失效模式、影响及其诊断分析FMEDA
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21
FMEA类型
• 功能FMEA-专注于设计规划阶段的FMEA，经常以功能块 为单位。（经常与产品的FMEA分析相结合，形成系统 FMEA） • 产品FMEA-针对某特定产品的FMEA • 过程FMEA-针对工艺或过程（常用于制造业） • 系统FMEA-针对系统内多个子系统FMEA的集合
11
电子系统的失效模式
• 电子系统有多种失效模式 典型分类为： 危险的失效 安全的失效
12
电子系统的运行模式
• 电子系统有多种运行模式 • 上电停车模式 – 平时掉电、当系统需要停车时上电。 （停车时输出高电平） • 掉电停车模式 – 平时上电运行、当系统需要停车时掉电。 （停车时输出低电平）
参照诊断技术-看门狗计数器
最小允许时间 最大允许时间
合法的信号
非法的信号
44
诊断技术
参照诊断
电压、电流、振动….
45
诊断技术
参照诊断技术-信号时序
也可以是软件执行时序
46
诊断技术的可靠性
参照诊断技术-多重测试 肯定性测试结果——对故障进行指示
13
多种失效模式的后果
对一个掉电停车系统而言
出现故障时，系统输出开路
出现故障时，系统输出短路
14
掉电安全系统的故障-安全
当没有停车要求时① 结果：系统将导致 误停车⑤
离散输入 输入电路出现故障， 当传感器信号正常时， PLC却无法读取前级输入②
37
FMEA要点
• 细心地列出所有的元件 • 细心地列出所有的失效模式 • 逐一对元件进行辨识 • 对于非关键性的失效模式，不必太在意其成因，列出成因 的目的在于寻找消除或者降低该模式产生的可能性 • 应该以小组为单位来完成和审核FMEA结果
38
失效率
时间 浴盆曲线
6
常数失效率 • R(t)=е-λt • F(t)=1- е -λt • λ(t)=λ • MTTF=1/λ
7
常数失效率
概 率
生命周期
8
常数失效率
9
28
FMEA作用
• FMEA可以促进生产工艺的改进
改进设计 改进诊断措施 制定或修改运行约束条件
• FMEA往往始于以概念上的设计，直至具体设计 完成。 • FMEA结果所提出的改进意见体现了其价值
29
FMEA示例
冷却水 VALVE1
2
可靠性/安全工程术语
• 可靠概率R( t )：也叫可靠度、可靠函数；是指产品在规定 的条件下，在规定的时间内，产品完成规定功能的概率。 它是时间的函数。当 t =0的时候，R(0)=1；当 t =∞的时 候，R(∞)=0。 • R( t )= P(T> t ) 注：P( t )为成功几率,T为发生失效的时刻 • 累积失效概率 -也叫不可靠度；是指产品在规定的条件 下，在规定的时间内，产品不能完成规定功能的概率。它 也是时间的函数。 • F( t )= P(T<=t ) • 可靠概率与累积失效概率之间的关系：R( t )=1-F( t )
24
产品/系统FMEA目的
• 为了评估（子）系统的安全性 • 为了确定那些不能接受的失效模式 • 为了确定必要的设计变更 • 为了制定（子）系统的维护计划 • 为了加深对（子）系统运作机理的理解
25
FMEA的发展史
• 始于1960s年代，用于确定的“民兵”火箭失效模式的一种 基础方法 • 1970s-发展成为美军标MIL-STD 1629/1629A • 经过改良后被广泛用于汽车工业，成为了SAE标准 • 被众多的可靠性工程从业者所使用
FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列3 列出设备 在系统中的功能
33
FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列4 逐一列出所有 设备的失效模式
