FMECA

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1. 개요

FMECA(Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis, 고장 형태, 영향 및 치명도 분석)는 시스템 개발 초기 단계에서 고장 유형을 식별하고, 고장을 줄이기 위한 조치를 취하기 위해 사용되는 신뢰성 분석 기술이다. 1940년대 미국 군대에서 개발되어 1949년 MIL-P-1629로 처음 발표되었으며, 이후 NASA의 아폴로 계획을 포함한 여러 우주 프로그램에 활용되었다. FMECA는 시스템 정의, 고장 모드 식별, 고장 영향 분석, 심각도 분류, 치명도 순위 결정 등의 단계를 거쳐 분석이 진행되며, FMECA 보고서를 통해 설계 개선 권고 사항을 제시한다. FMECA는 설계 FMECA, 프로세스 FMECA, 시스템 FMECA 등 다양한 유형으로 나뉘며, 상향식 및 하향식 접근 방식을 통해 분석할 수 있다.

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FMECA

2. 역사

FMECA는 시스템 개발 초기 단계에서 가장 많이 사용되는 신뢰성 분석 기술 중 하나로, 개념 또는 초기 설계 단계에서 수행되어 가능한 모든 고장 유형을 확인하고 적절한 조치를 통해 고장을 줄이는 것을 목표로 한다.

FMECA의 개발은 1974년 MIL-P-1629가 MIL-STD-1629 (SHIPS)로 대체되면서 미국 항공우주국(NASA)에 의해 이루어진 것으로 잘못 알려지기도 한다.^[6] 1980년 MIL-STD-1629A는 MIL-STD-1629와 1977년 항공 FMECA 표준 MIL-STD-2070을 모두 대체했다.^[10] MIL-STD-1629A는 1998년에 대체 없이 취소되었지만, 오늘날에도 군사 및 우주 응용 분야에서 널리 사용되고 있다.^[11]

2. 1. 개발 배경

FMECA는 1940년대 미국 군에 의해 처음 개발되었으며, 1949년에 미 군사규격 MIL-P-1629가 발행되었다.^[1] 초기 FMECA는 FMEA (Failure Mode and Effects Analysis, 고장 형태 및 영향 분석)로 불렸다.

1960년대 초, 미국 항공우주국(NASA)의 계약업체들은 다양한 이름으로 FMECA의 변형을 사용하기 시작했다.^[2]^[3] 1966년 NASA는 아폴로 계획에 사용할 FMECA 절차를 발표했다.^[4] FMECA는 그 후 바이킹, 보이저, 마젤란, 갈릴레오를 포함한 다른 NASA 프로그램에도 사용되었다.^[5]

2. 2. 민간 분야 확산

1967년 자동차 기술자 협회는 FMECA를 다룬 최초의 민간 간행물을 발표하면서 민간 항공 분야로 확산되기 시작했다.^[7] 민간 항공 산업은 현재 FMECA 대신 SAE ARP4761에 따라 FMEA와 고장 트리 분석의 조합을 사용하는 경향이 있지만, 일부 헬리콥터 제조업체는 민간 회전익 항공기에 FMECA를 계속 사용하고 있다.

포드 자동차 회사(Ford Motor Company)는 핀토 모델에서 발생한 문제 이후 1970년대에 FMEA를 사용하기 시작했으며, 1980년대에 FMEA는 자동차 산업에서 광범위하게 사용되었다. 유럽에서는 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission)가 1985년에 일반적인 용도로 FMEA와 FMECA를 모두 다루는 IEC 60812를 발행했다.^[8] 영국 표준 협회는 같은 목적으로 1991년에 BS 5760-5를 발행했다.^[9]

3. FMECA 방법론

FMECA 분석 절차는 일반적으로 다음과 같은 단계로 구성된다.^[1]

시스템 정의
기본 규칙 및 가정 정의
시스템 블록 다이어그램 구성
고장 모드 식별 (부품 수준 또는 기능 수준)
고장 영향/원인 분석
설계 프로세스에 결과 반영
심각도별 고장 영향 분류
위험도 계산 수행
고장 모드 위험도 순위 지정
중요 항목 결정
설계 프로세스에 결과 반영
고장 감지, 격리 및 보상 수단 식별
유지보수성 분석 수행
분석 문서화, 수정 불가능한 설계 영역 요약, 고장 위험 감소에 필요한 특수 제어 식별
권장 사항 제시
시정 조치 구현/효과에 대한 후속 조치

