FMEA 분석절차

일반적으로 10단계의 절차를 따른다.

1. 제품과, 그 기능적 최소 운용요구조건의 정의 
2. 기능적 신뢰도 블록 다이어그램, 기타 다이어그램 또는 수학적 모형의 개발과 설명 
3. 분석 수행상의 기본원칙과 그에 상응하는 문서양식의 설정 
4. 고장모드, 그들의 원인과 영향, 상대적인 중요성, 그리고 그 연쇄들의 구명 
5. 고장검출과 격리규정 및 방법의 구명 
6. 특히 바람직하지 않은 사건에 대한 설계 및 운용규정의 구명 
7. 사건 치명도 (event criticality) 의 결정 
8. 고장확률의 평가   
9. 필요한 경우, 고려되어야 하는 특정조합의 다중고장에 대한 탐색 
10. 권장사항 

구체적 내용을 소개한다.

(1) 분석과제 정의 및 분석준비 

가장 먼저 이루어져야 할 것은, FMEA 에 포함되어야 할 구체적인 항목과, 그것들이 분석되어야 할 조건들을 규정하는 일로서, 적절한 분석수준과 분석의 경계 조건들을 정의하는 것을 말한다.  다음의 절차를 수행한다. 

• 제품을 효율적으로 다룰 수 있게 어셈블리로 분할한다. 
• 제품과 어셈블리의 기능 다이어그램, 구성도, 도면 등을 검토하여 그들의 연관관계를 결정한다. 
• 분석되어야 할 각 어셈블리에 대하여 완벽한 구성부품목록을 준비한다. 

(2) 분석의 실시 

분석 수행시 가장 중요한 것은, 치명적인 상호작용과 숨겨져 있는 제품 설계상의 상호작용을 도출하기 위하여 분석자가 부품의 구조와 기능에 관하여 충분한 지식을 가지고 있어야 한다는 점이다. 

FMEA 는 결함수 분석 (Fault Tree Analysis) 과 같이 제품 구성요소간의 상세한 기능적 연관관계나 종속성에 관한 정보를 제공하지는 않으므로 이 부족한 상세사항은 분석팀의 경험과 지식으로 보충되어야 한다. 분야 전문가를 포함한 여러 분야의 전문가들의 협력에 의하여 학제간 연구 (multidisciplinary study) 로 이루어져야 한다. 

그러므로, 최소한 분석 팀에는 다음의 전문가가 반드시 참여하여야 한다. 

• 제품의 설계와 운용을 잘 아는 제품 공학자나 사용 전문가 
• 전기적 제어설계, 논리, 사용장비 등을 잘 아는 제어 전문가 

 

직접 수행되는 구체적인 분석내용은 다음과 같다. 

• 제품에 영향을 미치는 운용상의 또는 환경적인 스트레스를 설정한다. 
• 공학적 도면이나 기능 다이어그램의 분석으로부터 구성요소에 영향을 미칠 수 있는 중요한 고장 메커니즘을 결정한다. 
• 모든 구성부품의 고장모드를 판명한다. 
• 운용, 스트레스, 인적반응조치, 사건들의 조합에 있어서 고장이나 손상의 가능성을 증가시키는 특별한 기간이 있는지, 구성부품에 영향을 미치는 각 조건들을 나열한다. 
• 위험성 범주를 평가한다. 
• 위험성을 제거하거나 최소화하기 위한 예방대책 또는 사후대책을 나열한다. 

 

작업의 결과는 표 1과 같은 형태로 문서화한다.  

표1. 분석결과 문서화 예

• 항목번호는 도면이나 블록 다이어그램에서 식별할 수 있는 식별기호를 나타낸다. 
• 장비특성에는 장비유형, 운용모드, 기타 고장모드와 효과에 영향을 미칠 수 있는 기능 특성, 예를 들어 고온, 고압, 부식 등을 기입한다. 
• 고장모드에는 장비특성과 관련된 부품의 모든 고장모드를 나열한다. 이 때 각각의 고장은 제품 내의 다른 고장들과 관계없이 독립적으로 발생한다고 가정한다. 
• 고장원인을 나열하는 이유는, 고장 시나리오를 함축적으로 서술함으로써 고장의 성질을 명확히 하기 위한 것이다. 

고장영향에는 고장위치에 미치는 부품고장의 직접적인 효과와, 다른 장비나 전체 제품에 영향을 줄 것으로 예상되는 결과를 모두 기입한다. 특히 제품의 사고를 예방하기 위해서는, 제품 설계내에 존재하는 안전방호장치가 정상적으로 작동하지 않는다고 가정하고, 그 결과 예견될 수 있는 최악의 상황을 염두에 두고 영향을 평가한다. 

고장검출방법은 고장모드를 어떻게 검출할 것인가 하는 방법을 말한다. 

시정조치에는 해당 고장모드와 관련된 효과의 발생 가능성을 감소시킬 수 있는 모든 사후조치를 나열한다. 만약 제품의 자동제어기능이 별다른 손실없이 고장의 영향을 흡수해 버릴 수 있다면 이 사실도 기입되어야 한다. 

FMEA 에서는, 피해규모의 경중에 차이없이 제품 기능 상실을 초래하는 고장들의 위중함이 모두 같다고 가정되지만, 실제로 고장이 제품에 미치는 영향은 서로 다르기 때문에 집중적으로 관리할 필요성이 대두되기 때문에, 이를 위해 제품 기능에 미치는 치명성을 언급하는 공란을 추가하거나 비고란을 추가하여 이에 대한 사항을 기록한다. 표 1의 치명도는 바로 이러한 목적을 위해 이용된다. 

