prof. dr hab. inż. Eugeniusz Krzemień mgr inż. Radosław Wolniak Komputerowe wspomaganie zastosowania metody FMEA 1. Wprowadzenie Orientacja produkcyjna, którą stosowały przedsiębiorstwa w pierwszej połowie XX wieku zakładała, że najważniejsze jest wyprodukowanie maksymalnej ilości produktu, po możliwie najniższej cenie, bez zwracania uwagi na jakość wytwarzanych wyrobów. Sytuacja zaczęła zmieniać się po drugiej wojnie światowej. W niektórych sektorach gospodarki okazało się, że ważniejsza od ilości i ceny jest jakość i niezawodność produktu. Klienci często wolą wybrać wyrób charakteryzujący się wysoką jakością, trwały, niezawodny, bezpieczny, zapewniający satysfakcję przez cały okres użytkowania pomimo wyższej ceny w stosunku do oferty konkurentów. Zanim wprowadzono różnorodne metody mające na celu ograniczenie błędów produkowanych wyrobów większość błędów wykrywano dopiero w fazie użytkowania produktu dzięki reklamacjom i skargom klientów. Jednak na dłuższą metę taka sytuacja miała wiele wad. Im wcześniej wykryjemy możliwość wystąpienia usterki, tym mniejsze koszty poniesiemy aby ją usunąć. Z punktu widzenia przedsiębiorcy optymalna będzie taka sytuacja, kiedy wszystkie wady można przewidywać i usuwać na etapie projektowania wyrobu, zanim produkt trafi do produkcji. Z wymienionych powodów pojawiło się zapotrzebowanie na metody umożliwiające stosunkowo wczesne wykrywanie błędów w produkcie lub procesie i określanie ich wpływu na jakość wyrobu i zadowolenie klienta. Odpowiedzią na to zapotrzebowanie stała się między innymi metoda FMEA. 2. Metoda FMEA - historia i zastosowanie. Metoda FMEA została opracowana dla potrzeb przemysłu zbrojeniowego w Stanach Zjednoczonych. W 1949 roku opracowano procedurę o symbolu MIL-P-1629 zatytułowana Procedures for Performing a Failure Mode, Effects and Criticality Analysis. Jej celem było zwiększenie niezawodności produktów dzięki określeniu konsekwencji wynikających z wystąpienia błędów w procesach lub produktach. Procedura była nastawiona głównie na analizę z punktu widzenia inżynierów i pracowników zakładu. W owych czasach podejście stawiające na pierwszym miejscu klienta nie było jeszcze szeroko rozpowszechnione i dlatego nie uwzględniono go także w wyżej wymienionej procedurze. Następnie metoda została zaadaptowana przez inne firmy, przy czym w analizie główny nacisk przesuwał się powoli w kierunku zadowolenia i bezpieczeństwa klienta. Metoda znalazła zastosowanie w normie QS 9000, która jest odpowiednikiem normy ISO 9000 w przedsiębiorstwach motoryzacyjnych. Jej wdrożenie wymaga obowiązkowego stosowania metody FMEA. Jest stosowana przez większość wiodących, amerykańskich firm przemysłu motoryzacyjnego, między innymi: Chrysler Corporation, Ford Motor Company, i General Motors Corporation. [1.2,1.6,1.7,2.4,3.1] Metoda FMEA jest stosunkowo prosta i intuicyjna, ale nie trywialna. Aby jej zastosowanie przyniosło możliwie maksymalne korzyści powinna być ona przeprowadzana w określonej kolejności. Nie należy pomijać żadnego z etapów analizy, gdyż może to w istotnym stopniu zaważyć na ograniczeniu skuteczności metody. W tablicy 1 zostały przedstawione podstawowe etapy, niezbędne do prawidłowego wykonania analizy FMEA. Dla niektórych etapów określono także jakie pomocnicze narzędzia i metody badawcze mogą być wykorzystane. Ich stosowanie nie jest konieczne, ale ma duży wpływ na dokładność i trafność analizy.
