고장률(Failure Rate)

신뢰도(Reliability)란 시스템 혹은 부품이 작동을 시작하여 그 시점까지 고장 나지 않고 여전히 작동되고 있을 확률을 의미한다. 신뢰도와 연관된 고장률에 대해 알아보고자 한다.

 

 

 

 

고장률(Failure Rate)

 

고장률은 특정 시점까지 고장 나지 않고 작동하던 부품이 다음 순간에 고장 나게 될 가능성이 어느 정도 될 것인가를 나타 내는 척도이다.

 

고장률(λ) 개념

 

고장률은 종종 단순한 항목과 구성요소(simple items and components)의 신뢰성을 표현하기 위해 사용된다. 또한 안전 시스템의 고장률과 같은 특정 기능의 신뢰성을 표현하기 위해 자주 사용된다.

 

 

-MTBF(Mean Time Between Failures)

MTBF는 지정된 장비 또는 시스템의 고장 사이의 평균 작동 시간(up time), 즉 다음 그림에서 장비의 작동 수명 동안 시간들의 평균 값 t를  의미한다.

또 다른 의미로는, 일반적으로 장비 및 시스템의 전반적인 신뢰성(overall reliability)이라고도 할 수 있다.

 

 

 

이와 비슷한 의미로 MTTF(Mean Time To Failure) 가 있다.

고장이 났을 때 수리되지 않은 항목을 고려할 때 MTTF(평균 고장 시간)를 사용하고 수리가 가능 때는 MTBF를 사용하는 것이 정확한 용어가 될 것이다.

 

 

- 고장률(λ)과 MTBF 관계

 

상기 두 식으로 부터 다음 관계식을 얻을 수 있다.

 

그러나 상기 식은 설비 수명 동안 고장률이 변하지 않는 다는 가정하에서 사용할 수 있다.

다음 표와 같이 실제로 시간에 따라 MTBF는 변하기 때문에 사용 상 주의가 필요하다.

 

 

 

-Availability(가용성)

장비 등이 제 기능을 수행할 수 있는 시간의 비율을 의미한다.

 

여기서 MDT(Mean Down Time)대신에 때때로 Mean Time To Repair (MTTR) 이 사용되기는 하지만 엄격히 얘기하면 의미는 좀다르다.

왜냐하면 고장이 발생한 후 한동안 알아차리지 못할 수 있고, 장비를 즉시 수리하지 않기로 결정할 수 있고, 또한 장비가 수리되는 즉시 다시 작동하지 않을 수 있기 때문에 두 용어에 구분이 필요하다.

 

 Reliability, Availability에 대한 세부 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/260

RAMS 기술

 

고장률의 종류

1) 시간과 관련된 고장률(Time Related Failure Rate)

- Failure rate in the continuous sense, hazard rate(function) h(t)

- Failure rate in the discrete sense, failure rate λ(t)

2) 수요와 관련된 고장률(Demand Related Failure Rate)

- probability of failure on demand, PFD

 

 

고장률에 영향을 미치는 요인

1) 기기/장치의 물리적 경계(Boundary)

  - 기계적 경계로서 윤활 또는 냉각 계통과의 상호 연관성

  - 제어/명령과 관련된 제어적 경계

  - 전원의 공급과 관련된 전기적 경계

2) 공정 난이도 (Process Severity)

3) 주변 환경

 

일반 고장률 자료(Generic Failure Data)

1) Estimation(추정)

- 현장 고장률 보고서에서 통계 분석 기법을 사용하여 고장률을 추정

2) Historical data about the device or system under consideration

- 많은 조직이 자신과 관련된 장치 또는 시스템에 대한 고장 정보의 내부 데이터베이스를 유지 관리하며, 이 데이터베이스를 사용하여 해당 장치 또는 시스템에 대한 고장률을 계산

