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TPM 활동 이론 및 실무 소개

고장해석수법으로서의 FTA(고장목분석) 활용방안

㈜ATPM컨설팅/한국TPM연구소 대표/공학박사·기술사·지도사 권오운

★ 목 차 ★

1. FTA(고장목분석)의 발전과 의의

2. FTA 실시절차

3. 고장목(Fault tree)의 작성

4. 고장목(결함수)의 논리게이트

5. 고장확률 계산방법

6. FT圖 작성에 의한 시스템의 고장확률계산 사례

7. FMEA와 FTA의 차이점 비교에 의한 적절한 선택

1. FTA(고장목분석)의 발전과 의의

설비 및 제품의 고장해석을 위한 고장해석법의 방법 및 특징을 지난 글에서 FMEA를 중심으로 알아 보았는데, TPM활동 중 고장문제의 개별개선시의 원인분석단계에서 자주 쓰이는 기법으로서는 FMEA, 신뢰성블록도 및 FTA(故障木분석, 또는 缺陷樹분석이라고도 함), 신뢰성분석 및 가동성계산, PM분석 등이 있다.

FMEA나 FMECA와 마찬가지로 고장목분석 또한 시스템의 고장해석 방법이며, FMEA나 FMECA와는 달리 고장목분석 FTA는 하향식(top down)으로 분석하는 방법이다. 정상사상으로부터 시스템의 고장을 야기하는 기본사상까지 원인과 인과관계를 논리게이트로 표현한 그림으로 나타낸 고장목(결함수)을 작성하고, 이에 의하여 시스템의 고장확률을 구함으로써 문제가 되는 부분을 찾아내어 시스템의 신뢰성을 평가개선하는 계량적 고장해석 및 신뢰성평가 방법이다.

FTA는 1962년 Bell 전화연구소의 W. A. Watson에 의해 미니트맨미사일의 발사제어시스템 연구에 관한 공군계약에서 처음 고안된 후, 1965년 Kolodner의 안전성 정량화에 대한 논문에서 FTA와 신뢰성블록도(block diagram) 등을 소개했고, 1965년 보잉항공회사의 D. F. Hassl에 의해 보완됨으로 실용화 되었으며, ICBM계획에 처음으로 사용된 기법이다.

본고에서는 FTA에 대해 자세히 사례를 곁들여 소개해서, 개별개선시의 설비의 신뢰성을 높이기 위한 고장해석 및 원인분석의 합리화를 도모하고 또한 쉽게 사용할 수 있도록 하고자 함을 목적으로 하였다.

목차로

2. FTA 실시절차

FTA를 실시하는 경우의 고장의 해석 목적이나 정도 등에 차이가 있지만, FTA의 실시절차는 통상 다음과 같은 순서로 된다.

▶ 순서1: 평가대상 설정 및 기능의 명확화(기능 블록 다이어그램 작성)

▶ 순서2: 불량 사실/현상에 대한 정의의 명확화

▶ 순서3: 톱Event(최상위 고장)의 상정

▶ 순서4: 하위레벨의 논리기호에 의한 결합으로 고장목 작성

▶ 순서5: 기본사상인 최하위의 고장원인까지 고장목 완성

▶ 순서6: 정량적 평가를 위한 고장확률을 구함

(최하위인 기본사상에서부터 고위인 톱Event까지 고장확률을 계산)

① 먼저 최하위의 고장원인인 기본사상에 대한 고장확률을 추정한다.

② 기본사상에 중복이 있는 경우에는 Boolean(부울린) 대수공식에 의거 고장목을 간소화

한다. 그렇지 않으면 ③항으로 간다.

③ 서브시스템 및 시스템의 고장확률을 계산하고 문제점을 찾는다.

▶ 순서7: 문제점의 개선 및 신뢰성 향상책 강구

목차로

3. 고장목(Fault tree)의 작성

▶ FT는 각종 사상(event)과 그것을 연결하는 논리게이트로써 구성된다.

① 해석하려는 시스템의 최상위 고장(top event), 즉 頂上사상(목표사상)을 규정한다.