Identyfikacja obszaru badań Identyfikacja rodzajów błędów Określenie skutków wystąpienia błędów Określenie znaczenia (sewerity) wystąpienia błędów Poszukiwanie konsekwencji wystąpienia błędów Określenie potencjalnych przyczyn uszkodzeń Określenie prawdopodobieństwa występowania. Określenie najważniejszych przyczyn Określenie wykrywalności wady. Obliczenie wskaźnika ryzyka. Uporządkowanie błędów. Określenie działań naprawczych. Określenie błędów o najwyższym wskaźniku C (RNP) Szacunkowe określenie nowych liczb P, Z, T, C. Harmonogram działań naprawczych. Weryfikacja działań naprawczych. Rysunek 1. Schemat blokowy przeprowadzania metody FMEA. Źródło: Opracowanie własne na podstawie [3.1]. Należy pamiętać, że analiza FMEA nie jest jednorazowym działaniem, po którego przeprowadzeniu dany produkt lub proces jest pozbawiony wad. Zgodnie z zasadą spirali jakości nigdy nie osiągniemy doskonałości, możemy się jedynie do niej zbliżać postępując coraz dalej w kierunku poprawy jakości. Z tego powodu co pewien czas (zależy od wielu czynników związanych ze specyfiką wyrobu, procesu, bądź zakładu itp.) należy proces powtarzać w celu ciągłej eliminacji aktualnie występujących błędów.
Tablica 1 Etapy procesu FMEA w przedsiębiorstwie Etap procesu FMEA Zasady postępowania Metody pomocnicze Identyfikacja obszaru Określamy które produkty lub procesy będziemy analizować przy pomocy metody FMEA. badań Identyfikacja rodzajów błędów Określenie skutków wystąpienia błędów Określenie znaczenia (sewerity) wystąpienia błędów Poszukiwanie konsekwencji wystąpienia błędów Analiza potencjalnych przyczyn uszkodzeń Określenie prawdopodobieństwa występowania (occurence) Określamy jakie błędy mogą wystąpić i sporządzamy listę możliwych błędów. Należy także wziąć pod uwagę błędy które mogą się wydarzyć w przypadku wystąpienia mało prawdopodobnych sytuacji. Informacje dotyczące rodzajów błędów można pozyskiwać wykorzystując do tego celu: Wiedzę projektantów, inżynierów i pracowników produkcyjnych, dane dotyczące reklamacji, protokoły z kontroli, badania przeprowadzane wśród klientów. Określamy jakie skutki wywoła wystąpienie błędów zidentyfikowanych w poprzednim etapie. Skutki błędów określamy z punktu widzenia klienta, którym może być zewnętrzny odbiorca lub klient wewnętrzny. W celu określenia skutków błędów należy wykorzystać źródła informacji analogiczne jak w poprzednim etapie. Znaczenie błędu oznacza jak duży wpływ (z punktu widzenia klienta) ma wystąpienie błędu na jakość produktu, bądź jakość procesu. Ponieważ znaczenie skutków błędów określamy z punktu widzenia klienta, najlepszą metodą jego określenia są badania ankietowe przeprowadzane wśród klientów. Znaczenie błędu według polskiej terminologii oznaczamy literą Z, natomiast według angielskiej literą S. Znaczenie wystąpienia błędu określamy według skali 1-10, gdzie 1 jest wartością najmniejszą. Wystąpienie określonych błędów przyczynia się do pogorszenia funkcjonowania całego produktu bądź procesu. W efekcie mogą wystąpić kolejne błędy, będące konsekwencją błędów pierwotnych. Dlatego podczas analizy FMEA należy także zastanowić się jakie długofalowe konsekwencje spowoduje wystąpienie danego błędu. Omawiany etap bywa często pomijany, jednakże jest on niezbędnym elementem prawidłowo przeprowadzonej analizy FMEA. Nie wystarczy określić bezpośredni efekt jaki spowoduje wystąpienie danego uszkodzenia, ale należy