Zuverlässigkeitsmanagement

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1 Folienauszüge Zuverlässigkeitsmanagement Steinbeis-Transferzentrum Managementsysteme Marlene-Dietrich-Straße 5, Neu-Ulm Tel.: , Fax: Mail: Internet: 1

2 Zuverlässigkeitsmanagement Zuverlässigkeitsmanagement umfasst planerische, organisatorische, analytische und kontrollierende Maßnahmen im gesamten Produktlebenszyklus zur zielorientierten Steuerung der Zuverlässigkeit der Produkte eines Unternehmens mit der Zielsetzung einer hohen Verfügbarkeit der Produkte für den Kunden. Zuverlässigkeitsmanagement Planung Organisation Analyse Kontrolle Steuerung der Zuverlässigkeit im gesamten Produktlebenszyklus Verfügbarkeit der Produkte für den Kunden 2

3 Einflussfaktoren auf die Verfügbarkeit Funktionsfähigkeit / reliability performance Funktionsfähigkeit ist die Fähigkeit einer Einheit, eine geforderte Funktion unter gegebenen Anwendungsbedingungen für ein gegebenes Zeitintervall zu erfüllen. lnstandhaltbarkeit / maintainability performance Instandhaltbarkeit ist die Fähigkeit einer Einheit, unter gegebenen Anwendungsbedingungen in einem Zustand erhalten bzw. in ihn zurückversetzt werden zu können, in dem sie eine geforderte Funktion erfüllen kann, wobei vorausgesetzt wird, dass die Instandhaltung unter den gegebenen Bedingungen mit den vorgeschriebenen Verfahren und Hilfsmitteln durchgeführt wird lnstandhaltungsbereitschaft / maintenance support performance Instandhaltungsbereitschaft ist die Fähigkeit einer Instandhaltungsorganisation, unter gegebenen Bedingungen bei Bedarf die Mittel bereitzustellen, die für die Instandhaltung einer Einheit unter Beachtung der festgelegten Instandhaltungs- grundsätze erforderlich sind. 3

4 Zielsetzung des Kundens an die Zuverlässigkeit Die Zielsetzungen und Erwartungen des Kunden an die Zuverlässigkeit betreffen keine Lebensdauerprobleme hohe Verfügbarkeit keine Betriebsprobleme geringe gesamte Nutzungskosten hohe Betriebszuverlässigkeit hohe Sicherheit Zusätzlich achtet der Kunde auf hohe Dauerhaftigkeit hoher Gegenwert des finanziellen Aufwandes sicherer Betrieb und Dienstleistung Zusätzlich kann professionelle Kunden interessieren Validierung der Erfüllung der Anforderungen an gekaufte Einheiten Optimierung der Logistik Optimierung des Ersatzteillagers Optimierung der Instandhaltung Instandhaltungsstudien Verfügbarkeitsstudien 4

5 Zielsetzungen des Unternehmens an die Zuverlässigkeit Allgemeine Zielsetzungen Optimierung der Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Instandhaltung und Sicherheit des Produkts über seinen gesamten Lebenszyklus Reduzierung der Forderungen zu Garantien, Gewährleistung oder Produkthaftung Erzielung einer hohen Verfügbarkeit des Produktes für den Kunden Produktspezifische Zielsetzungen Definition der Zuverlässigkeitsziele Vergleich der Zielwerte mit Daten aus der Betriebsbeobachtung Erkennung kritischer Komponenten, z.b. mittels Schwachstellenanalyse Nachweis einer geringen Ausfallwahrscheinlichkeit des Produktes Systemverbesserung durch Vergleich alternativer Systementwürfe mittels Zuverlässigkeitsbewertung Gewinnung von Planungswerten für den Einsatz des Produktes unter ökonomischen sowie Risikoaspekten Aufbau einer Wissensbasis über die Zuverlässigkeitsmerkmale des Produkts Organisatorische Zielsetzungen Einbindung von Methoden und Maßnahmen des Zuverlässigkeitsmanagements in die Organisation Optimierung der Instandhaltungsprozesse Optimierung der Instandhaltungsbereitschaft 5