FMECA는 기능 수준 또는 부품 수준에서 수행될 수 있다. 기능 FMECA는 전원 공급 장치나 증폭기와 같은 기능 블록 수준에서의 고장 영향을 고려한다. 부품 FMECA는 저항기, 트랜지스터, 마이크로 회로 또는 밸브와 같은 개별 구성 요소 고장의 영향을 고려한다. 부품 FMECA는 더 많은 노력이 필요하지만, 발생 확률에 대한 더 나은 추정치를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 기능 FMEA는 더 일찍 수행될 수 있으며, 전체 위험 평가를 더 잘 구조화하고 완화 옵션에 대한 다른 통찰력을 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 분석은 상호 보완적이다.

위험도 분석은 지원 부품 고장 데이터의 가용성에 따라 정량적 또는 정성적일 수 있다.

3. 1. 시스템 정의

분석할 주요 시스템을 정의하고, 시스템, 하위 시스템 또는 장비, 유닛 또는 서브 어셈블리, 부품과 같이 계층 구조로 분할한다. 시스템에 대한 기능 설명을 생성하여 하위 시스템에 할당하며, 모든 작동 모드 및 임무 단계를 포함한다.^[1]

3. 2. 기본 규칙 및 가정 정의

FMECA 분석을 시작하기에 앞서 기본 규칙과 가정을 정의하고 합의한다. 여기에는 다음 사항들이 포함될 수 있다.

표준화된 임무 프로파일: 특정 고정 지속 시간의 임무 단계를 포함한다.
고장률 및 고장 모드 데이터 소스
시스템 내장 테스트가 실현할 고장 감지 범위
분석 유형: 기능적 분석 또는 부품별 분석 여부
고려해야 할 기준: 임무 중단, 안전, 유지보수 등
부품 또는 기능을 고유하게 식별하기 위한 시스템
심각도 범주 정의^[1]

3. 3. 블록 다이어그램 구성

시스템과 하위 시스템은 기능적 블록 다이어그램으로 묘사된다. 신뢰성 블록 다이어그램 또는 고장수는 일반적으로 동시에 구성된다. 이러한 다이어그램은 시스템 계층 구조의 여러 수준에서 정보 흐름을 추적하고, 중요한 경로 및 인터페이스를 식별하며, 하위 수준 고장의 상위 수준 영향을 식별하는 데 사용된다.

3. 4. 고장 모드 식별

분석 대상인 각 부품이나 기능에 대해 가능한 모든 고장 모드를 작성한다. 기능적 FMECA에서 일반적인 고장 모드는 다음과 같다.

시기적절하지 않은 작동
요구 시 작동 실패
출력 손실
간헐적 출력
오류 출력 (현재 조건에서)
잘못된 출력 (모든 조건에서)

부품 FMECA의 경우, 고장 모드 데이터는 RAC FMD-91^[12] 또는 RAC FMD-97^[13]과 같은 데이터베이스에서 얻을 수 있다. 이러한 데이터베이스는 고장 모드뿐만 아니라 고장 모드 비율도 제공한다. 예를 들면 다음과 같다.

'''장치 고장 모드 및 고장 모드 비율 (FMD-91)'''^[12]
장치 유형	고장 모드	비율 (α)
릴레이	트립 실패	0.55
	스퓨리어스 트립	0.26
	단락	0.19
저항기, 구성	파라미터 변경	0.66
	개방	0.31
	단락	0.03

각 기능 또는 부품은 각 고장 모드에 대해 하나의 행으로 매트릭스 형태로 나열된다. FMECA는 일반적으로 매우 큰 데이터 세트를 포함하므로 각 항목 (기능 또는 부품)과 각 항목의 각 고장 모드에 고유 식별자를 할당해야 한다.