3) Government and commercial failure rate data

- 정부 및 상업 기관에서 제공하는 다양한 부품에 대한 고장률 데이터의 핸드북 등 

- MIL-HDBK-217F, Reliability Prediction of Electronic Equipment, ORDA(Offshore Reliability Data Handbook), Erieda(European Industry Reliability Data Bank), NPRD(Non-electronic Parts Reliability Data) 등

4) Prediction(예측)

- 사이클 테스트(Cycle Testing)와 FMEDA라는 두 가지 접근 방식이 있고 새로 설계된 장치의 고장률 및 고장 모드를 예측하기 위해 사용

 

 

시간과 관련된 고장률

 

고장률 함수, h(t)

 

– 시점 t에서 작동하고 있는 부품이 다음 △t 이내에 고장 날 확률

 

 

여기서, 

 

 

 

 

 

- 고장률 함수는 다음 성질을 갖는다.

 

- f(t) 와 h(t)의 비교

 

 

 

고장률 함수와 욕조 곡선(Bathtub Curve)

 

(1) 초기 고장(Early Failure)

 

발생원인	대책
①설계 오류 ②제조 오류          - 표준 이하 부품 사용          - 조립상의 오류, 빠진 부품, 표준 이하의 작업 솜씨 ③운송 중 파손 ④불충분한 디버깅(debugging)	①충분한 디버깅(debugging) 또는 번인 기간(burn-in period)을 거침 ②표준 재료 사용, 작업자에 대한 교육

(2) 우발 고장(Random Failure)

 

발생원인	대책
외부로부터 가해지는 피치 못할 부하(stress) ①과중한 부하(stress) ②과중한 조작 – 사용자의 과오 ③안전 계수(safety factor = strength/stress)가 낮음 ④디버깅(debugging) 중에도 발견되지 않은 고장	①신뢰성이 높은 부품, 재료 사용 ②적절한 사용 ③극한 상황(extreme condition)을 고려한 설계 ④안전 계수를 고려한 설계

   

(3) 마모 고장(Wear-out Failure)

 

발생원인	대책
마모, 노화, 부식	장치가 보전 가능하다면 예방 보전(preventive maintenance) : 정기적인 수리 및 부품 교체를 통하여 고장을 방지하기 위한 사전 보전)이라든가 고장난 부품을 교환하는 사후 보전(corrective maintenance) 방법으로 상승하는 고장률을 낮출 수 있다.

 

 

수요와 관련된 고장률

 

수요와 관련된 고장률은 PFD로 표현되는데 안전 시스템에서 주로 사용된다.

공정 Process를 안전하게 유지하기 위해 안전한계 내에서 운전을 하고 있고 이를 통제하기 어려울 경우 안전 시스템이 작동하도록 설계되어 있다.  emergency shut down (ESD) systems은 안전 시스템의 일종이다.

그러나 안전 시스템을 작동하려고 할 때 고장이 났다면 그 안전기능을 발휘하지 못 할 것이고 큰 사고로 이어질 것이다.이와 같이 작동하도록 요구를 받았을 때 작동하지 않는 확률을 PFD(probability of failure on demand)라고 한다.

즉 PFD는 안전기능을 사용할 수 없는 것을 의미한다.(the unavailability of a safety function.)

따라서 PFD의 공식은 일반적인 사용 불가능에 대한 위의 공식과 매우 유사하다.

 

- Unavailability(비가용성)

- PFDavg (average probability of failure on demand)

 

여기서 λDU는 감지되지 않은 위험스러운 고장(dangerous undetected failures)의 고장률을 의미하고, 또한 감지되지 않은 위험스런 고장이란 현장에서 그 고장으로 인해 공정이 중단되는 것을 막기위해 일부러 숨겨 놓은 고장을 의미한다.

따라서 이러한 고장은 proof test를 통해서 밝혀질 때까지 명백하지 않기 때문에 안전기능 검증 테스트가 필요하다.  

 

 

 

 

 

 

Reference : https://en.wikipedia.org/wiki/Failure_rate