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Was ist der Unterschied zwischen Fehlerbaumanalyse und FMEA?

Die Fehlerbaumanalyse (Fault Tree Analysis, FTA) und Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse (FMEA) werden beide zur Fehlersuche und zur Risiko- und Ursachenanalyse eingesetzt. Allerdings gibt es Unterschiede zwischen den beiden Methoden, die unterschiedliche Ergebnisse, Vor- und Nachteile liefern:

FTA

Die Fehlerbaumanalyse (englisch: Fault Tree Analysis, FTA) ist ein System zur Problemlösung, Fehlersuche und Ermittlung der Fehlerursache. Sie kann entweder eine Analyse eines einzelnen Fehlers liefern oder mehrere Komponenten zusammen bewerten.

Obwohl die FTA oft mit der Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (englisch: Failure Mode and Effects Analysis, FMEA) verglichen wird, gibt es deutliche Unterschiede zwischen den beiden Techniken. Um diese Unterschiede zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wie FTA funktioniert.

Wie funktioniert die FTA?

Fault Tree Analysis (FTA) Symbols

Zur Erstellung eines FTA-Diagramms kann auch Zuverlässigkeitssoftware eingesetzt werden, wobei die Informationen mit statistischen Wahrscheinlichkeiten kombiniert werden, um eine quantitative Methode zu erstellen.

Wofür wird die FTA eingesetzt?

Eine FTA wird verwendet, um die Ursache eines Fehlers (oder eines Beinahe-Fehlers) zu bewerten, indem mögliche Ursachen ausgeschlossen werden, bis der wahre Grund gefunden ist. Wenn beispielsweise ein System zur Verhinderung eines Brandes ausfällt, könnte das entweder darauf zurückzuführen sein, dass das System das Feuer nicht erkannt hat oder dass die Sprinkleranlage versagt hat, nachdem das Feuer entdeckt wurde. Natürlich könnte beides versagt haben, aber eine FTA ermöglicht es Ihnen, systematisch verschiedene Ursachen auszuschließen, um die endgültige Ursache des Ausfalls zu finden. Sobald die Ursache gefunden ist, kann der Grund für diese Ursache untersucht werden, z. B. mangelnde Wartung oder Verschleiß von Komponenten.

Die Ermittlung der Fehlerursache ermöglicht es Ihnen, das Problem zu beheben und Wartungspläne und Sicherheitsverfahren zu ändern, um die Wahrscheinlichkeit eines erneuten Ausfalls zu verringern und so die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit Ihrer Anlagen langfristig zu erhöhen.

Die FTA kann für einfache oder komplexere Ausfälle verwendet werden und ermöglicht Ihnen, mehrere Ursachen gleichzeitig zu ermitteln.

Vorteile der FTA

Die FTA bietet eine Reihe von Vorteilen, darunter:

  • Sicherheit: Verbesserte Einhaltung von Sicherheitsvorschriften
  • Bewertung mehrerer Systeme: Die FTA ermöglicht Ihnen, die Beziehung zwischen Fehlern und verschiedenen Systemen zu bewerten und zu korrelieren
  • Risikominimierung: Die FTA kann Risiken reduzieren, indem sie aufzeigt, wo Änderungen am Produkt- oder Systemdesign erforderlich sind.
  • Prioritätensetzung: Mit FTA können Sie allgemeine Prioritäten für Ihre Systeme und Anlagen festlegen
  • Probabilistische Risikobewertungen (Probabilistic Risk Assessments, PRA): Die Eigenschaften der FTA führen dazu, dass sie für die Durchführung von Sicherheits- und probabilistischen Risikobewertungen verwendet werden kann. Eine PRA ist ein systematischer Ansatz zur Analyse von Risiko und Zuverlässigkeit, um die Wahrscheinlichkeit und die Folgen eines Ausfalls zu bestimmen.

Beschränkungen der FTA

Obwohl die FTA einige Vorteile bietet, gibt es auch Einschränkungen:

  • Starrheit: Da die FTA von einem binären System ausgeht, bei dem entweder etwas das Problem verursacht hat oder nicht, kann sie zu starr für Anlagen sein, die unter bestimmten Bedingungen ausfallen können, z. B. bei hohen oder niedrigen Temperaturen. Die FTA ist auch nicht sehr gut bei der Bestimmung von Teilausfällen.
  • Wahrscheinlichkeit: Die FTA ist nicht geeignet, die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls zu bestimmen, was bedeutet, dass sie für quantitative Zwecke unbrauchbar ist.
  • Lebensdauerplanung: Die FTA berücksichtigt nicht die Zeitspanne, in der ein Wirtschaftsgut in Gebrauch ist, oder ihre wahrscheinlichen Lebensdauer. Das bedeutet, dass die FTA für die Produktentwicklung nicht ideal ist.