3. 5. 고장 영향 분석

고장 영향 분석은 FMECA 행렬의 각 행에 대해 결정되어 입력되며, 기본 규칙에 정의된 기준을 고려한다.^[1] 영향은 국소, 다음 상위, 최종(시스템) 수준으로 나누어 설명된다.^[1] 시스템 수준 영향은 다음과 같다.^[1]

시스템 고장
성능 저하
시스템 상태 고장
즉각적인 영향 없음

고장 영향 범주는 다양한 계층 수준에서 엔지니어링 판단을 통해 분석가가 맞춤화한다.^[1]

3. 6. 심각도 분류

각 고장 모드에 대해 심각도 분류를 할당하고, 시스템 수준의 결과에 따라 FMECA 매트릭스에 입력한다. 일반적으로 3~10개의 심각도 수준을 가진 소수의 분류가 사용된다. 예를 들어, MIL-STD-1629A를 사용하여 준비할 때, 고장 또는 사고 심각도 분류는 일반적으로 MIL-STD-882를 따른다.^[14]

'''사고 심각도 범주 (MIL-STD-882)'''
범주	설명	기준
I	치명적	사망, 영구적인 전신 장애, 100만달러 초과 손실 또는 법률 또는 규정을 위반하는 돌이킬 수 없는 심각한 환경 피해를 초래할 수 있다.
II	치명적	최소 3명의 인력의 입원을 초래할 수 있는 영구적인 부분 장애, 부상 또는 직업성 질병, 20만달러 초과 100만달러 미만의 손실 또는 법률 또는 규정을 위반하는 돌이킬 수 있는 환경 피해를 초래할 수 있다.
III	한계적	1일 이상의 작업 손실을 초래하는 부상 또는 직업성 질병, 1만달러 초과 20만달러 미만의 손실 또는 복원 활동을 완료할 수 있는 법률 또는 규정을 위반하지 않는 완화 가능한 환경 피해를 초래할 수 있다.
IV	무시할 만함	작업 손실을 초래하지 않는 부상 또는 질병, 2천달러 초과 1만달러 미만의 손실 또는 법률 또는 규정을 위반하지 않는 최소한의 환경 피해를 초래할 수 있다.

미국 연방 항공국(FAA), NASA 및 유럽 우주국 우주 응용 분야에 대한 현재 FMECA 심각도 범주는 MIL-STD-882에서 파생되었다.^[15]^[16]^[17]

3. 7. 고장 감지 방법

각 부품 및 고장 모드에 대해, 시스템이 해당 고장을 감지하고 보고할 수 있는 능력을 분석한다.^[1]

'''정상''': 시스템이 승무원에게 안전한 상태를 올바르게 표시한다.
'''비정상''': 시스템이 승무원의 조치가 필요한 오작동을 올바르게 표시한다.
'''오류''': 시스템이 오작동 시 안전한 상태를 잘못 표시하거나, 존재하지 않는 오작동(허위 경보)에 대해 승무원에게 경고한다.

3. 8. 치명도 순위 결정

고장 모드 치명도 평가는 정성적 또는 정량적 방법으로 수행할 수 있다.

정성적 평가에서는 사고 확률 코드 또는 숫자를 할당하여 치명도 매트릭스에 표시한다. 예를 들어, MIL-STD-882에서는 다음과 같이 5단계의 확률 수준을 사용한다.

고장 확률 수준 (MIL-STD-882)
설명	수준	개별 품목	전체 시스템
빈번	A	품목의 수명 동안 자주 발생할 가능성이 있음	지속적으로 발생
가능성 있음	B	품목의 수명 동안 여러 번 발생할 것임	자주 발생할 것임
가끔	C	품목의 수명 동안 언젠가는 발생할 가능성이 있음	여러 번 발생할 것임
희박	D	품목의 수명 동안 발생할 가능성이 낮지만 가능함	발생할 가능성은 낮지만 합리적으로 예상될 수 있음
거의 불가능	E	발생하지 않을 것으로 예상할 수 있을 정도로 발생 가능성이 낮음	발생할 가능성은 낮지만 가능함

그 후, 심각도 코드를 한 축으로, 확률 수준 코드를 다른 축으로 하여 고장 모드를 치명도 매트릭스에 표시할 수 있다.

