Modos de fallo, efectos y análisis diagnóstico

El análisis de modos de falla, efectos y diagnóstico ( FMEDA ) es una técnica de análisis sistemática para obtener tasas de falla a nivel de subsistema/dispositivo , modos de falla , capacidad de diagnóstico y vida útil. La técnica FMEDA considera:

• Todos los componentes de un diseño,
• La funcionalidad de cada componente,
• Los modos de falla de cada componente,
• El efecto de cada modo de fallo de los componentes en la funcionalidad del producto,
• La capacidad de cualquier diagnóstico automático para detectar la falla,
• La resistencia de diseño (reducción de capacidad, factores de seguridad),
• El impacto de cualquier prueba de fallas latentes y
• El perfil operativo (factores de estrés ambiental).

Dado que se dispone de una base de datos de componentes calibrada con datos de fallos de campo razonablemente precisos, ^{[ 1 ]} el método puede predecir la tasa de fallos a nivel de dispositivo por modo de fallo, la vida útil, la eficacia del diagnóstico automático y la eficacia de la prueba de fallos latentes para una aplicación determinada. Se ha demostrado que las predicciones son más precisas ^{[ 2 ]} que el análisis de devoluciones en garantía de campo o incluso el análisis típico de fallos de campo , dado que estos métodos dependen de informes que normalmente no contienen información suficientemente detallada en los registros de fallos. ^{[ 3 ]}

Un FMEDA puede predecir las tasas de fallos según los modos de fallo definidos. Para aplicaciones de seguridad funcional , se utilizan los modos de fallo de la norma IEC 61508 (seguro, peligroso, aviso y sin efecto). Estos valores de tasa de fallos pueden convertirse a los modos de fallo alternativos de la norma de seguridad funcional para automóviles ISO 26262 .

El nombre FMEDA fue dado por el Dr. William M. Goble en 1994 a la técnica que había estado en desarrollo desde 1988 por el Dr. Goble y otros ingenieros que ahora trabajan en exida. ^{[ 4 ]}

El análisis de modos y efectos de fallas de diseño (DFMEA, por sus siglas en inglés) es un análisis cualitativo estructurado del diseño de un sistema, subsistema o dispositivo para identificar posibles modos de falla y sus efectos en el funcionamiento correcto. El concepto y la práctica de realizar un DFMEA existen de alguna forma desde la década de 1960. Esta práctica se formalizó por primera vez en la década de 1970 con el desarrollo de la norma estadounidense MIL-STD-1629/1629A.

Una variante del DFMEA desarrollada para aplicaciones de seguridad funcional se denomina Análisis de Mitigación y Desviación de Diseño (DDMA). ^{[ 5 ]} La variante DDMA añade información que normalmente no se incluye en un DFMEA, como las mitigaciones de diagnóstico automático, las pruebas de fallos latentes y la vida útil. El DDMA elimina los números RPN, ya que se reemplazan por los resultados del FMEDA.

La técnica FMEDA fue desarrollada a finales de la década de 1980 por ingenieros de exida, basándose en parte en un artículo del Simposio RAMS de 1984. ^{[ 6 ]} La FMEDA inicial añadió información adicional al proceso FMEA. La primera información añadida en una FMEDA son los datos cuantitativos de fallos (tasas de fallos y distribución de modos de fallo) para todos los componentes analizados. La segunda información añadida a una FMEDA es la probabilidad de que el sistema o subsistema detecte fallos internos mediante diagnósticos automáticos en línea. La necesidad de medir la eficacia del diagnóstico automático se reconoció a finales de la década de 1980. ^{[ 7 ]} Se añadieron modos de fallo de seguridad funcional y se documentaron por primera vez en el libro Evaluating Control System Reliability . ^{[ 8 ]} El término FMEDA se utilizó por primera vez en 1994 ^{[ 9 ]} y, tras un mayor perfeccionamiento, los métodos se publicaron a finales de la década de 1990. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} El método se explicó a los miembros del comité IEC 61508 a finales de los 90 y se incluyó en la norma como un método para determinar la tasa de fallos, el modo de fallo y la cobertura de diagnóstico para los dispositivos. Las técnicas FMEDA se han perfeccionado aún más durante la década de 2000, principalmente durante el trabajo de preparación de la IEC 61508. Los cambios clave han sido: 1. Uso de modos de fallo funcionales; 2. Uso de componentes mecánicos; 3. Predicción de la efectividad de la prueba de fallos latentes; y 4. Predicción de la vida útil del producto.

