
Abschätzung der FMECA-Maßzahlen
…
Die FMEA muss bei der Planung eines Projektes mitberücksichtigt
werden
„
13
Quelle: FG Qualitätswissenschaft TU Berlin

14. FMEA: Vorgehen (Systemgrenzen)
■ Festlegen der Systemgrenzen für die Analyse
■ Auswahl eines Teilsystems
■ Beachtung der Systemumwelt
□ „Die Umweltbedingungen des Systems sollten spezifiziert sein, einschließlich der
Umgebungsbedingungen und solcher, die von anderen Systemen in der näheren
Umgebung ausgehen. Das System sollte beschrieben werden bezüglich seiner
Beziehungen, Abhängigkeiten oder Verbindungen mit Hilfs- oder anderen
Systemen und Mensch-Maschine-Schnittstellen.“
Der Umfang des zu untersuchenden Systems oder Teilsystems muss
festgelegt werden
„
14
Quelle: EN 60812:2006

15. FMEA: Vorgehen (Unterteilung) (1)
■ Zerlegung des Gesamtsystems in immer kleinere Strukturen bis hin zu
Einzelkomponenten
■ Geeignete Darstellung der Abhängigkeiten
□ „Die Diagramme sollten alle Reihen- und Redundanzbeziehungen zwischen den
Bestandteilen und die funktionalen Abhängigkeiten zwischen ihnen darstellen.“
■ Vorgehensweise: Bottom Up
Das System muss in viele Einzelteile zerlegt werden„
15
Quelle: EN 60812:2006

16. FMEA: Vorgehen (Unterteilung) (2)
Eine Untergliedrung mit Modul- und Ursachenzusammenhängen
unterstützt die Nachvollziehbarkeit von Fehlern und deren Ursprung
„
16
Quelle: EN 60812:2006

17. FMEA: Ausfallarten
□ Eine Beurteilung muss auf der niedrigsten Detailebene durchgeführt
werden, um alle potentiellen Ausfallarten zu erkennen
□ Können Ausfallarten aufgrund mangelnder Daten oder Erfahrung nur
schlecht eingeschätzt werden, so sollten diese dennoch unbedingt
einbezogen werden
□ „Das Ermitteln von Ausfallarten und, wo nötig, das Festlegen von
Abhilfemaßnahmen im Entwurf, vorbeugende Qualitätssicherungs-maßnahmen
oder Wartungsmaßnahmen, sind von höchster Wichtigkeit. Es ist wichtiger,
Ausfallarten zu ermitteln und, wenn möglich, diese durch Änderungen im Entwurf
zu beseitigen, als deren Eintrittswahrscheinlichkeit zu kennen. Wenn es schwierig
ist, Dringlichkeitsstufen zuzuweisen, kann eine Ausfallbedeutungsanalyse
erforderlich sein.“
Das Erkennen kritischer Systemelemente ist von elementarer
Bedeutung
„
17
Quelle: EN 60812:2006

18. FMEA: Ausfallursachen
■ Je schwerwiegender die Auswirkungen von Ausfallarten sind desto genauer
sollten die Ausfallursachen beschrieben werden
■ Ursachen mit geringen Auswirkungen können ggf. vernachlässigt werden
■ Ursachen können z.B. durch Beobachtungen in Testeinrichtungen ermittelt
werden
Die wahrscheinlichsten Ursachen jeder möglichen Ausfallart sollten
bestimmt und beschrieben werden
„
18
Quelle: EN 60812:2006

19. FMEA: Ausfallwirkungen
■ Auswirkung auf verschiedene Ebenen des Systems
□ „örtliche Auswirkung“ auf das Teil selbst
□ Auswirkung auf das Gesamtsystem oder Teile dessen
■ Auswirkung durch mehrere Einzelkomponenten
□ Wird ein Fehler nur durch den Ausfall mehrerer Komponenten
hervorgerufen (z.B. Redudanz- oder Sicherungssysteme), so muss
auch dies festgehalten werden
Die Folgen jeder Ausfallart auf Betrieb, Funktion oder Zustand eines
Systemelements müssen ermittelt, beurteilt und aufgezeichnet
werden
„
19
Quelle: EN 60812:2006

