DE19713917A1

DE19713917A1 - Verfahren zur Bestimmung von Zuverlässigkeitskennwerten einer technischen Anlage

Info

Publication number: DE19713917A1
Application number: DE19713917A
Authority: DE
Inventors: Silke Dr Draber
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1997-04-04
Publication date: 1998-10-08
Also published as: US6065133A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Zuverlässigkeitstechnik. Sie geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung von Zuverlässigkeitskennwerten ei ner technischen Anlage gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Ein gattungsgemäßes Verfahren wird bereits in den Lecture Notes in Computer Science 1150, Dependable Computing - EDCC - 2, "Dependability Evaluation of a Computing System for Traction Control of Electrical Locomotives", Seite 129-140, Springer Verlag, Oktober 1996, von Silke Draber und Bernhard Escher mann beschrieben.

Zunächst wird für die technische Anlage eine FMEA-Tabelle aufgestellt. Unter FMEA-Tabellen versteht man eine Liste mit den Ausfallarten, Ausfallwahr scheinlichkeiten und Konsequenzen der Ausfälle aller relevanten Bauteile einer Anlage (FMEA = Failure Modes and Effects Analysis). Anhand dieser Angaben ist es möglich, die Zuverlässigkeitskennwerte (z. B. MTTF "mean time to failure") zu berechnen. Angaben, wie eine FMEA-Tabelle erstellt wird, können dem Buch "Qualität und Zuverlässigkeit technischer Systeme" von A. Birolini, Springer- Verlag 1988, 2. Auflage, Seiten 63-66 entnommen werden. Zur Berechnung der Zuverlässigkeitskennwerte werden die erzeugten FMEA-Tabellen in einem nach folgenden Schritt in ein Markov-Modell umgewandelt, anhand dessen die Kenn werte berechnet werden können.

Zuverlässigkeitskennwerte einer technischen Anlage sind für die Auslegung der Anlage von großer Bedeutung. Werden die Zuverlässigkeitskennwerte bereits bei der Entwicklung berücksichtigt und gezielt beeinflußt, so können auf Grund der resultierenden höheren Verfügbarkeit enorme Kosten eingespart werden. So ist es beispielsweise möglich, durch die Analyse der Zuverlässigkeitskennwerte erkannte Schwachstellen der Anlage redundant auszuführen oder zu verstärken. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, FMEA-Tabellen entwicklungsbegleitend auf zustellen und Zuverlässigkeitskennwerte zu berechnen, so daß verschiedene Anlagenkonfigurationen hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit verglichen werden können. Nach dem Stand der Technik würde man für jede Anlagenkonfiguration getrennt eine FMEA-Tabelle erstellen und Zuverlässigkeitskennwerte rechne risch ermitteln müssen, da Ausfallarten, -raten, -wahrscheinlichkeiten und Aus falleffekte von der Anlagenkonfiguration abhängig sind. Dies läßt sich bei einer sehr einfachen Anlage mit nur einer Handvoll von Anlagenkonfigurationen noch bewältigen. In der industriellen Praxis existiert jedoch oft eine nicht mehr über schaubare Anzahl von Konfigurationen der Anlage, die anhand von Zuverlässig keitskennwerten miteinander verglichen werden müssen. Es ergeben sich Hun derte, wenn nicht Tausende von Anlagenkonfigurationen, die ohne Rechnerun terstützung aufzustellen nahezu unmöglich ist, geschweige denn daß für jede dieser Konfigurationen jeweils eine spezifische FMEA-Tabelle aufgestellt werden kann.

Der Arbeitsaufwand wird so groß, daß Fehler kaum zu vermeiden sind. Außer dem zieht eine kleine Änderung an einer Stelle zahlreiche Anpassungen an anderen Stellen mit sich, so daß die Berechnung der Zuverlässigkeitskennwerte sehr unflexibel wird. Insbesondere für eine automatische Berechnung der Zuver lässigkeitskennwerte aller Anlagenkonfigurationen einer technischen Anlage wäre es deshalb wünschenswert, wenn der benötigte Aufwand verringert werden könnte.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung von Zuverlässigkeitskennwerten aller Anlagenkonfigurationen einer technischen Anlage anzugeben, mittels welchem der Arbeitsaufwand auch für komplizierte Anlagen so klein gehalten kann, daß Zuverlässigkeitsanalysen für verschiedene Konfigurationen der Anlage vorgenommen werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, daß zunächst eine einzige FMEA-Tabelle für alle Konfigurationen der Anlage erstellt wird. Die Tabelle weist in ihren Zeilen, d. h. der Beschreibung der Fehler und ihrer Konsequenzen, die von der Anlagenkonfi guration abhängigen Ratenkonstanten, Testperioden, Reparaturzeiten und Aus fallkonsequenzen auf. Dabei wird explizite festgehalten, wie die konfigurations abhängigen Einträge von der jeweiligen Anlagenkonfiguration abhängen. Eine solche FMEA-Tabelle wird im folgenden konfigurationsübergreifende FMEA-Ta belle genannt. Es müssen somit nicht mehr viele spezifische sondern nur noch eine einzige konfigurationsübergreifende FMEA-Tabelle erzeugt werden. Aus dieser Tabelle können in einem weiteren Schritt konfigurationsspezifische, auf eine spezielle Anlagenkonfiguration zugeschnittene FMEA-Tabellen extrahiert werden. Anhand der konfigurationsspezifischen FMEA-Tabellen können nach einer Umwandlung in ein Markov-Modell Zuverlässigkeitskennwerte der Anlage in der bestimmten Konfiguration berechnet werden.