34
FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列5 逐一列出所有 设备的失效模式的成因
41
诊断技术
• 参照诊断
看门狗计数器 已知的电压、电流 已知的振动级、声级 已知的信号序列 算法、校验和、CRC
• 对比诊断
比较两种信号
42
诊断技术
参照诊断技术-看门狗计数器
周期性信号
43
诊断技术
FMEA的局限性
• 一次仅检查系统中的一个部件，未考虑部件的组合失效 • 存在未知的失效模式 • 未曾考虑维护和运行中的问题 • 整个过程过于沉闷 • 一般未考虑系统（软件）的失效
39
Failure Mode Effect Diagnostic Analysis
26
FMEA标准
• MIL STD 1629/1629A • IEC 812,1985 • SAE J1739 FMEA
27
FMEA步骤
• 定义假定条件与系统运行环境 • 定义失效（针对每一种运行模式） • 列出所有的元件 • 针对每一个元件，列出所有已知的失效模式 • 针对每一个元件/失效模式，列出其成因以及对上层（子） 系统的影响 • 列出影响的危害性和严重性
诊断结果为真
诊断结果为假
发生故障未检测到 （0.01）
如何降低误停车率（即未出现故障但发生诊断误报）？
48
提高诊断技术可靠性的办法
参照诊断——多重测试必要性 肯定性测试结果—结果为真
（0.99）3
（0.1）3
诊断结果为假
（0.01）3
常数失效率逼近
10
E/E/PES系统的失效特征
• • • • • 电子系统的失效模式 电子系统的运行模式 失效模式导致的故障现象 掉电安全系统的故障-安全 掉电安全系统的故障-危险
• 电子系统的可靠性参数 • 可用性、PFS、PFD之间的关系 • 对安全系统的最优期望
发生故障 发生故障并检测到 未发生故障 未出现故障 但发生了误报
诊断结果为真
诊断结果为假
发生故障未检测到
未发生故障 未出现误报
47
诊断技术的可靠性
肯定性测试结果——对故障进行指示
发生故障 发生故障并检测到 （0.99） 未发生故障 未出现故障 但发生了误报 （0.1） 未发生故障 未出现误报 （0.9）
4
可靠性/安全工程术语
• 平均无故障工作时间MTBF：Mean Time Between Failures，指产品两次故障间的时间平均值，也就是平均故 障间隔时间。这是针对可维修产品而言的。 • MTBF=MTTF+MTTR
5
实际失效率分布
17
可用性、PFS、PFD之间的关系
① 可靠性 可用性 ②
③ 正常运行 非正常运行
18
对安全系统的最优期望
① 可靠性 可用性 ②
③ 正常运行 非正常运行
期望目标是什么？低PFD，高RRF
19
Failure Mode Effects Analysis
失效模式、影响及其诊断分析 方法与示例
FMEDA Methodology & Application
1
内容
• 可靠性/安全工程术语 • E/E/PES系统的失效特征 • FMEA介绍与示例 • FMEDA介绍与示例 • 采用《FMEDA enforcer》进行示例分析演示
（0.9）3
执行三次诊断后再进行结果决策
49
多重测试下的诊断可靠性改善
• • • • • • • • • • • FMEA定义 FMEA分类 FMEA输入数据 FMEA目标 FMEA发展史 FMEA相关标准 FMEA步骤 FMEA作用 FMEA示例 FMEA要点 FMEA局限性
20
FMEA定义
• FMEA是对系统、子系统、工艺过程、设计或功能的结构 化的、量化的分析 • FMEA的目的：对系统运行过程中潜在的故障的成因、影 响进行辨识 • 什么是故障、无故障运行的定义是什么？系统会出现哪些 故障？ • 上述故障的原因是什么？
22
产品/系统FMEA输入数据