6 DIN - Normen zum Zuverlässigkeitsmanagement Normen 6

7 Management von Zuverlässigkeit Zuverlässigkeitsmanagementsystem Zuverlässigkeits- programm organisationsorientiert produkt- orientiert Zuverlässigkeitspläne produktspezifisch 7

8 Zuverlässigkeitsmanagementsystem Zuverlässigkeitsmanagementsystem Managementsystem zum Leiten und Lenken einer Organisation bezüglich Zuverlässigkeit Einleitung 1 Anwendungsbereich 2 Normative Verweisungen 3 Begriffe 4 Zuverlässigkeitsmanagementsystem 5 Verantwortung der Leitung 5.1 Managementfunktion für Zuverlässigkeit 5.2 Erfordernisse der Kunden bez. Zuverlässigkeit erfüllen 5.3 Zuverlässigkeitspolitik unter Einbeziehung behördlicher Auflagen 5.4 Zuverlässigkeitsprogramme 5.5 Beauftragter der obersten Leitung 5.6 Bewertung durch das Management 6 Management von Ressourcen 6.1 Bereitstellen von Ressourcen 6.2 Planung, Entwicklung und Pflege von Ressourcen 6.3 Vergabe nach Außen (en: outsourcing) 7 Produktrealisierung 7.1 Planung der Produktrealisierung 7.2 Anpassen von Zuverlässigkeitsprogrammen (en: tailoring) 7.3 Anwendung eines Zuverlässigkeitsplans 7.4 Management von Lieferketten 8 Messung, Analyse und Verbesserung 8.1 Messung der Zuverlässigkeit 8.2 Überwachung und Sicherstellung der Zuverlässigkeit 8.3 Zuverlässigkeitsbewertung und analyse 8.4 Verwendung von Zuverlässigkeitsinformationen 8.5 Ergebnismessung 8.6 Zuverlässigkeitsverbesserung Anhang A (informativ) Zuverlässigkeitsprogrammelemente und -aufgaben zur Anwendung auf Systeme, Hardware und Software Anhang B (informativ) Produktlebenszyklusphasen Anhang C (informativ) Zuordnung von Zuverlässigkeitsprogrammelementen und -aufgaben zu den Produktlebenszyklusphasen, in denen sie anwendbar sind Anhang D (informativ) Prozessschritte und Normen für das Leiten und Lenken der Zuverlässigkeit Anhang E (informativ) Fragen für die Bewertung des Zuverlässigkeitsmanagements Anhang F (informativ) Anleitungen zum Anpassungsprozess Anhang G (informativ) Zuordnung der Zuverlässigkeitsnormen zu den Lebenszyklusphasen, in denen sie anwendbar sind Quelle: EN :2004, Beuth-Verlag 8

9 Zuverlässigkeitsplan Zuverlässigkeitsplan Dokument, in dem die spezifischen Zuverlässigkeitsverfahren, Mittel und Abfolgen von Tätigkeiten, die für ein bestimmtes Produkt, Vertrag oder Projekt von Belang sind, dargelegt sind Zuverlässigkeitsprogramm produktorientierte Festlegungen Konzept und Definition Entwurf und Entwicklung Herstellung Einbau / Installation Betrieb und Instandhaltung Entsorgung produktspezifische Planung und Steuerung Zuverlässigkeitspläne 9