20. FMEA: Ausfall-Erkennungsmethoden
■ Feststellung durch
□ Einbau von Prüffunktionen in das System selbst
□ Tests vor dem Systembetrieb
□ Prüfungsprozeduren während der Instandhaltung
Es ist wichtig zu wissen, woran man merkt wenn ein Fehler eintritt„
20
Quelle: EN 60812:2006

21. FMEA: FMECA
■ Failure Mode Effects and Criticality Analysis
■ Dt. “Ausfallbedeutungsanalyse”
■ „Die Bestimmung der Kritizität (Bedeutung) bedingt das Hinzufügen eines messbaren
Merkmals für das Ausmaß einer Ausfallartauswirkung.“
■ Drei verschiedene Merkamale werden zu einem Indikator
zusammengefasst
□ O Eintrittswahrscheinlichkeit
□ S Schwere der Auswirkung
□ D Wahrscheinlichkeit der Nichterkennung
Risikoprioritätszahl: RPN= O x S x D
Eine FMEA kann zu einer FMECA erweitert werden, indem man die
Fehler bewertet. Auf diese Weise können die Fehler nach Priorität
behandelt werden.
„
21
Quelle: EN 60812:2006

22. FMEA: Eintrittswahrscheinlichkeit
■ Datenerhebung durch
□ Lebensdauerprüfungen
□ Ausfalldatenbanken
□ Ausfalldaten ähnlicher Einheiten
□ …
Die Eintrittshäufigkeit oder Eintrittswahrscheinlichkeit jeder Ausfallart
sollte bestimmt werden, um die Auswirkung oder die Bedeutung der
Ausfallart angemessen zu beurteilen
„
22
Quelle: EN 60812:2006

23. FMEA: Eintrittswahrscheinlichkeit (Beispiel)
23
Quelle: EN 60812:2006
Quelle: AIAG: Potential Failure Mode and Effects Analysis, FMEA, Third Edition.

24. FMEA: Schwere der Auswirkung
■ Funktion des Systems
■ Auswirkungen auf Benutzer
und Umwelt
Schwere ist eine Bewertung der Bedeutung der Auswirkung einer
Ausfallart auf den Betrieb der Einheit unter Berücksichtigung
verschiedener Faktoren
„
24
■ Funktion des Systems
■ Auswirkungen auf Benutzer
und Umwelt
Quelle: EN 60812:2006

25. FMEA: Schwere (Beispiel Automobilindustrie)
25
■ Funktion des Systems
■ Auswirkungen auf
Benutzer und Umwelt
Quelle: EN 60812:2006

26. FMEA: Erkennungswahrscheinlichkeit
die Wahrscheinlichkeit, dass ein Satz von Prozessüberwachungs-
maßnahmen, der zurzeit eingesetzt wird, in der Lage ist, einen
Ausfall zu erkennen und auszusondern, bevor er dem nachfolgenden
Prozess oder dem endgültigen Produktausstoß übergeben wird.
„
26
Quelle: EN 60812:2006
Quelle: AIAG: Potential Failure Mode and Effects Analysis, FMEA, Third Edition
…

27. FMEA: Risikoakzeptanzbeurteilung
■ Einteilung meist subjektiv
■ Große Unterscheide je nach Industriesektor
■ Kann bereits Endprodukt einer Analyse sein
Eine Kritizitätsmatrik erlaubt einen Überblick über die Auswirkungen
einzelner Ausfälle
„
27
Quelle: EN 60812:2006

28. FMEA: Beispiel Arbeitsblatt
28
Quelle: EN 60812:2006

29. FMEA: Wozu?
■ Informationen aus einer FMEA können die Dringlichkeit aufzeigen für
statistische Prozessregelung, Stichproben- und Inspektionsprüfungen
während Fertigung und Installation und für Qualifikation, Zulassung,
Annahmeprüfungen und Inbetriebnahmeprüfungen. FMEA liefert
wesentliche Informationen für Diagnose- und Instandhaltungsverfahren zur
Aufnahme in Handbücher.
■ Die Forderungen nach einer FMEA entstammen der Notwendigkeit, das
Verhalten der Hardware und ihre Auswirkungen auf den Betrieb des
Systems oder Gerätes zu verstehen.
■ Am Ende des Projektes wird die FMEA zur Prüfung des Entwurfs verwendet
und sie kann für den Nachweis der Konformität eines Systementwurfs mit
geforderten Normen, Vorschriften und Anwenderforderungen erforderlich
sein.
…„
29
Quelle: EN 60812:2006