A principios de la década de 2000, John C. Grebe incorporó el análisis de modos de fallo funcionales al proceso FMEDA. En los primeros trabajos sobre FMEDA, los modos de fallo de los componentes se asignaban directamente a las categorías de "seguro" o "peligroso" según la norma IEC 61508, 1.ª edición. Esto era relativamente sencillo, ya que todo lo que no era "peligroso" era "seguro". Con la existencia de múltiples categorías de modos de fallo, la asignación directa se volvió más difícil. Además, quedó claro que la asignación de categorías podía cambiar si un producto se utilizaba en diferentes aplicaciones. Con la asignación directa de categorías de modos de fallo durante el FMEDA, se requería un nuevo FMEDA para cada nueva aplicación o cada variación en el uso. Con el enfoque de modos de fallo funcionales, los modos de fallo funcionales reales del producto se identifican durante un DFMEA. Durante el FMEDA detallado, cada modo de fallo del componente se asigna a un modo de fallo funcional. Los modos de fallo funcionales se clasifican según el modo de fallo del producto en una aplicación particular. ^{[ 13 ]}

A principios de la década de 2000, quedó claro que muchos productos utilizados en aplicaciones críticas para la seguridad tenían componentes mecánicos. Un análisis FMEDA realizado sin considerar estos componentes mecánicos era incompleto, engañoso y potencialmente peligroso. El problema fundamental al utilizar la técnica FMEDA era la falta de una base de datos de componentes mecánicos que incluyera tasas de falla de piezas y distribuciones de modos de falla. Utilizando varias fuentes de referencia publicadas, exida comenzó el desarrollo de una base de datos de componentes mecánicos en 2003. ^{[ 14 ]} Después de algunos años de investigación y perfeccionamiento, ^{[ 15 ]} la base de datos se publicó. ^{[ 16 ]} Esto ha permitido utilizar el FMEDA en componentes combinados eléctricos/mecánicos y componentes puramente mecánicos.

FMEDA puede predecir la efectividad de cualquier prueba de falla latente definida, del mismo modo que predice la cobertura de diagnóstico automático. Se puede agregar una columna adicional a una hoja de cálculo de FMEDA para estimar la probabilidad de detección de cada modo de falla del componente. La efectividad acumulada de la prueba se calcula de la misma manera que la cobertura de diagnóstico automático. Las herramientas de FMEDA también pueden calcular la efectividad de las fallas latentes.

Al revisar cada componente de un producto, se identifican aquellos con una vida útil relativamente corta. Un ejemplo de esto es un condensador electrolítico . Muchos diseños tienen una vida útil limitada a 10 años. Dado que las tasas de fallo constantes solo son válidas durante el período de vida útil, esta métrica es valiosa para interpretar las limitaciones de los resultados de FMEDA.

Es necesario perfeccionar la base de datos de componentes mediante una calibración selectiva a diferentes perfiles de operación. Además, las comparaciones de los resultados de FMEDA con estudios de fallas en campo han demostrado que los factores humanos , especialmente los procedimientos de mantenimiento, afectan las tasas y los modos de falla de los productos.

A medida que se dispone de más datos, la base de datos de componentes puede refinarse y actualizarse. Tras varios años de investigación y perfeccionamiento, ^{[ 17 ]} la base de datos se ha publicado ^{[ 18 ]} según lo exigido por las nuevas tecnologías y los nuevos conocimientos. El éxito de la técnica FMEDA, al proporcionar los datos necesarios de forma relativamente precisa, ha permitido que el enfoque probabilístico y basado en el rendimiento del diseño funcione.