Um das Aufstellen der konfigurationsübergreifenden FMEA-Tabelle zu erleich tern, ist vorteilhaft, die technische Anlage in eine Anzahl von Teilsystemen zu unterteilen. Für diese Teilsysteme werden dann einzelne FMEA-Teiltabellen er zeugt, die zur konfigurationsübergreifenden FMEA-Tabelle zusammengefaßt werden können. Unter globalen Konfigurationen werden im folgenden die Konfi gurationen der gesamten Anlage verstanden, während lokale Konfiguration die Konfiguration der Teilsysteme beschreiben. Jede globale Konfiguration ent spricht einer Kombination von lokalen Konfigurationen. Eine technische Anlage kann sich somit theoretisch in einer nahezu unendlichen Anzahl von globalen Konfigurationen befinden. Viele der theoretisch möglichen globalen Konfigura tionen machen jedoch technisch keinen Sinn, vielmehr stehen die lokalen Konfi guration der Teilsysteme untereinander in einer beschränkten Anzahl von Re geln gehorchenden Wechselbeziehungen. Diese Regeln können in einer Regelba sis notiert werden. Somit kann vor dem Berechnen der Zuverlässigkeitskennwer te anhand der Regelbasis geprüft werden, ob die anstehende globale Konfigura tion überhaupt regelkonform ist. Durch die Verwendung einer Regelbasis kann die Anzahl möglicher globaler Konfigurationen somit drastisch verringert wer den. Dies stellt auch eine Voraussetzung für die anschließende graphische Dar stellung dar, anhand derer die geeignete Konfiguration ausgewählt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung der Extraktion der konfigurationsspe zifischen FMEA-Tabellen aus der konfigurationsübergreifenden FMEA-Tabelle der gesamten Anlage;

Fig. 2 Eine schematische Darstellung der Berechnung und graphischen Dar stellung der Zuverlässigkeitskennwerte anhand von mehreren konfigu rationsspezifischen FMEA-Tabellen.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand einer gasisolierten Schaltan lage realisiert. Die Anlage wird zunächst in Teilsysteme unterteilt und analy siert. Bei den Teilsystemen handelt es sich insbesondere um die Schaltfelder der Anlage, umfassend eine Anzahl von einander zugeordneten Hochspannungs schaltern, die von Sensoren, Aktoren und Stromschienen umgeben sind. Die Da ten für die nach Teilsystemen und Komponenten untergliederten Abschnitte der konfigurationsübergreifenden FMEA-Tabelle werden auf der Grundlage eines sogenannten symptomatischen Modells gewonnen. Ein symptomatisches Modell beschreibt das Verhalten eines technischen Systems im Fehlerfall. Ein sympto matisches Modell erlaubt es, ausgehend vom Fehlerzustand "ok" - d. h. alles in Ordnung - durch verschiedene Fehlerzustände zu schreiten. Die Fehlerzustände entsprechen dabei den möglichen Betriebsarten der gesamten Anlage, wenn ir gendein Bauteil des Teilsystems ausgefallen oder zumindest nur noch einge schränkt verfügbar ist. Im Zustand, in welchem eine Reparatur des Teilsystems notwendig wird, kann z. B. über dementsprechende Reparaturmaßnahmen zum Ausgangszustand "ok" zurückgekehrt werden.