• • • • • • • • 系统、子系统、设备或部件图 设计描述 更改明细 原理图 功能块图 设计说明与参数需求 失效率数据 工作应力数据
23
产品/系统FMEA目的
• 确定设备构成元件所有可能的失效模式会对（子）系统构 成怎么样的影响 • 为什么要做这项工作呢？
35
FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列6 逐一列出所有 设备的失效模式对当前级系统的影响
36
FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列7 逐一列出所有 设备的失效模式对上层系统的影响 or 危害严重性 列8 逐一列出所有设备的失效模式的失效率 列9 备注
• • • • • • • • FMEDA定义 诊断 诊断技术 诊断可靠性 FMEDA步骤 FMEDA失效分类 FMEDA示例-普通PES输入电路 FMEDA示例-安全分级PES输入电路
40
FMEDA定义
• FMEDA是一种FMEA，是考虑了在线检测自诊断 功能的FMEA • FMEDA常用于计算SIS的安全失效分数
硬切换开关
若PLC未检测到此故障，仍然 处于输出闭合状态，系统不会 停车，进入危险状态④
16
电子系统的可靠性参数
• PFD-要求时的危险失效率 • PFS-系统安全失效率 • PFDavg-要求时的平均危险失效率 • RRF-风险降低因子，RRF=1/PFDavg • MTTFS-平均无安全故障时间（其倒数为误停车率） • MTTFD-平均无危险故障时间
硬切换开关
若PLC检测到此故障并将输出 PLC无法取正常输入信号（逻辑1）， 电路开路，系统将导入安全状 无法进行逻辑运算， 因此无法产生正确的逻辑输出信号（逻辑1）③ 态④
15
掉电安全系统的故障-危险
当安全功能需要停车时① 结果：系统将无法 响应停车要求⑤
离散输入 输入电路出现故障， 当传感器信号正常时， PLC却无法读取前级输入② PLC无法读取表示危险的逻辑0输入信号， 无法进行逻辑运算， 因此无法产生正确的逻辑0输出信号③
冷却回水
冷却夹套 供电
FMEA示例：冷却系统
30
FMEA示例-依据FMEA 1629A
31
FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列1 设备名称 列2 设备编号 列1与列2必须 组成系统内设备的唯一性标示
32
3
可靠性/安全工程术语
• 失效率：也叫瞬时失效率λ(t)，是指在t时刻，尚未失效的 产品，在该时刻后的单位时间内发生失效的概率。 • 平均失效前时间MTTF：Mean Time To Failure，指产品从 开始投入工作，至产品失效的时间平均值。也就是不可维 修的产品的平均寿命。 • 平均修复时间MTTR：Mean Time To Repair，就是从出现 故障到恢复中间的这段时间。MTTR越短表示易恢复性越 好。
FMEA类型
• 功能FMEA-专注于设计规划阶段的FMEA，经常以功能块 为单位。（经常与产品的FMEA分析相结合，形成系统 FMEA） • 产品FMEA-针对某特定产品的FMEA • 过程FMEA-针对工艺或过程（常用于制造业） • 系统FMEA-针对系统内多个子系统FMEA的集合
11
电子系统的失效模式
• 电子系统有多种失效模式 典型分类为： 危险的失效 安全的失效
12
电子系统的运行模式
• 电子系统有多种运行模式 • 上电停车模式 – 平时掉电、当系统需要停车时上电。 （停车时输出高电平） • 掉电停车模式 – 平时上电运行、当系统需要停车时掉电。 （停车时输出低电平）
参照诊断技术-看门狗计数器
最小允许时间 最大允许时间
合法的信号
非法的信号
44
诊断技术
参照诊断
电压、电流、振动….