정량적 평가에서는 각 품목의 각 고장 모드에 대해 ''모드 치명도 숫자'' ( $C_m$ )를 계산하고, 각 품목에 대해 ''품목 치명도 숫자'' ( $C_r$ )를 계산한다. 치명도 숫자는 다음 값을 사용하여 계산한다.

기본 고장률 ( $\lambda_p$ )
고장 모드 비율 ( $\alpha$ )
조건부 확률 ( $\beta$ )
미션 단계 기간 ( $t$ )

치명도 숫자는

C_m = \lambda_p \alpha \beta t

및

C_r = \sum_{n=1}^N (C_m)_n

으로 계산된다.

기본 고장률 (

\lambda_p

)은 일반적으로 MIL-HDBK-217, PRISM, RIAC 217Plus 또는 이와 유사한 모델을 기반으로 한 고장률 예측에서 FMECA로 입력된다. 고장 모드 비율 (

\alpha

)은 RAC FMD-97과 같은 데이터베이스 소스에서 가져올 수 있다. 기능 수준 FMECA의 경우, 고장 모드 비율을 할당하기 위해 엔지니어링 판단이 필요할 수 있다. 조건부 확률 숫자 (

\beta

)는 고장 모드가 발생할 경우, 고장 효과가 식별된 심각도 분류를 초래할 조건부 확률을 나타내며, 이는 손실이 발생할 가능성에 대한 분석가의 최선의 판단을 나타낸다.

그래프 분석의 경우,

C_m

또는

C_r

을 한 축으로 하고 심각도 코드를 다른 축으로 사용하여 치명도 매트릭스를 차트로 표시할 수 있다.

3. 9. 중요 항목/고장 모드 목록

각 항목의 각 고장 모드에 대한 중요도 평가가 완료되면, FMECA 매트릭스는 심각도와 정성적 확률 수준 또는 정량적 중요도 번호별로 정렬될 수 있다. 이를 통해 설계 완화가 필요한 중요 항목과 중요 고장 모드를 식별한다.^[1]

3. 10. 권장 사항

FMECA를 수행한 후에는 치명적인 고장의 결과를 줄이기 위해 설계에 대한 권장 사항이 제시된다. 여기에는 다음이 포함될 수 있다.

더 높은 신뢰성을 가진 부품 선택
치명적인 품목이 작동하는 스트레스 수준 감소
시스템에 이중화 또는 모니터링 추가

4. FMECA 유형

FMECA는 크게 설계 FMECA, 프로세스 FMECA, 시스템 FMECA의 세 가지 유형으로 나뉜다.^[1]

설계 FMECA: 장비 설계 단계에서 수행되며, 장비의 전체 수명 주기 동안 나타날 수 있는 모든 고장 유형을 고려하여 고장을 제거하기 위한 목적을 가진다.^[1]
프로세스 FMECA: 장비가 어떻게 제작되고, 유지 또는 동작하는 것에서 발생하는 문제에 관심을 둔다.^[1]
시스템 FMECA: 전체 생산 라인과 같이 큰 프로세스에서 발생할 수 있는 잠재적인 문제를 찾는다.^[1]

5. FMECA 접근 방법

FMECA는 시스템을 분석하는 두 가지 주요 접근 방식을 사용한다.

'''상향식 (Bottom-up) 방법''': 시스템 개념을 결정할 때 사용하며, 가장 낮은 레벨에서 각 구성 요소(Component)를 하나씩 연구한다. 하드웨어 접근 방법이라고도 불린다. 모든 구성 요소에 대한 분석이 완료되면 분석이 종료된다.
'''하향식 (Top-down) 방법''': 전체 시스템 구조가 결정되기 전, 초기 설계 단계에서 주로 사용된다. 기능에 초점을 맞추며, 메인 시스템 기능에서 시작하여 고장이 어떻게 발생하는지 연구한다. 심각한 영향을 미치는 기능 고장이 분석 단계에서 먼저 나타나는 경향이 있다. 이 방법은 주로 기존 시스템의 문제 영역에 초점을 맞춘다.