Auf diese Weise wird Teilsystem für Teilsystem verfahren und FMEA-Teil tabellen werden aufgestellt. In einer Teiltabelle werden nur diejenigen Aus fälle behandelt, die das entsprechende Teilsystem betreffen. Konfigurationsein schränkende Regeln werden beim Aufstellen der Tabellen nicht berücksichtigt. Die FMEA-Tabellen sind konfigurationsübergreifend abgefaßt, d. h. alle von der Anlagenkonfiguration abhängigen Werte sind auch konfigurationsabhängig be schrieben. Durch Aneinanderreihen der FMEA-Teiltabellen wird die konfigura tionsübergreifende FMEA-Tabelle für das Gesamtsystem gewonnen. Aus der so erzeugten konfigurationsübergreifenden FMEA-Tabelle (1) kann eine beliebige, einer interessierenden Konfiguration entsprechende, konfigurationsspezifische FMEA-Tabelle (2) extrahiert und in ein Markov-Modell (3) umgewandelt werden (Fig. 1). Anhand der Markov-Modelle (3) werden anschließend verschiedene Zu verlässigkeitskennwerte bestimmt und dargestellt (Fig. 2).

Im Falle der gasisolierten Schaltanlage - wie auch in den meisten industriellen Anwendungsfällen - läßt sich eine Anlagenkonfiguration definieren als Kombi nation von Teilsystemkonfigurationen. Damit ergibt sich die Zahl der Anlagen konfigurationen aus dem Produkt der Zahl der Konfigurationen der Teilsysteme. Ein großer Teil der enorm hohen Anzahl von Anlagenkonfigurationen wäre aber sinnlos, da sich die Anlage in einer entsprechenden Konfiguration gar nicht be finden dürfte.

Somit wird außerdem eine Regelbasis aufgestellt, die an Hand von einzelnen Regeln die gegenseitige Abhängigkeiten unter den Konfigurationen der Teilsy steme aufzeigt. Auf diese Weise kann die riesige Anzahl möglicher Kombinatio nen in einem handhabbaren Rahmen gehalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt also im wesentlichen folgende Schrit te:

- Aufstellen einer konfigurationsübergreifenden FMEA-Tabelle, zusammen gesetzt aus Teiltabellen;
- Extraktion von konfigurationsspezifischen FMEA-Tabellen aus der konfi gurationsübergreifenden FMEA-Tabelle für diejenigen Anlagenkonfigura tionen, die der Regelbasis gehorchen;
- Umwandlung der extrahierten konfigurationsspezifischen FMEA-Tabelle in ein Markov-Modell, Berechnung und Darstellung von Zuverlässigkeits kennwerten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine zuverlässigkeitstechnische Analyse einer technischen Anlage bereits in einem frühen Stadium. Insbesonde re können verschiedene Konfigurationen der Anlage gegeneinander abgewogen werden, und der Einfluß verschiedener Maßnahmen auf die Zuverlässigkeit kann berechnet und dargestellt werden. Insgesamt ermöglicht das erfindungs gemäße Verfahren eine gezielte Planung der technischen Anlage. Dies ist insbe sondere im Hinblick auf die Betriebszuverlässigkeit und die Verfügbarkeit von großem Vorteil und eröffnet ein großes Kosteneinsparungspotential.

Bezugszeichenliste

1

konfigurationsübergreifende FMEA-Tabelle

2

konfigurationsspezifische FMEA-Tabellen

3

Markov-Modell

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von Zuverlässigkeitskennwerten einer technischen Anlage, die sich in einer Vielzahl von Konfigurationen be finden kann, wobei in einem ersten Schritt eine konfigurationsüber greifende FMEA-Tabelle (1) der Anlage, insbesondere umfassend für jede Konfiguration Ausfallarten und Auswirkungen der Ausfälle der Bestandteile der technischen Anlage, erzeugt wird, in einem zweiten Schritt konfigurationsspezifische FMEA-Tabellen (2) aus der konfigu rationsübergreifenden FMEA-Tabelle (1) extrahiert und anhand dieser konfigurationsspezifischen FMEA-Tabellen (2) mittels daraus erzeug ten Markov-Modellen (3) Zuverlässigkeitskennwerte der Anlage be stimmt und dargestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage eine Anzahl von Teilsystemen umfaßt und für jedes Teilsystem eine eigene konfigurationsübergreifende FMEA-Teiltabelle erzeugt wird, die anschließend zur konfigurationsübergreifenden FMEA-Tabelle (1) zusammengefaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konfi gurationsübergreifende FMEA-Teiltabellen anhand einer Regelbasis kombiniert werden, wobei die Regelbasis Wechselbeziehungen zwi schen den Teilsystemen umfaßt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zuverlässigkeitskennwerte in Abhängigkeit der An schaffungskosten der technischen Anlage dargestellt werden.