30. FMEA: Vorteile (Auszug)
■ Vermeiden von teuren Modifikationen durch frühzeitiges Erkennen von
Schwächen im Entwurf
■ Erkennen von Ausfällen mit ernsten Konsequenzen
■ Offenlegen von sicherheits- und hinsichtlich der Produkthaftung
problematischen Gebieten oder von Nicht-Übereinstimmung mit
behördlichen Anforderungen
■ Hinweisen auf die entscheidenden Gebiete, auf die sich Qualitätslenkung,
Prüfung und Überwachung des Fertigungsprozesses konzentrieren sollen
■ Bereitstellen eines Abschlussdokumentes, aus dem hervorgeht, dass dafür
gesorgt wurde (und bis zu welchem Maße), dass der Entwurf die
Spezifikation im Einsatz erfüllen wird. (Dies ist insbesondere für den Fall
der Produkthaftung bedeutend.)
30
Quelle: EN 60812:2006

31. FMEA: Grenzen der FMEA (Auszug)
■ Geeignet zur Analyse von Elementen, die den Ausfall des gesamten
Systems oder einer Hauptfunktion des Systems verursachen
■ Anzahl der zu berücksichtigenden detaillierten Information macht
Anwendung auf komplexe Systeme schwierig
□ Systeme mit vielen Funktionen
□ Mehrfachfunktionen
□ Mehrere Betriebsarten
Nicht alle Beziehungen zwischen einzelnen oder Gruppen von
Ausfallarten oder Ursachen von Ausfallarten können tatsächlich in
einer FMEA dargestellt werden, da die wesentliche Voraussetzung
der Analyse die Unabhängigkeit der Ausfallarten ist
„
31
Quelle: N 60812:2006
Bessere Methoden!
z.B. Fault Tree Analysis

32. Fault Tree Analysis
■ Zweck
□ Ermittlung der logischen Verknüpfungen von Komponenten oder
Teilsystemen, die zu einem unerwünschten Ergebnis beitragen
■ Ziel
□ Systematische Identifizierung aller möglichen Ausfallkombinationen
□ Ermittlung von Zuverlässigkeitsgrößen
z.B. Eintrittshäufigkeit der Ausfallkombinationen, Eintrittshäufigkeit der unerwünschten
Ereignisse oder Nicht-Verfügbarkeit des Systems
Wie häufig passiert es, dass…
Die Methode der Fehlerbaumanalyse ermöglicht es, ein betrachtetes
System in einem Modell abzubilden, das qualitativ und quantitativ im
Hinblick auf das Systemausfallverhalten auswertbar ist.
„
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Quelle: FG Qualitätswissenschaft TU Berlin

33. Fault Tree Analysis
33
Quelle: FG Qualitätswissenschaft TU Berlin
Oder-Verknüpfung
Und-Verknüpfung
Primärereignis
Kommentar
Übertragungseinheit

34. Fahrzeugdiagnose
■ Tritt in einem Fahrzeugmodul ein Fehler auf,
wird dieser über eine hexadezimale
Kennnummer (Diagnostic Trouble Code) in
einem nicht flüchtigen Fehlerspeicher
gespeichert, um später ausgelesen werden
zu können
Im engeren Sinne bedeutet Fahrzeugdiagnose in der
Automobilindustrie die (Diagnose-) Kommunikation zwischen einem
externen Prüfgerät, dem Diagnose-Tester und den einzelnen
Elektronik-Komponenten, den so genannten Steuergeräten, über ein
Diagnoseprotokoll.
„
34
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Fahrzeugdiagnose
Bild: http://www.ankenbrand-online.de