FMECA 표준 간에는 약간의 차이가 있지만, RAC CRTA–FMECA에 따르면 일반적인 FMECA 분석 절차는 다음과 같다.^[1]

시스템 정의
설계를 추진하기 위한 기본 규칙 및 가정 정의
시스템 블록 다이어그램 구성
고장 모드 식별 (부품 수준 또는 기능 수준)
고장 영향/원인 분석
설계 프로세스에 결과 반영
심각도별 고장 영향 분류
위험도 계산 수행
고장 모드 위험도 순위 지정
중요 항목 결정
설계 프로세스에 결과 반영
고장 감지, 격리 및 보상 수단 식별
유지 보수성 분석 수행
분석 문서화, 수정 불가능한 설계 영역 요약, 고장 위험 감소에 필요한 특수 제어 식별
권장 사항 제시
시정 조치 구현/효과에 대한 후속 조치

FMECA는 기능 수준 또는 부품 수준에서 수행될 수 있다. 기능 FMECA는 전원 공급 장치나 증폭기와 같은 기능 블록 수준에서의 고장 영향을 고려한다. 부품 FMECA는 저항기, 트랜지스터, 마이크로 회로, 밸브와 같은 개별 구성 요소 고장의 영향을 고려한다. 부품 FMECA는 더 많은 노력이 필요하지만, 발생 확률에 대한 더 나은 추정치를 얻을 수 있다. 기능 FMEA는 더 일찍 수행될 수 있으며, 전체 위험 평가를 더 잘 구조화하고 완화 옵션에 대한 통찰력을 제공한다. 이러한 분석은 상호 보완적이다.

위험도 분석은 지원 부품 고장 데이터의 가용성에 따라 정량적 또는 정성적일 수 있다.^[1]

6. 정비성 분석 및 예방 정비

FMECA는 정비성 분석과 군수 지원 분석 모두에 사용되며, 이 두 분석 모두 FMECA 데이터를 필요로 한다. FMECA는 시스템의 성능 향상을 위한 고장 및 위험도 분석에 가장 널리 사용되는 도구이다. 현재의 산업 4.0 시대에 산업계는 기계 시스템에 대한 예방 정비 전략을 구현하고 있다. FMECA는 예방 정비를 위한 기계 시스템 및 하위 시스템의 고장 모드 식별 및 우선순위 결정에 널리 사용된다.^[18]

7. FMECA 보고서

FMECA 보고서는 시스템 설명, 기본 규칙 및 가정, 결론 및 권장 사항, 추적할 시정 조치, 첨부된 FMECA 매트릭스(스프레드시트, 워크시트 또는 데이터베이스 형식)로 구성된다.^[1]

8. 위험 우선순위 번호 (RPN)

위험 우선순위 번호(RPN)는 검출 가능성(D) x 심각도(S) x 발생 빈도(O)의 곱으로 계산된다. 각각 1에서 10까지의 척도를 사용하면 가장 높은 RPN은 10x10x10 = 1000이다. 이는 이 고장이 검사로 감지할 수 없고, 매우 심각하며, 발생 빈도가 거의 확실하다는 것을 의미한다. 발생 빈도가 매우 드물면 1이 되고 RPN은 100으로 감소한다. 따라서 중요도 분석을 통해 가장 높은 위험에 집중할 수 있다.^[1]

9. FMECA의 장단점

FMECA는 포괄성, 고장 원인과 영향 간의 체계적인 관계 설정, 설계 개선을 위한 개별 고장 모드 지적 능력과 같은 장점을 갖는다.^[19] 그러나 광범위한 노동력이 필요하고, 사소한 경우를 다량으로 고려해야 하며, 스니크 회로와 같은 다중 고장 시나리오나 계획되지 않은 교차 시스템 효과를 처리할 수 없다는 단점도 있다.^[19]

9. 1. 장점

FMECA는 포괄성, 고장 원인과 영향 간의 체계적인 관계 설정, 설계에서 시정 조치를 위한 개별 고장 모드 지적 능력과 같은 장점을 가진다.^[19]

9. 2. 단점

FMECA는 광범위한 노동력을 요구하며, 사소한 경우를 다량으로 고려해야 하고, 스니크 회로와 같은 다중 고장 시나리오나 계획되지 않은 교차 시스템 효과를 처리할 수 없다는 단점이 있다.^[19]