Wann wird FTA angewendet?

Die FTA wird verwendet, um die Grundursache eines Fehlers zu diagnostizieren und zu verstehen, was zum Ausfall eines Systems führen kann. Dies hilft bei der Ermittlung der inhärenten Risiken und der Identifizierung von Methoden zu deren Abschwächung. Aus diesem Grund eignet sich die FTA ideal für probabilistische Risikobewertungen, die in einer Reihe von potenziell gefährlichen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Nuklearindustrie, der chemischen Industrie, der Öl- und Gasindustrie und sogar der pharmazeutischen Industrie eingesetzt werden. Die FTA wird auch in der Softwareentwicklung eingesetzt, um die Ursachen von Fehlern und Viren zu beseitigen.

TWI

TWI ist eine auf industrieller Mitgliedschaft basierende Organisation. Die Experten von TWI können Ihrem Unternehmen eine Ergänzung zu Ihren eigenen Ressourcen bieten. Unsere Experten haben es sich zur Aufgabe gemacht, der Industrie bei der Verbesserung von Sicherheit, Qualität, Effizienz und Rentabilität in allen Aspekten der Materialverbindungstechnik zu helfen. Die industrielle Mitgliedschaft im TWI erstreckt sich derzeit auf über 600 Unternehmen weltweit und umfasst alle Industriezweige.

TWI unterstützt seine industriellen Mitglieder unter anderem bei der FTA, FMEA und FMECA sowie der Fehleruntersuchung, Anlagenmanagement, Prozess- und Produktentwicklung, Risikobewertung und Datenanalyse.

Sie können mehr erfahren, indem Sie sich auf Englisch mit uns in Verbindung setzen:

kontakt@twi-deutschland.com

FMEA

FMEA steht für Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse, wobei "Fehler" bedeutet, dass etwas nicht mehr richtig funktioniert, und "Fehlermodus" sich darauf bezieht, wie der Fehler entstanden ist. Die Vielseitigkeit der FMEA bedeutet, dass sie häufig für die Ursachenanalyse verwendet wird.

Um den Unterschied zwischen einem Fehler und einem Fehlermodus zu verstehen, können wir das Beispiel eines Druckers verwenden, der nicht richtig funktioniert. Der Fehler ist die Tatsache, dass das Gerät nicht druckt, aber die möglichen Fehlermodi könnten sein, dass sich das Papier im Fach gestaut hat oder dass die Druckertinte ausgegangen ist. Also ein Fehler mit zwei Fehlerarten.

Die FMEA hebt nicht nur die möglichen Fehlerarten hervor, sondern weist auch den Auswirkungen und Folgen jedes Fehlers einen Wert zu. Dies kann mit einer Kritikalitätsanalyse kombiniert werden, die die verschiedenen Folgen eines Fehlers aufzeigt; dies wird als FMECA (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis) bezeichnet.

Weitere FMEA-Alternativen sind die DFMEA (Design Failure Mode and Effect Analysis), die sich mit Fehlern im Produktdesign befasst, und die PFMEA (Process Failure Mode and Effect Analysis), die prozessbezogene Fehler untersucht.

Wie funktioniert die FMEA?

Bei der FMEA wird eine Liste von Fehlermöglichkeiten, -ursachen und -auswirkungen detailliert beschrieben. Diese Informationen werden in der Regel in Form einer Tabelle mit sieben Spalten dargestellt, die jeweils einen anderen Schritt beschreiben, wie folgt:

1. Ausfallmodi auflisten

Dies ist eine einfache Auflistung der möglichen Ursachen für einen bestimmten Fehler. Wenn zum Beispiel ein Drucker nicht funktioniert, könnte es sich um einen Papierstau, Papiermangel, Tintenmangel, Stromausfall usw. handeln. Es ist wichtig, dass Sie keine Fehlerarten vergessen, da dies Ihre Risikobewertung beeinträchtigen könnte. Dieser zeitaufwändige Schritt kann durch Querverweise auf Fehlermöglichkeiten bei ähnlichen Komponenten oder Systemen beschleunigt werden.