35. Fahrzeugdiagnose: Diagnoseprotokolle
35
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Fahrzeugdiagnose
Hardware Transportprotokoll Diagnoseprotokoll Einsatz bei Anmerkungen
K-Leitung -- KWP1281 Volkswagen AG
veralteter, nicht mehr verwendeter
Standard
K-Leitung -- KWP2000 light Plus Volkswagen AG
veralteter, nicht mehr verwendeter
Standard
CAN TP 1.6, TP 2.0 KWP2000 (ISO 14230) Volkswagen AG
herstellerspezifische Erweiterungen und
Modifikationen
CAN ISO-TP (ISO 15765-2) KWP2000 (ISO 14230) Daimler AG
herstellerspezifische Erweiterungen und
Modifikationen
CAN ISO-TP (ISO 15765-2) UDS (ISO 14229)
Volkswagen AG,
Daimler AG, BMW AG,
Porsche AG
Einsatz unterschiedlicher
Normenversionen und
herstellerspezifische Einschränkungen
CAN ISO-TP (ISO 15765-2) ISO-OBD (ISO 15031)
Volkswagen AG,
Daimler AG, BMW AG,
Porsche AG
CAN BAM und CDMT SAE J1939
Nutzfahrzeuge aller
Hersteller, US
Fahrzeughersteller
Ethernet DoIP (ISO 13400) UDS (ISO 14229) BMW AG

36. Fahrzeugdiagnose: Diagnoseverfahren
■ Verfahren
□ Die elektrische Diagnose, mit einer Überwachung der an den jeweiligen
Steuergeräteanschlüssen verbundenen elektrischen Sensoren oder
Aktoren.
□ Die Plausibilitätsprüfung, durch eine Bewertung von einem oder
mehreren, in einem bestimmten Zusammenhang stehenden Signalen.
Hierbei erfolgt die Bewertung durch einen Vergleich mit im jeweiligen
Steuergerät hinterlegten Sollgrößen, Kennlinien oder Algorithmen.
□ Die Ausfallüberwachung zyklisch eingehender Informationen oder
Signalgrößen, wie z. B. angeschlossene Netzwerke und deren Daten.
□ Aktive Prüfung durch Erzeugen von Prüfimpulsen, welche einmalig oder
zyklisch gesendet werden, und Auswertung der Reaktion des jeweiligen
Sensors oder Aktors.
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Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Fahrzeugdiagnose

37. Fahrzeugdiagnose: typische Fehler
■ elektrische Fehler mit Angabe der Fehlerart, z. B. Unterbrechung (einer
Leitung), Kurzschluss nach Plus oder nach Masse, etc.
■ Ausfall von Aktoren (Stellgliedern)
■ unplausible Signalwerte, z. B. von Sensoren, welche nicht zum aktuellen
Betriebszustand passen
■ Ausfall zyklischer Botschaften über Netzwerk
■ ungültige und unplausible Werte über Netzwerk
■ Hinweise auf durchgeführte Schutzfunktionen, um das Fahrzeug nicht zu
gefährden, z. B. Abschaltung elektrischer Verbraucher zur Vermeidung von
Batterieentladung
■ reguläre Betriebszustände, die die Stabilität eines Systems gefährden, aber
kein eigentlicher Defekt sind, z. B. Reaktion auf Überhitzung
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Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Fahrzeugdiagnose

38. Fahrzeugdiagnose: Zusammenhang QM
■ Qualitätssicherungsmethoden wie die FMEA oder die FTA ermitteln eine
detaillierte Übersicht darüber,
□ welche möglichen Fehler auftreten können
□ wie man diese erkennt
□ was man dagegen tun kann
■ Sie bieten außerdem auch nach der Markteinführung eine Grundlage für die
Notwendigkeit und Art der Durchführung von
□ Routinetests
□ Fehlerbehandlung
Eine möglichst lückenlose Analyse möglicher Fehlerarten ist die
Voraussetzung für die Einrichtung einer geeigneten
Selbstanalysefunktion im Fahrzeug
„
38

39. Fahrzeugdiagnose: Beispiel Werkstatt
□ Das Fahrzeug erkennt Fehler und speichert diesen ab
□ Das Fahrzeug meldet den Fahrer je nach Schwere des Fehlers ein
Problem
□ Ein Mechatroniker liest in der Werkstatt den Fehlercode aus dem
Fehlerspeicher des Fahrzeugs
□ Der Mechatroniker orientiert sich mittels einer geführten Suche
mit Hilfe eines Entscheidungsbaumes
an dessen Verzweigungen er Tests durchführt
die ihn schlussendlich zur Lösung des Problems führen
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Bild oben: autobild.de
Bild unten: bmw.de