상업 우주 수송에 대한 FAA 연구 보고서에 따르면, FMECA는 결합된 고장을 고려하지 않거나 일반적으로 소프트웨어 및 인간 상호 작용 고려 사항을 포함하지 않는다. 또한 FMECA는 일반적으로 낙관적인 신뢰성 추정치를 제공하기 때문에 신뢰성 추정치를 개발할 때 다른 분석 도구와 함께 사용해야 한다.^[19]

10. 관련 기준서

MIL-STD-1629: "Procedures for performing a failure mode and effect analysis"^[1]
IEC 60812: "Procedures for failure mode and effect analysis(FMEA)"^[1]
BS 5760-5: "Guide to failure modes, effects and criticality analysis (FMEA and FMECA)"^[1]
SAE ARP 5580: "Recommended failure modes and effects analysis (FMEA) practices for non-automobile applications"^[1]
SAE J1739: "Potential Failure Mode and Effects Analysis in Design (Design FMEA) and Potential Failure Mode and Effects Analysis in Manufacturing and Assembly Processes (Process FMEA) and Effects Analysis for Machinery (Machinery FMEA)"^[1]
SEMATECH (1992): "Failure Modes and Effects Analysis (FMEA): A Guide for Continuous Improvement for the Semiconductor Equipment Industry"^[1]

11. 관련 정보를 보유하고 있는 회사

참조

_[1] 간행물 Procedures for Performing a Failure Mode Effects and Criticality Analysis U.S. Department of Defense
_[2] 간행물 Modes of Failure Analysis Summary for the Nerva B-2 Reactor http://hdl.handle.ne[...] Westinghouse Electric Corporation Astronuclear Laboratory 2010-03-13
_[3] 간행물 State of the Art Reliability Estimate of Saturn V Propulsion Systems http://hdl.handle.ne[...] General Electric Company 2010-03-13
_[4] 간행물 Procedure for Failure Mode, Effects and Criticality Analysis (FMECA) http://hdl.handle.ne[...] National Aeronautics and Space Administration 2010-03-13
_[5] 간행물 Failure Modes, Effects, and Criticality Analysis (FMECA) http://www.klabs.org[...] National Aeronautics and Space Administration JPL 2010-03-13
_[6] 간행물 Failure Mode, Effects and Criticality Analysis (FMECA) http://www.dtic.mil/[...] Reliability Analysis Center 2010-03-03
_[7] 간행물 Design Analysis Procedure For Failure Modes, Effects and Criticality Analysis (FMECA) Society for Automotive Engineers
_[8] 간행물 Analysis techniques for system reliability – Procedure for failure mode and effects analysis (FMEA) http://webstore.iec.[...] International Electrotechnical Commission 2013-08-08
_[9] 간행물 Reliability of Systems, Equipment and Components Part 5: Guide to Failure Modes, Effects and Criticality Analysis (FMEA and FMECA) British Standards Institute
_[10] 간행물 Procedures for Performing a Failure Mode, Effects and Criticaility Analysis https://assist.daps.[...] U.S. Department of Defense 2010-03-14
_[11] 간행물 Electronic Reliability Design Handbook https://assist.daps.[...] U.S. Department of Defense 2010-03-13
_[12] 간행물 Failure Mode/Mechanism Distributions http://handle.dtic.m[...] Reliability Analysis Center 2010-03-14
_[13] 간행물 Failure Mode/Mechanism Distributions http://infostore.sai[...] Reliability Analysis Center
_[14] 간행물 Standard Practice for System Safety https://assist.daps.[...] U.S. Department of Defense 2010-03-14
_[15] 간행물 NASA Systems Engineering Handbook http://spacecraft.ss[...] National Aeronautics and Space Administration
_[16] 간행물 Failure Modes, Effects and Criticality Analysis (FMECA) European Space Agency
_[17] 간행물 Reusable Launch and Reentry Vehicle System Safety Processes http://rgl.faa.gov/R[...] Federal Aviation Administration 2010-03-14
_[18] 논문 Failure Mode Identification and Prioritization Using FMECA: A Study on Computer Numerical Control Lathe for Predictive Maintenance 2019-08-27
_[19] 간행물 Research and Development Accomplishments FY 2004 http://www.faa.gov/a[...] Federal Aviation Administration 2010-03-14

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