45
诊断技术
参照诊断技术-信号时序
也可以是软件执行时序
46
诊断技术的可靠性
参照诊断技术-多重测试 肯定性测试结果——对故障进行指示
13
多种失效模式的后果
对一个掉电停车系统而言
出现故障时，系统输出开路
出现故障时，系统输出短路
14
掉电安全系统的故障-安全
当没有停车要求时① 结果：系统将导致 误停车⑤
离散输入 输入电路出现故障， 当传感器信号正常时， PLC却无法读取前级输入②
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FMEA要点
• 细心地列出所有的元件 • 细心地列出所有的失效模式 • 逐一对元件进行辨识 • 对于非关键性的失效模式，不必太在意其成因，列出成因 的目的在于寻找消除或者降低该模式产生的可能性 • 应该以小组为单位来完成和审核FMEA结果
38
失效率
时间 浴盆曲线
6
常数失效率 • R(t)=е-λt • F(t)=1- е -λt • λ(t)=λ • MTTF=1/λ
7
常数失效率
概 率
生命周期
8
常数失效率
9
28
FMEA作用
• FMEA可以促进生产工艺的改进
改进设计 改进诊断措施 制定或修改运行约束条件
• FMEA往往始于以概念上的设计，直至具体设计 完成。 • FMEA结果所提出的改进意见体现了其价值
29
FMEA示例
冷却水 VALVE1
2
可靠性/安全工程术语
• 可靠概率R( t )：也叫可靠度、可靠函数；是指产品在规定 的条件下，在规定的时间内，产品完成规定功能的概率。 它是时间的函数。当 t =0的时候，R(0)=1；当 t =∞的时 候，R(∞)=0。 • R( t )= P(T> t ) 注：P( t )为成功几率,T为发生失效的时刻 • 累积失效概率 -也叫不可靠度；是指产品在规定的条件 下，在规定的时间内，产品不能完成规定功能的概率。它 也是时间的函数。 • F( t )= P(T<=t ) • 可靠概率与累积失效概率之间的关系：R( t )=1-F( t )
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产品/系统FMEA目的
• 为了评估（子）系统的安全性 • 为了确定那些不能接受的失效模式 • 为了确定必要的设计变更 • 为了制定（子）系统的维护计划 • 为了加深对（子）系统运作机理的理解
25
FMEA的发展史
• 始于1960s年代，用于确定的“民兵”火箭失效模式的一种 基础方法 • 1970s-发展成为美军标MIL-STD 1629/1629A • 经过改良后被广泛用于汽车工业，成为了SAE标准 • 被众多的可靠性工程从业者所使用
FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列3 列出设备 在系统中的功能
33
FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列4 逐一列出所有 设备的失效模式
34
FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列5 逐一列出所有 设备的失效模式的成因
41
诊断技术
• 参照诊断
看门狗计数器 已知的电压、电流 已知的振动级、声级 已知的信号序列 算法、校验和、CRC
• 对比诊断
比较两种信号
42
诊断技术
参照诊断技术-看门狗计数器
周期性信号
43
诊断技术
FMEA的局限性
• 一次仅检查系统中的一个部件，未考虑部件的组合失效 • 存在未知的失效模式 • 未曾考虑维护和运行中的问题 • 整个过程过于沉闷 • 一般未考虑系统（软件）的失效
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Failure Mode Effect Diagnostic Analysis
26
FMEA标准
• MIL STD 1629/1629A • IEC 812,1985 • SAE J1739 FMEA
27
FMEA步骤
• 定义假定条件与系统运行环境 • 定义失效（针对每一种运行模式） • 列出所有的元件 • 针对每一个元件，列出所有已知的失效模式 • 针对每一个元件/失效模式，列出其成因以及对上层（子） 系统的影响 • 列出影响的危害性和严重性
诊断结果为真
诊断结果为假
发生故障未检测到 （0.01）
如何降低误停车率（即未出现故障但发生诊断误报）？
48
提高诊断技术可靠性的办法
参照诊断——多重测试必要性 肯定性测试结果—结果为真
（0.99）3
（0.1）3
诊断结果为假
（0.01）3
常数失效率逼近
10
E/E/PES系统的失效特征
• • • • • 电子系统的失效模式 电子系统的运行模式 失效模式导致的故障现象 掉电安全系统的故障-安全 掉电安全系统的故障-危险
• 电子系统的可靠性参数 • 可用性、PFS、PFD之间的关系 • 对安全系统的最优期望
发生故障 发生故障并检测到 未发生故障 未出现故障 但发生了误报
诊断结果为真
诊断结果为假
发生故障未检测到
未发生故障 未出现误报
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诊断技术的可靠性