zastanowić się jak wystąpienie danego błędu wpłynie na możliwość powstawania kolejnych. Po uwzględnieniu niniejszego etapu analizy może okazać się że długofalowe znaczenie błędu dla klienta jest znacznie większe niż może się to początkowo wydawać. Dokładne wykonanie niniejszego etapu umożliwia także znalezienie nowych, potencjalnych uszkodzeń. W niniejszym etapie staramy się określić jakie przyczyny mogą spowodować określone uprzednio błędy. Wygodnie jest dla każdego błędu zastosować metodę Ishikawy, ułatwiającą znalezienie przyczyn błędów. Analiza ma na celu określenie słabych punktów wyrobu lub procesu. Należy ustalić prawdopodobieństwo wystąpienia danego uszkodzenia. Prawdopodobieństwo wystąpienia określonych błędów oznaczamy według terminologii polskiej literą P, natomiast angielskiej literą O. Prawdopodobieństwo wystąpienia określamy według skali 1-10, gdzie 1 jest wartością najmniejszą. Ankiety Wywiady Ankiety Wywiady Ankiety Wywiady Analiza Pareto Ankiety Wywiady Arkusze kontrolne Metoda Ishikawy Siedem nowych narzędzi Arkusze kontrolne Histogramy Analiza Pareto
Określenie wykrywalności (detection) wady Obliczenie wskaźnika ryzyka Uporządkowanie błędów Określenie działań naprawczych Szacunkowe określenie nowych liczb P, Z, T, C Harmonogram działań naprawczych Weryfikacja działań naprawczych Określamy jakie istnieje prawdopodobieństwo wykrycia danej wady w procesie kontroli. W Polsce przyjęto określać wykrywalność literą T (od sformułowania "trudność wykrycia"), według terminologii angielskiej stosuje się literę D. Wykrywalność błędu określamy według skali 1-10, gdzie 1 oznacza, że błąd jest wykrywany prawie zawsze, a 10 iż jest prawie niemożliwy do wykrycia. Obliczamy wskaźnik ryzyka wystąpienia błędu C, który jest równy iloczynowi prawdopodobieństwa wystąpienia, znaczenia dla klienta i trudności wykrycia. Współczynnik określa poziom ryzyka związanego z wystąpieniem poszczególnych błędów. C=P*Z*T Według angielskiej terminologii wskaźnik ryzyka nazywa się: Risk Priority Number (Liczbą Priorytetową Ryzyka) i oznaczamy go skrótem RPN, wzór na jego obliczanie ma następującą postać: RPN= S*O*D Współczynnik wskaźnika ryzyka może przyjmować liczby z przedziału od 1 do 1000. Porządkujemy błędy w kolejności malejącej liczby C (RPN). Niniejszy etap ma wskazać, które błędy są dla nas najważniejsze. Najlepiej podejmować działania naprawcze zaczynając od błędów dla których wartość parametru C (RPN) jest największa. Dla każdego rodzaju błędu, który może wystąpić w danym wyrobie możemy opracować program działań naprawczych, mających na celu zmniejszenie liczby C (RNP). Działania naprawcze mogą postępować w trzech kierunkach: Zmniejszać prawdopodobieństwo wystąpienia błędu Zmniejszać znaczenie błędu Zwiększać prawdopodobieństwo wykrycia błędu Przy czym należy w tym miejscu wyraźnie zaznaczyć, że główne działania powinny być nastawione na zapobieganie błędom, a nie na ich wykrywanie. Dlatego w pierwszej kolejności należy zająć się prawdopodobieństwem wystąpienia błędu i jego znaczeniem, a dopiero potem zwrócić uwagę na jego wykrywalność. Należy szacunkowo określić wartości liczb P, Z, T, C, jakie mogą przyjąć, po wprowadzeniu zaproponowanych zmian. Dla wszystkich działań naprawczych jakie mają zostać podjęte należy sporządzić dokładny harmonogram, określający w jakim terminie konkretne zadanie zostanie podjęte i kto jest za nie