10 Sicherstellung einer produktspezifischen Zuverlässigkeit Konkrete Aufgaben sind zu Sicherstellung einer produktspezifischen Zuverlässigkeit sind Ermittlung und Definition der Zuverlässigkeitsanforderungen an das Produkt Erstellung eines Zuverlässigkeitsplans, der die notwendigen Aufgaben, Ergebnisse und Ressourcen (Zeit, Aufwand, Kosten) für eine bestimmte Produktentwicklung festlegt Zweckmäßige Gliederung des Zuverlässigkeitsplans, z.b. nach den Komponenten des Produkts Aufteilung der Zuverlässigkeitsforderungen an das Produkt auf einzelne Komponenten, damit Zuverlässigkeit planbar wird Nutzung zuverlässigkeitsorientierter Entwicklungstechniken Analyse der Produktentwicklung in Bezug auf potentielle Fehler und Ausfälle und ihrer Auswirkungen Bewertung alternativer Auslegungen in Bezug auf die Zuverlässigkeit Festlegung und Durchführung von Verifizierungsverfahren für das Produkt und seine Komponenten Sicherstellen, dass Information über das Ausfallverhalten im Einsatz der Produkte erfasst, ausgewertet und für Verbesserungsmaßnahmen genutzt wird. 10

11 Phasen des Lebenszyklus eines Produktes Der Produktlebenszyklus umfasst sechs Hauptphasen 1) Konzept und Definition 2) Entwurf und Entwicklung 3) Herstellung / Fertigung 4) Einbau / Installation 5) Betrieb und Instandhaltung 6) Entsorgung Konzept und Definition Entwurf und Entwicklung Herstellung / Fertigung Einbau / Installation Betrieb und Instandhaltung Entsorgung 11

12 Entwurf- und Entwicklungsphase Aufgaben: Systemarchitektur, Hardware und Software werden festgelegt Produktinformationen für Fertigung und Montage werden festgelegt Strategie für die Unterstützung von Produktbetrieb und Instandhaltungsbereitschaft wird festgelegt Konfigurationsmanagement wird festgelegt Konzept und Definition Entwurf und Entwicklung Herstellung Einbau / Installation Betrieb und Instandhaltung Entsorgung Ergebnischeck: Ist die Produktentwicklungsspezifikation so weit, dass sie bewertet werden kann? Gibt es einen Zusammenhang zwischen den Leistungsparametern und der spezif. Zuverlässigkeit? Ist der Zuverlässigkeitsplan so aufgestellt worden, dass das Zuverlässigkeitsprogramm im Hinblick auf Realisierung der Produktleistung und unterstützenden Dienstleistungen ausgeführt werden kann? Ist eine Analyse der Lebenszykluskosten durchgeführt worden, damit Investitionskosten und Nutzungskosten ermittelt werden können? Sind geeignete Werkzeuge für Entwurf und Analyse zur Entwicklung der Zuverlässigkeit ermittelt und angewendet worden? Sind die notwendigen Überwachungsprozesse in Kraft? Reichen die Strategie zur Verifizierung / Validierung und die Prüfpläne für die Produktbeurteilung und Annahme aus? Ist das Entwicklungsergebnis so weit, dass es an die Herstellung weitergegeben werden kann? 12

13 Kennwerte zu Zuverlässigkeit und Bestand Bestand B 0 Bestand B t Fehleranteil F Gutanteil R t 0 Zeitdauer T t1 Legende: F Fehleranteil des Bestandes R Gutanteil des Bestandes B t Bestand zum Zeitpunkt t1 B o Bestand zum Zeitpunkt t 0 T Zeitdauer λ Ausfallrate Bestandsänderung: relativ absolut Formeln: 1 F + R R B t / B o R 1 - F R 1 - (λ x T) F 1 - R F λ x T (B o -B t ) / B o Ausfallrate λ (B o - B t ) / (B o x T) in [1/h] Beispiel: B o B t T 100 Einheiten 70 Einheiten (Gutanteil) 100 h R 70 / 100 0,7 70 % F 1-0,7 0,3 30 % λ 0,3 / 100 h 0,003 1/h 3x10-3 1/h Relative Bestandsänderung (100-70)/1000,3 Absolute Bestandsänderung: λ (B o - B t ) / (B o x T) (100-70)/(100*100)3x10-3 1/h 13