2. Auswirkung des Fehlers beschreiben

Der zweite Schritt besteht darin, die Auswirkungen des Fehlers zu beschreiben, die dann zur Bestimmung des Schweregrads des Fehlers in Schritt drei herangezogen werden können. Unser defekter Drucker hat vielleicht keine großen Auswirkungen, je nachdem, wie oft und für welche Aufgaben er verwendet werden muss, oder er könnte als kritisches Gerät eingestuft werden.

3. Schweregrad bestimmen

In diesem dritten Schritt wird auf der Grundlage der Beschreibung in Schritt zwei der Schweregrad des Ausfalls bestimmt. Der Schweregrad wird auf einer Skala von 1-10 wie folgt bewertet:

  • Bewertung 1: Geringes Risiko – Fehler sind fast unbemerkbar
  • Bewertung 2-3: Geringes Risiko – Fehler können bemerkt werden, haben aber nur geringe Auswirkungen
  • Bewertung 4-6: Mäßiges Risiko – Fehler können die Leistung der Anlage beeinträchtigen und sind spürbar
  • Bewertung 7-8: Hohes Risiko – der Fehler beeinträchtigt Ihren Betrieb und stört den Zeitplan
  • Bewertung 9-10: Kritisch/sehr hohes Risiko – der Fehler beeinträchtigt Ihre Anlage vollständig und birgt hohe Sicherheits- oder andere Risiken

4. Grundursachen auflisten

Jeder Fehlermodus kann eine Reihe von Ursachen haben, die in Schritt vier aufgelistet werden müssen. Wenn zum Beispiel der Drucker keinen Strom hat, kann das daran liegen, dass der Strom nicht eingeschaltet wurde, dass es einen Stromausfall gab oder dass eine Sicherung durchgebrannt ist. Wenn Sie diese Ursachen auflisten, ist es einfacher, jede einzelne zu überprüfen, um den Grund für Ihren Fehler zu finden.

5. Auftreten bestimmen

Die Häufigkeit gibt an, wie oft ein bestimmter Fehler wahrscheinlich auftritt. Dies wird mit einer Bewertung von 1-10 versehen, wobei 1 "extrem unwahrscheinlich" und 10 "extrem wahrscheinlich" oder sogar "unvermeidlich" ist. Wenn Ihnen die Druckertinte oder das Papier ausgeht, ist das so gut wie unvermeidlich, so dass Sie das mit zehn Punkten bewerten können.

6. Erkennungsrate festlegen

In diesem Schritt legen Sie eine Erkennungsrate von 1-10 fest, wobei 1 „extrem wahrscheinlich“ und 10 „extrem unwahrscheinlich“ bedeutet. Ein Papiermangel kann eine Erkennungsrate von eins erhalten, da unser Drucker Sie wahrscheinlich auf das Problem aufmerksam machen wird, aber eine durchgebrannte Sicherung ist möglicherweise schwieriger zu erkennen.

7. Risikoprioritätsstufe (RPZ) berechnen

Die RPZ ist eine endgültige Zahl, die auf den von Ihnen vergebenen Bewertungen für Schweregrad, Auftreten und Erkennung basiert. Die Formel hierfür lautet: Schweregrad x Auftreten × Entdeckung = RPZ. Je höher diese Zahl ist, desto kritischer ist der Fehler und desto größer ist der Bedarf an Überwachung und Verbesserungen.

Vorteile der FMEA

Die FMEA kann zur Verbesserung von Produktivität, Zuverlässigkeit und Sicherheit eingesetzt werden und bietet darüber hinaus eine Reihe weiterer Vorteile:

  • Verbesserte Arbeitsmethoden: Die FMEA schafft Arbeitsmethoden, die effizienter, sicherer und zuverlässiger sind.
  • Priorisierung von Fehlern: Durch die Beurteilung und Bewertung von Fehlermöglichkeiten und deren Auswirkungen ist es einfach, diese nach Wahrscheinlichkeit und Kritikalität zu priorisieren
  • Planung der Instandhaltung: Wenn Sie verstehen, wann ein Fehler auftreten kann, können Sie Ihre Inspektions- und vorbeugende Wartungsplanung verbessern.
  • Verbesserte Sicherheit: Die Identifizierung potenzieller Fehlerpunkte ermöglicht es Ihnen, alle Sicherheitsmaßnahmen, die dadurch beeinträchtigt werden könnten, anzugehen und zu verbessern.
  • Produktdesign: Das Verständnis von Fehlermodi und -effekten ermöglicht es Ihnen, Produktdesigns anzupassen, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Fehlers zu verringern.
  • Schnellere Fehlersuche: Durch den Abgleich mit den potenziellen Fehlermodi ist es einfacher, die Ursache eines Problems zu beheben.