odpowiedzialny. Zgodnie z zasadą koła Demniga PDCA po zaplanowaniu i wdrożeniu działań przychodzi czas na sprawdzenie czy efekty działań są w rzeczywistości zgodne z zamierzeniami. Po wykonaniu czynności naprawczych należy ponownie przeprowadzić analizę FMEA w celu porównania rzeczywistych liczb P, Z, T, C po wykonaniu akcji zapobiegawczych z uprzednio planowanymi. Jeżeli niezgodności są istotne należy ponownie przejść do etapu określenia działań naprawczych, przeanalizować dlaczego działania nie przyniosły zamierzonych rezultatów i sformułować nowy program akcji zapobiegawczych. Źródło: Opracowanie własne. Wywiady Arkusze kontrolne Analiza Pareto Histogramy Analiza Pareto
3. Komputerowe wspomaganie w metodzie FMEA Występująca w ostatnich latach intensywna komputeryzacja obejmuje kolejne obszary procesów zarządzania. Metoda FMEA jest metodą stosunkowo łatwo poddającą się skomputeryzowaniu. Komputeryzacja metody FMEA w najprostszej postaci może polegać na zastosowaniu oprogramowania tylko i wyłącznie do wspomagania danej metody, bez powiązania z systemami wspomagania zarządzania zastosowanymi w danym przedsiębiorstwie. W takiej sytuacji występują niskie koszty komputeryzacji metody ograniczające się w zasadzie do zakupu odpowiedniego oprogramowania, przeszkolenia pracowników z niego korzystających i ewentualnego przystosowania hardware do wymagań programowych. Jest to przypadek najprostszy i właśnie nim będziemy się zajmować w niniejszym artykule. Można także stosować komputeryzację metody FMEA w powiązaniu z komputeryzacją wszystkich obszarów zarządzania w przedsiębiorstwie. Taka sytuacja znacznie usprawnia proces analizy i zwiększa jej efekty dzięki możliwości łatwego przepływu danych pomiędzy działami, komórkami organizacyjnymi, poszczególnymi projektami i stosowanymi metodami. Jednak zintegrowana komputeryzacja całego przedsiębiorstwa wiąże się także ze stosunkowo dużymi kosztami na które tylko dobrze prosperujące podmioty gospodarcze mogą sobie pozwolić. Programem, wspomagającym analizę FMEA, który przedstawimy w niniejszym artykule jest program Relex 7.1 firmy Relex Software. Program umożliwia przeprowadzenie pełnej analizy FMEA, włącznie z określeniem działań naprawczych i kontrolą nad ich wykonaniem. Dane zebrane w celu przeprowadzenia analizy FMEA mogą być wykorzystane w innych modułach programu zajmujących się analizami: drzewa błędów, niezawodności, itp., którymi w niniejszym artykule nie będziemy się bliżej zajmować. Wszystkie moduły omawianego programu są wzajemnie zintegrowane i zmiana parametrów w jednym z nich powoduje analogiczną zmianę we wszystkich modułach programu. Na początku analizy definiujemy produkt, dla jakiego będziemy przeprowadzali analizę FMEA. Każdy produkt może składać się z wielu podzespołów, a te z wielu części. Program przedstawia strukturę produktu w postaci drzewa, która została pokazana na rysunku 2: Rysunek 2. Struktura produktu