14 Kennwerte: Produktausfall bei instandsetzbaren Produkten: MTBF Mean Time Between Failure mittlerer Ausfallabstand τ MTTR Mean Time To Repair mittlere Reparaturzeit bzw. MDT Mean Down Time mittlerer Ausfallzeit V Verfügbarkeit MTBF MTBF + MTTR x 100 % λ Ausfallrate 1 / MTBF bei nicht instandsetzbaren Produkten: MTTF Mean Time To Failure mittlere Lebensdauer 14

15 Ausfallrate: Modell der Badenwannenkurve Ausfallrate λ (t) Bereich 1: Frühausfälle Bereich 2: Zufallsausfälle Bereich 3: Verschleiß - und Ermüdungsausfälle Die Ausfallrate zu einem Zeitpunkt t lässt sich interpretieren als ein Maß für das Risiko einer Einheit auszufallen, unter der Voraussetzung das es den Zeitpunkt t überlebt hat f(t) λ( t) R(t) Lebensdauer t Ausfalldichte Überlebenswahrscheinlichkeit λ( t) Summe Ausfälle(zum Zeitpunkt t bzw.in Klasse i) intakter Einheiten (zum Zeitpunkt t bzw.in Klasse i) 15

16 Beschreibung der Zuverlässigkeiten - mathematisch Lebensdauer [h] klassieren 3 2 erhöhen von n ,00 230,00 260,00 290,00 320,00 350,00 380,00 410, Ausfallzeiten Histogramm der Ausfallhäufigkeiten Dichtefunktion f(t) kummulieren 100 % 100 % 100 % 90 % 90 % 90 % 80 % 80 % 80 % 70 % 70 % 70 % 60 % 60 % 60 % 50 % 40 % Überlebende 50 % 40 % erhöhen von n 50 % 40 % 30 % 30 % 30 % 20 % 20 % 20 % 10 % 10 % 10 % 0 % % % Histogramm der Überlebenswahrscheinlichkeit Ausfallverhalten Histogramm der Summenhäufigkeit Verteilungsfunktion f(t) 16

17 Ausfallrate mit Weibull - Verteilung Ausfallrate lamda (t) Ausfallrate 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Lebensdauer t b0,25 b0,5 b1 b1,5 b2 b 2,5 b 5 Weibull - Verteilung Verteilungsdichte f(t) b T t T b 1 Verteilungsfunktion F(t) 1 e e t b T b t T b<1: Die Ausfallraten nehmen mit zunehmender Lebensdauer ab. b1: Die Ausfallrate ist konstant. b>1: Die Ausfallraten steigen mit zunehmender Lebensdauer deutlich an. Beschreibung von Frühausfällen Beschreibung von Zufallsausfällen Beschreibung von Verschleiß- und Ermüdungsausfällen Weibull - Funktion 17

18 Prozess der Lebenszykluskosten - Betrachtung ❶ ❷ ❸ ❹ ❺ ❻ Planung der Analyse Entwicklung des LCC-Modells Anwendung des LCC-Modells Dokumentation der Ergebnisse Überprüfung der Ergebnisse Fortschreibung der Analyse ❶ Definition der Zielsetzung Festlegung des Umfangs Identifizierung der Bedingungen Festlegung der Handlungsalternativen ❹ Berichterstattung der Analyseergebnisse Verteilung der Berichte Abschätzung der benötigten Ressourcen ❷ Definition verfügbarer Daten Definition der Trennschärfe Definition des Sensitivität Entwicklung des Modells Validierung des Modells ❺ Überprüfung der Planeinhaltung Überprüfung des Modell Überprüfung der Prämissen Weiterentwicklung des Modells ❸ Beschaffung der Daten Durchführung der Analyse Durchführung von Sensitivitätsanalysen Bewertung der Analyseergebnisse ❻ Aktualisierung der Daten Aktualisierung der Analyseergebnisse Aktualisierung der Ergebnisdokumentation 18

19 Verfahren zur Schätzung der Zuverlässigkeit Für die Bewertung der Zuverlässigkeit werden i. d. R. folgende Verfahren angewendet: die Ähnlichkeitsanalyse die Haltbarkeitsanalyse das Handbuchverfahren die Empfindlichkeitsprüfung die Weibull-Analyse 19