Beschränkungen der FMEA

Trotz der Vorteile der FMEA weist die Methode eine Reihe von Schwächen auf:

  • Mehrfachausfälle: Die FMEA ist nicht in der Lage, Situationen zu berücksichtigen, in denen mehrere Ausfälle gleichzeitig auftreten können, da die Methode keine Verknüpfung zwischen verschiedenen Ausfällen vorsieht.
  • Zeitaufwendig: Wie bereits erwähnt, kann die FMEA zeitaufwändig sein, da sie die Auflistung aller potenziellen Ausfallarten erfordert. Infolgedessen ist sie auch auf das Fachwissen der Mitarbeiter angewiesen, um sie alle zu identifizieren.
  • Häufige Aktualisierungen erforderlich: Selbst die beste FMEA kann einige Fehlermöglichkeiten übersehen, oder Sie können mit dem Wissen und der Erfahrung mit Ihrer Anlage neue entdecken. Dies bedeutet, dass Ihre FMEA häufig bewertet und aktualisiert werden muss.
  • Unterschätzung des Risikos: Wenn Sie einen oder mehrere Fehlermodi nicht berücksichtigen, kann es sein, dass Sie das damit verbundene Risiko unterbewerten.
  • Potenzielle Verschwendung von Ressourcen: Umgekehrt kann es eine Verschwendung von Zeit und Ressourcen sein, wenn Sie sich zu viel Zeit für Ihre FMEA nehmen.

Anwendungen der FMEA

Die FMEA wurde erstmals in den 1950er Jahren von der US-Armee entwickelt und bald darauf von der Luft- und Raumfahrtindustrie und der NASA übernommen, die sie für die Apollo-Missionen, das Viking-Programm und die Voyager-Missionen einsetzte.

Die FMEA wird weiterhin in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobil-, Öl- und Gasindustrie eingesetzt.

Aufgrund ihrer Fähigkeit, Funktionen, Fertigungsprozesse und Design zu analysieren und zu bewerten, wird die FMEA für ein breites Spektrum von Produkten und Prozessen eingesetzt, auch bei Designaktualisierungen, neuen Prozessen und Vorschriften oder sogar bei Problemen, die von Ihren Kunden hervorgehoben werden.

Was ist der Unterschied zwischen FTA und FMEA?

Der offensichtlichste Unterschied zwischen FTA und FMEA ist die Art und Weise, wie sie an Fehler herangehen. Die FMEA verfolgt einen "Bottom-up"-Ansatz, bei dem jede Komponente der Reihe nach untersucht und eine Liste potenzieller Fehlermöglichkeiten erstellt wird. Im Gegensatz dazu verfolgt die FTA einen "Top-Down"-Ansatz, bei dem sie mit dem Fehler beginnt und dann anhand einer Reihe von Fragen oder Prüfungen diagnostiziert, was das Problem verursacht haben könnte.

Diese beiden Ansätze bedeuten, dass die FTA gut geeignet ist, die Ursache für einen bestimmten Fehler zu finden, während die FMEA besser geeignet ist, auslösende Fehler und ihre Auswirkungen umfassend zu prüfen und zu katalogisieren. Trotz dieser unterschiedlichen Herangehensweise erfordern sowohl die FMEA als auch die FTA Experten mit umfassenden Kenntnissen über die zu analysierende Anlage.

Eine erfolgreiche FMEA erfordert die Vorhersage aller möglichen Fehlermodi, die nach ihrer Kritikalität unterschieden werden können – von einem vollständigen Ausfall bis hin zu fast unmerklichen Problemen. Im Gegensatz zur FTA werden bei der FMEA jedoch keine bedingten Ereignisse berücksichtigt oder eine Beziehung zwischen mehreren Ausfällen hergestellt.

Im Gegensatz zur FMEA berücksichtigt die FTA keine Teilausfälle, da etwas entweder kaputt ist oder nicht. Dieses binäre System von 'ja' oder 'nein' erschwert die Bewertung von Nuancen oder Größenordnungen. Andererseits bedeutet diese fehlende Skalierung, dass die FTA effizient für Design und Analysen ist, bei denen potenzielle Fehler identifiziert werden müssen, um die Sicherheit zu verbessern.

Da die mit der FMEA verbundenen Risikoprioritätszahlen subjektiv vergeben werden (indem man entscheidet, wie „riskant“ etwas auf einer Skala von 1 bis 10 ist), handelt es sich um eine qualitative Analysemethode. Das bedeutet, dass sie unzuverlässig sein kann und in gefährlichen Situationen potenziell gefährlich ist.