肯定性测试结果——对故障进行指示
发生故障 发生故障并检测到 （0.99） 未发生故障 未出现故障 但发生了误报 （0.1） 未发生故障 未出现误报 （0.9）
4
可靠性/安全工程术语
• 平均无故障工作时间MTBF：Mean Time Between Failures，指产品两次故障间的时间平均值，也就是平均故 障间隔时间。这是针对可维修产品而言的。 • MTBF=MTTF+MTTR
5
实际失效率分布
17
可用性、PFS、PFD之间的关系
① 可靠性 可用性 ②
③ 正常运行 非正常运行
18
对安全系统的最优期望
① 可靠性 可用性 ②
③ 正常运行 非正常运行
期望目标是什么？低PFD，高RRF
19
Failure Mode Effects Analysis
失效模式、影响及其诊断分析 方法与示例
FMEDA Methodology & Application
1
内容
• 可靠性/安全工程术语 • E/E/PES系统的失效特征 • FMEA介绍与示例 • FMEDA介绍与示例 • 采用《FMEDA enforcer》进行示例分析演示
（0.9）3
执行三次诊断后再进行结果决策
49
多重测试下的诊断可靠性改善
• • • • • • • • • • • FMEA定义 FMEA分类 FMEA输入数据 FMEA目标 FMEA发展史 FMEA相关标准 FMEA步骤 FMEA作用 FMEA示例 FMEA要点 FMEA局限性
20
FMEA定义
• FMEA是对系统、子系统、工艺过程、设计或功能的结构 化的、量化的分析 • FMEA的目的：对系统运行过程中潜在的故障的成因、影 响进行辨识 • 什么是故障、无故障运行的定义是什么？系统会出现哪些 故障？ • 上述故障的原因是什么？
22
产品/系统FMEA输入数据
• • • • • • • • 系统、子系统、设备或部件图 设计描述 更改明细 原理图 功能块图 设计说明与参数需求 失效率数据 工作应力数据
23
产品/系统FMEA目的
• 确定设备构成元件所有可能的失效模式会对（子）系统构 成怎么样的影响 • 为什么要做这项工作呢？
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FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列6 逐一列出所有 设备的失效模式对当前级系统的影响
36
FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列7 逐一列出所有 设备的失效模式对上层系统的影响 or 危害严重性 列8 逐一列出所有设备的失效模式的失效率 列9 备注
• • • • • • • • FMEDA定义 诊断 诊断技术 诊断可靠性 FMEDA步骤 FMEDA失效分类 FMEDA示例-普通PES输入电路 FMEDA示例-安全分级PES输入电路
40
FMEDA定义
• FMEDA是一种FMEA，是考虑了在线检测自诊断 功能的FMEA • FMEDA常用于计算SIS的安全失效分数
硬切换开关
若PLC未检测到此故障，仍然 处于输出闭合状态，系统不会 停车，进入危险状态④
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电子系统的可靠性参数
• PFD-要求时的危险失效率 • PFS-系统安全失效率 • PFDavg-要求时的平均危险失效率 • RRF-风险降低因子，RRF=1/PFDavg • MTTFS-平均无安全故障时间（其倒数为误停车率） • MTTFD-平均无危险故障时间
硬切换开关
若PLC检测到此故障并将输出 PLC无法取正常输入信号（逻辑1）， 电路开路，系统将导入安全状 无法进行逻辑运算， 因此无法产生正确的逻辑输出信号（逻辑1）③ 态④
15
掉电安全系统的故障-危险
当安全功能需要停车时① 结果：系统将无法 响应停车要求⑤
离散输入 输入电路出现故障， 当传感器信号正常时， PLC却无法读取前级输入② PLC无法读取表示危险的逻辑0输入信号， 无法进行逻辑运算， 因此无法产生正确的逻辑0输出信号③
冷却回水
冷却夹套 供电
FMEA示例：冷却系统
30
FMEA示例-依据FMEA 1629A
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FMEA示例-依据FMEA 1629A
• 格式： 列1 设备名称 列2 设备编号 列1与列2必须 组成系统内设备的唯一性标示
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可靠性/安全工程术语
• 失效率：也叫瞬时失效率λ(t)，是指在t时刻，尚未失效的 产品，在该时刻后的单位时间内发生失效的概率。 • 平均失效前时间MTTF：Mean Time To Failure，指产品从 开始投入工作，至产品失效的时间平均值。也就是不可维 修的产品的平均寿命。 • 平均修复时间MTTR：Mean Time To Repair，就是从出现 故障到恢复中间的这段时间。MTTR越短表示易恢复性越 好。