20 Nutzen der Erfassung von Ausfall- und Einsatzdaten Die Erfassung von Ausfall- und Einsatzdaten während des Betriebs und deren spätere Auswertung sind wichtiger Bestandteil einer Zuverlässigkeitsanalyse. Sie bilden die Grundlage für: Instandhaltungsplanung Begründung von Änderungen Berechnung zukünftig benötigter Mittel und Ersatzteile Bestätigung zufrieden stellender Vertragserfüllung Bewertung, wie wahrscheinlich eine gestellte Aufgabe erfolgreich erledigt werden kann Rückmeldung an Entwicklung und Fertigung Schätzung der Garantiekosten bessere Festlegung der Zuverlässigkeitsanforderungen Erfassen von Grunddaten für mögliche Haftungsfälle Erfassen von Betriebsdaten zur Ermittlung der betrieblichen Kundenanforderungen, die ihrerseits die Grundlage für Zuverlässigkeitsprüfspezifikationen und Nachweisprogramme seitens des Lieferanten bilden. 20

21 Erfassungskriterien von Zuverlässigkeitsdaten System Gerät Modul oder Baugruppe Bauelement oder Komponente Softwaremodul? Erfassungsebene Erfassungszeitpunkte Fertigung bis Auslieferung (beim Auspackqualität) Installation (Einlaufen, Frühausfälle, Installationsprobleme), Betrieb erste Betriebsphase (Frühausfälle) Garantiezeit (Garantiekosten) langfristiges Verhalten, brauchbare Lebensdauer, Nutzungsaufwand Abschalten und Freilegen einer Einheit zu Instandhaltungszwecken (Teiletausch) außer Betrieb nehmen (Entsorgung) 21

22 Erprobung der Komponenten und Teile Beanspruchungs-/ Belastungsanalyse Nachbildung der Belastung im Versuch Auswahl der Prüfverfahren Festlegung der Prüfbedingungen, Prüfschärfe, Messgrössen, Prüflingsanzahl Versuchsdurchführung Analyse und Beurteilung der Versuchsergebnisse Analyse der Wirkungen (Demontagebefund, Funktionsprüfung, Sichtprüfung) Bewertung der Ergebnisse Zuverlässigkeitsaussage 22

23 Lebensdauertest Beispiel: t τ Für exponentialverteilte Lebensdauern ergibt sich... tot ML t τ tot ML r Gesamttest zeit Maximum Likelihood Schätzer n Stichprobenumfang O ohne Ersatz E mit Ersatz T 0 Prüfzeit r Anzahl ausgefallener Einheiten T [h] A) (10,O,t ) t tot r 7 B) (10,O,5) t tot x C) (10,E,t ) t tot 10 x r 18 D) (10,E,10) t tot 10 x t (10) 7390 τ τ τ τ t tot ML 6332 r 7 904,57h 3369 r 5 673,8h r ,67h 7390 r ,0h t tot ML t tot ML t tot ML Die Maximum-Likelihood-Methode (von engl. maximale Wahrscheinlichkeit) bezeichnet in der Statistik ein parametrisches Schätzverfahren. Dabei wird vereinfacht so vorgegangen, dass derjenige Parameter als Schätzung ausgewählt wird, gemäß dessen Verteilung die Realisierung der beobachteten Daten am plausibelsten erscheint. 23

24 Instandhaltung und Instandhaltbarkeit Instandhaltung Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen einschließlich Überwachungsmaßnahmen, mit denen eine Einheit im funktionsfähigen Zustand erhalten oder in ihn zurückversetzt werden soll Instandhaltbarkeit ist die Leichtigkeit, Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Genauigkeit, mit der die notwendige Instandhaltung eines Produktes ausgeführt und gemessen werden kann, entweder als Ausdruck einer Wahrscheinlichkeit oder als die Gesamtheit der Ressourcen, die für die Instandhaltung benötigt werden. 24