Die FTA hingegen ist ein quantitatives Instrument, das aufgrund seiner binären Natur ideal für probabilistische Risikobewertungen ist. Dies liegt daran, dass sie nach einer festen Regel oder "0" oder "1" arbeitet und keinen Raum für Vermutungen lässt. Die FTA ist auch besser in der Lage, externe Ereignisse (z. B. eine Überschwemmung) und bedingte Ereignisse (z. B. niedrige Temperaturen) zu berücksichtigen, die Probleme verursachen können. Die FMEA hingegen bietet nur isolierte Fehlermöglichkeiten, ohne andere Faktoren zu berücksichtigen. 

Ein weiterer wesentlicher Unterschied ist, wie einfach FTAs im Vergleich zu FMEAs zu aktualisieren sind. Die FMEA erfordert sehr viele Details und Fachkenntnisse, um auf dem neuesten Stand zu bleiben, während die FTA leicht mit Hilfe von Software durchgeführt werden kann, um den Prozess zu automatisieren und gleichzeitig statistische Daten einzubeziehen.

Die folgende Tabelle zeigt die Hauptunterschiede zwischen FTA und FMEA:

FTA

 

Top-down, deduktiver Ansatz

Bottom-up, induktiver Ansatz

Quantitativ

Qualitativ

Kann die Korrelation zwischen mehreren Fehlern aufzeigen

Listet Komponentenausfälle auf, ohne das System als Ganzes zu analysieren

Berücksichtigt externe Ereignisse

Vernachlässigt externen Ereignisse

Berücksichtigt keine Teilausfälle

Vernachlässigt unerwartete Ausfälle

Kann mit der richtigen Software leicht aktualisiert werden

Die Aktualisierung ist oft schwierig, zeitaufwändig und ressourcenintensiv

 

FTA oder FMEA?

In Anbetracht der Unterschiede kann es schwierig sein herauszufinden, ob eine FTA oder eine FMEA verwendet werden soll.

Die FTA sollte verwendet werden, wenn:

  • Sie einen “Top-down“-Fehler identifizieren können
  • Sie eine Sicherheitsbewertung für ein System oder eine Anlage durchführen müssen
  • Sie eine Risikowahrscheinlichkeitsbewertung durchführen müssen
  • Ihr System komplex mit mehreren interagierenden Elementen ist
  • Ihr System anfällig für menschliches Versagen oder andere externe Faktoren ist, die Probleme verursachen könnten

Die FMEA sollte verwendet werden, wenn:

  • Sie kein Top-Down-Fehlerereignis lokalisieren können, um eine FTA zu beginnen
  • Sie alle möglichen Fehlermodi identifizieren müssen, auch solche, die nicht kritisch oder gefährlich sind, z. B. bei der Erstellung eines Produkthandbuchs
  • Ihr System in hohem Maße automatisiert und vorhersehbar ist, so dass es einfacher ist, alle Fehlermöglichkeiten vorherzusagen.

FTA und FMEA

Viele Organisationen und Branchen entscheiden sich für die gemeinsame Anwendung von FTA und FMEA, um die Vorteile beider Verfahren zu nutzen. Da die Risikoanalyse quantitativ oder qualitativ durchgeführt werden kann, können FMEA und FTA nebeneinander eingesetzt werden.

Dies hat zur Entwicklung von Hybridlösungen geführt, die die verschiedenen Ansätze miteinander verbinden, wie z. B. die Variationsmodi und Wirkungsanalyse (VMEA). Diese Art von Werkzeugen wird häufig für die vorausschauende Wartung kritischer Anlagen eingesetzt.

Fazit

Obwohl beides Werkzeuge sind, die für die Ursachenanalyse verwendet werden können, gibt es bemerkenswerte Unterschiede in den Ansätzen von FTA und FMEA. Diese Unterschiede verleihen jeder Methode ihre eigenen Stärken und Schwächen, die für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden können.

Während die FMEA zu subjektiv sein kann, kann sich die FTA als zu starrer Ansatz erweisen. Aus diesem Grund verwenden viele Branchen eine Kombination aus beiden Methoden.

Weitere häufig gestellte Fragen

Dieser Artikel ist Teil einer Serie von Antworten zu häufig gestellten Fragen (FAQs), wie zum Beispiel „Was ist die Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA)?“ und „Was ist der Unterschied zwischen FMEA und FMECA?

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