Dla każdej części możemy podać dodatkowe dane dotyczące jej opisu, numeru, kodów używanych w przedsiębiorstwie, itp. Wymienione dane ułatwiają dalszą identyfikację części i kontrolę nad podjętymi akcjami zapobiegawczymi. Rysunek 3. Definiowanie elementu w programie Relex 7 Po zdefiniowaniu części powinniśmy dla niej określić rodzaj potencjalnych błędów. Następnie określamy wskaźnik znaczenia (sewerity) jaki występuje dla danego rodzaju błędu. Definiując rodzaje błędów możemy skorzystać z wbudowanej biblioteki błędów, w której znajdują się wszystkie błędy, które dotychczas wystąpiły w danym projekcie. Wykorzystanie biblioteki błędów uwalnia użytkownika od wielokrotnego wprowadzania tych samych rodzajów błędów, które mogą występować dla różnych części. Podczas pracy z programem następuje bieżąca aktualizacja danych zawartych w bibliotekach. Wprowadzone zmiany w treści przyczyny, skutku, lub innych danych zawartych w odpowiedniej bibliotece są wprowadzane w całym projekcie. Rysunek 4. Definiowanie błędu i jego znaczenia W kolejnym etapie pracy dla każdego błędu określamy przyczyny jakie mogą go powodować. Każdemu zdefiniowanemu błędowi można za pomocą programu przypisać wiele przyczyn, które go wywołują. Przy pomocy omawianego programu można jednocześnie analizować wiele części, dla każdej definiując różne rodzaje błędów i różne przyczyny. Zależności pomiędzy występującymi elementami są przedstawiane przy pomocy drzewa część / błąd / przyczyna. Niniejszy przykład przedstawia jedną część, jeden występujący błąd i cztery przyczyny, które go wywołują. Rysunek 5. Drzewo części, błędów i przyczyn
Podczas definiowania przyczyn można skorzystać z biblioteki przyczyn. Dla danej przyczyny zawartej w bibliotece przyczyn, podobnie jak dla poszczególnych elementów innych bibliotek możemy dodawać komentarze. Na rysunku 6 przedstawiamy przykładową bibliotekę dotyczącą przyczyn wad. Rysunek 6. Biblioteka przyczyn błędów Następnie dla każdej przyczyny błędu określamy jakie jest prawdopodobieństwo jej wystąpienia (occurrence) w skali 1-10. Kolejno określamy sposób kontroli za pomocą którego możemy wykryć dany błąd (możemy w tym miejscu posłużyć się biblioteką sposobów kontroli) i określamy w skali 1-10 wykrywalność (detection) danej przyczyny. Na podstawie podanych liczb: znaczenia błędu, prawdopodobieństwa wystąpienia i wykrywalności komputer oblicza wskaźnik Liczby Priorytetowej Ryzyka RPN, który jest iloczynem wyżej wymienionych liczb. Po zanalizowaniu występujących błędów ich przyczyn i wykrywalności powinniśmy określić sposoby mające na celu zmniejszenie liczby ryzyka RPN. Dla każdej przyczyny określamy akcje zapobiegawcze, jakie należy podjąć w celu zmniejszenia liczby RPN, kto jest za to działanie odpowiedzialny i do kiedy powinien wykonać zadanie. Po wykonaniu działań zapobiegawczych wypełniamy pole dotyczące działań rzeczywiście podjętych, które w praktyce nie zawsze są identyczne z działaniami planowanymi. Po przeprowadzeniu procedury naprawczej określamy nowe liczby znaczenia, prawdopodobieństwa wystąpienia i wykrywalności dla danego błędu i danej przyczyny, a następnie na tej podstawie obliczamy nową Liczbę Priorytetową Ryzyka RPN, która powinna być wyraźnie mniejsza od liczby przed przeprowadzeniem działań zapobiegawczych. Rysunek 7. Analiza FMEA dla danej przyczyny błędu
Podsumowanie Zastosowanie komputeryzacji może w znaczący sposób usprawnić proces wykorzystania metody FMEA w przedsiębiorstwie dzięki: automatyzacji obliczeń liczb RPN, możliwości wykorzystania bibliotek wad, przyczyn, akcji zapobiegawczych itp., z których można wielokrotnie korzystać, ograniczeniu wielokrotnego powtarzania tych samych operacji wpisywania: wad, przyczyn, akcji zapobiegawczych, osób odpowiedzialnych, itp., uniknięcia ręcznego rysowania i wypełniania tabel, ograniczeniu zużycia papieru, pozwala na przypisanie działaniom