② 정상사상의 고장상태를 일으킬 수 있는 직접 원인, 즉 기계, 설비의 불량상태나 작업자의 에러 등(결함사상)을 규명하고 나열하여 정상사상과의 사이를 논리게이트를 사용하여 나뭇가지 모양으로 결합시킨다.

③ 위 ②의 각 결합사상의 직접 원인이 되는 결함사상을 각각 확정한 후, ②와의 사이를 논리게이트로 연결한다.

④ ③을 최하위의 고장원인이 될 때 까지 순차적으로 반복한다.

▶ FT의 최하위사상은 통상 다음 중의 하나이다.

① 통상 행해지는 작업이나 기계설비의 通常상태(통상사상)

② 기본적으로 볼 수 있는 기계 등의 고장이나 인간의 에러(기본사상)

③ 그것 이하는 정보부족으로 분석할 수 없거나 또는 분석을 생략해도 좋은 결함사상(생략사상)

④ 그것 이하는 이 고장목(FT)의 다른 부분과 동일해지는 경우로서, 이것은 다른 부분으로부터의 轉移로서 취급한다.

목차로

4. 고장목(결함수)의 논리게이트

기본적으로 결함사상은 AND게이트 그리고 OR게이트를 사용하여 표시하나, 여러 종류의 논리게이트 또는 수정기호(modifier)를 사용함으로써 시스템을 더 정확히 또는 간결하게 표현할 수 있다.

단, 너무 복잡한 논리게이트를 사용하는 것은 고장목 분석의 특징인 시각에 의한 이해나 연산의 용이성을 손상시킬 우려가 있으므로 주의해야 한다.

▶ 사상기호

① 직사각형 기호: 정상사상을 시작으로 하는 결함사상으로서 원형기호, 집형기호에 든 기본사상 또는 생략사상 이외의 사상을 나타내는 기호이다(그림 ⓐ)

② 원형기호 : 기본사상을 나타내는 기호(그림ⓑ). 때로는 점선의 원으로 인간동작의 생략 또는 오류를 표시하고(그림ⓒ), 사선부분이 포함된 이중원으로 조작자에 의해 결함의 누락이나 시정누락을 표시한다(그림ⓓ).

<도표 1> 사상기호

③ 집형기호 : 결함사상은 아니고 시스템 내의 상태로서 일어나는 통상사상을 나타내는 기호이다(그림 ⓔ).

④ 마름모형기호 : 그것 이상은 분석할 수 없거나 또는 분석의 필요가 없는 생략사상을 나타내는 기호(그림 ⓕ). 때로는 점선의 마름모형(또는 능형) 그리고 사선이 포함된 이중마름모형을 사용해서 인간의 에러와 조작자에 의한 결함이나 시정누락을 표시한다(그림ⓖ,ⓗ). 또 사선 없는 이중마름모형은 그것보다 앞의 관계가 명확하고 수량적평가에 의해 고장목을 간소화할 수 있는 경우에 사용한다(그림 ⓘ).

⑤ 삼각형기호: 동일한 FT안에 있고 내용이 같은 다른 부분과의 사이에 전이를 표시하는 기호로서, 삼각형 위쪽에 선이 나와 있는 경우는 다른 부분에서의 전입을, 또 아래쪽이나 측방에 선이 나와 있는 경우는 다른 부분의 전출을 표시하고 동일한 번호가 붙여진다(그림 ⓙ)

▶ 논리게이트

① AND 게이트와 OR 게이트

<도표2> AND 게이트와 OR 게이트

② 억제게이트(inhibit gate ) : 논리적으로는 수정기호(modifier)의 일종으로서 억제모디파이어(inhibit modifier)라고도 하지만 실질적으로는 수정기호를 병용해서 게이트의 역할을 한다. 입력사상이 수정기호 안의 조건을 만족하면 출력사상이 생기고 만약 조건이 만족되지 않으면 출력은 생기지 않는다.

③ 부정게이트(not gate): 억제게이트와 동일하게 부정모디파이어(not modifier)라고도 하며 입력사상의 반대사상이 출력된다.

<도표3>억제게이트와 부정게이트