zapobiegawczym osób odpowiedzialnych za ich wykonanie, prostemu i szybkiemu wprowadzeniu zmian i poprawek (co sprawia duże trudności i jest bardzo czasochłonne przy tradycyjnej "papierowej" analizie), możliwości integracji z systemem komputerowego zarządzania w przedsiębiorstwie, w celu jeszcze większej automatyzacji pracy. Komputerowe wspomaganie metody FMEA jest już stosowane w polskich przedsiębiorstwach. W Polsce najczęściej stosowanym programem służącym do wspomagania analizy FMEA jest moduł Q-FAIL programu Q-PACK. Literatura: 1 Książki i czasopisma. 1.1 Hamrol A., Mantura W.: Zarządzanie jakością. Teoria i praktyka. PWN, Warszawa-Poznań 1998. 1.2 Indebski R.:FMEA - analiza skutków i potencjalnych przyczyn błędów (Failure Mode and Effects Analysis) w ISO 9000. w: Łatwy i skuteczny sposób uzyskania certyfikatu jakości tom 1. Forum, Poznań 1999. 1.3 Jednoróg A., Koch T., Zadrożny R.: Metody i techniki zapewnienia jakości o szczególnym znaczeniu dla przemysłu motoryzacyjnego. "Problemy Jakości", nr 1, 2000. 1.4 Meller A: Metoda analizy przyczyn i skutków wad (FMEA), "Przegląd Organizacji", nr 4, 1994. 1.5 Q-PAK. Zintegrowany system zarządzania jakością wg norm ISO 9000, QS 9000, TQM-SOFT, Kraków. 1.6 Relex 7. Visual Reliability Software. Tutorial Manual. Relex Software Corporation, Greensburg USA. 1.7 Scheucher F.: Analiza przyczyn i skutków wad FMEA (FMEA - Failure Mode and Effects Analysis) w Praktyczne zarzadzanie jakością, Weka, Warszawa, 1997. 2 Strony internetowe. 2.1 Definitions and Acronyms, www.fmeca.com/ffmethod/definiti.htm 2.2 Failure Mode and Effects Analizys, www.qualityi2.com/qi2_fmea.htm 2.3 FMEA - Failure Mode & Effects Analizys, ren.netconnect.com.au/~suds/ 2.4 FMEA - History, www.fmeca.com/ffmethod/history.htm 2.5 FMEA - Quick Reference Guide, www.quality-one.com/fmearef.htm 2.6 FMEA Process Summary, www.fmeca.com/ffmethod/fmeaproc.htm 2.7 FMEA: Failure Mode and Effects Analizys, www.tm.tue.nl/race/ce/fmea_2.html 2.8 FMECA - Definition of FMECA terms, www.pmaint.com/index.html/index.html/efmecadefine.html 2.9 Guidelines for auditing FMEA s per QS 9000, www.quality-one.com/fmeacri.htm 2.10 Stages in an FMEA, www.qualityprogress.co.uk/steps.htm 2.11 System-FMEA, www.smqe.de/smqe/fmea/fail.htm 2.12 Understanding Failure Modes, www.fmeca.com/ffmethod/understa.htm 2.13 White Paper - FMEA, www.roseinformatik.com/fmea.html 2.14 Why use FMECA, www.pmaint.com/index.html/index.html/efmecawhy.html 3 Programy komputerowe 3.1 FMEA Facilitator
3.2 Relex 7.1, Relex Software Corporation
Proces / Produkt Rodzaj błędu Skutki błędów Znaczenie błędu Z Przyczyna błędu Prawdopodobieństwo wystąpienia P Wykrywalność błędu T Wskaźnik ryzyka C Źródło: Opracowanie własne.
Rodzaj błędu (w kolejności od największej do najmniejszej liczby C) Wskaźnik ryzyka C Działania naprawcze Oszacowanie wartości parametrów jakie powinny być po podjęciu działań naprawczych P Z T C Odpowiedzialny za wykonanie działań naprawczych i data zakończenia Rzeczywiste wartości parametrów po wdrożeniu działań naprawczych P Z T C Źródło: Opracowanie własne
Organizacyjne Ekonomiczne Socjo-psychologiczne Dla przedsiębiorstwa Dla klienta Obniża koszty Pozwala pracownikom na Zwiększa dogłębne poznanie wyrobów i procesów w przedsiębiorstwie zadowolenie klięta dzięki ograniczeniu wad produktu Umożliwia integrację pracowników dzięki wykorzystaniu pracy zespołowej