(3) 분석결과의 정리 및 심층 분석 

이상의 분석이 끝나면 해당 구성요소의 고장이 각 제품 수준에 미치는 대략적인 영향을 파악할 수 있다. 그러나 좀 더 정확하고 비교가 가능한 척도를 얻기 위하여 고장확률을 계산할 수 있다. 구체적인 내용은 다음과 같다. 

• 각 구성부품의 고장발생확률을 기입한다. 
• 하부 어셈블리, 어셈블리, 제품의 고장확률을 계산한다. 
• 구성부품의 치명도를 계산하는 등 분석을 계속하고, 고장이 임무수행에 가져올 수 있는 영향을 분석한다. 

FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) 개념

FMEA 는 What If 분석을 좀 더 체계화한 것이다. 즉, 만약 무슨 일이 벌어진다면 어떻게 될까 (what happens if ) ?" 라는 질문을 염두에 두어 하나의 재료, 부품, 장비 등이 고장났을 경우 그것이 전체 제품이나 사용자, 혹은 제품기능에 어떠한 영향을 미치는가, 생각의 범위를 점차 넓혀가면서 상위수준으로 분석하여 가는 것이다.

그러므로 이 기법은 전형적인 귀납적 분석방법이며 상향성 (bottom-up), 정성적인 위험성 분석기법의 대표라고 할 수 있다. 특히 결함과, 다음 상위 수준의 기능적 제품에 미치는 영향과 메커니즘을 연구하는 데 적합하다.

IEC 812 는 이 기법의 목적을 다음과 같이 밝히고 있다.

• 원인이 무엇이든 제품 기능적 구조의 다양한 수준에서, 각각의 규정된 품목의 고장모드가 초래할 수 있는 사건의 영향과 연쇄를 평가한다. 
• 각 고장모드가 제품의 정상적 기능이나 성능, 또는 관련된 과정의 신뢰도나 안전성에 미치는 중요성이나 치명도를 결정한다. 
• 판명된 고장모드를 검출성 (detectability), 진단성 (diagnosability), 시험성 (testability), 교체성 (replaceability), 보상 및 운용성, 기타 적절한 특성에 따라 분류한다. 
• 자료의 가용여부에 따라 중요도와 고장확률을 추정한다.  

시기적으로, 이 분석은 제품 구상, 계획, 정의단계에서 시행될 수는 있으나 제품의 구성과 기능에 관계된 구체적이고도 많은 자료를 필요로 하기 때문에 그 효과가 한정적이어서, 주로 제품 설계단계와 개발단계에서 이루어지는 것이 일반적이다.

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HAZOP 의 분석 순서

1) 목적 및 분석범위의 설정 
분석목적과 범위를 결정한다. 지나치게 많은 분석 대상은 많은 노력을 필요로 하기 때문에, 보통은 위험성이 높다고 판단되는 부분을 선정하여 분석을 집중하는 것이 보통이다.

2) 분석 팀의 구성 
분석 팀은 학제간 연구가 가능하여야 한다. 이것은 최초 ICI 사에서 규정한 HAZOP 의 정의에서도 분명히 규정하고 있는 사항이다. 그러므로 분석 팀은 전문가들이 참여하여야 하고, 아울러 관리가능하여야 하기 때문에 대체로 57 인 정도로 유지하는 것이 중요하지만, 작은 제품의 경우에는 경험많은 전문가 23 인으로도 가능하다.

분석팀의 구성원이 분석에 전념할 수 있도록 하기 위해서는 기록이나 보고서 작성을 위한 인원을 추가할 수 있다.

3) 예비조사 
예비작업은 일반적으로 다음과 같이 진행된다.

• 필요한 자료의 획득 
• 획득된 자료를 적절한 형태로 전환하거나 분석하기 위한 절차의 수립 
• 회의일정의 계획 

HAZOP 을 실시하기 위해서는 사전에 대상 제품에 대하여 충분히 숙지하고 있어야 한다. 또한 제품변수를 파악하고 그 결과를 예측하기 위해서는 제품설계도, 사용절차, 공정 흐름도 등 상세한 공정설명과 관계자료를 확보하고 있어야 한다. 이 때 확보되고 검토되어야 하는 자료들은 다음과 같다.

• P&IDs 
• 제품설계도 
• 제품흐름도 
• 선형 다이어그램 
• 제품설명 
• 사용설명서/절차 
• 제품재료정보 및 규격 
• 필요시 논리 다이어그램 추가 

4) 난상토론의 실시 

팀 구성원들이 함께 모여 난상토론을 한다. 난상토론 (brainstorming) 의 주된 장점은 팀 구성원들의 다양한 전문지식과 의견교환을 통하여 창조력과 상상력을 자극하여 다양한 아이디어를 만들어낸다는 점이다. 

이 때, 분석 및 검토대상은 보통 연구 절점 (study node) 이라고 부르는 제품변수들의 일탈이 조사될 제품 구조 및 기능상의 위치를 말한다. 일탈 (deviation) 이란 지침어를 체계적으로 적용시킴으로써 의도된 기능으로부터 벗어나는 상황을 가리킨다. 

안내 단어 (guide word) 란 HAZOP 만이 가지고 있는 독특한 기법으로, 난상토론을 통해 쉽게 일탈을 발견할 수 있도록, 의도된 기능을 정성화 또는 정량화하는 데 사용되는 간단한 용어들을 말한다. 각 안내 단어는 공정변수들과 적절히 결합될 수 있으며 연구절점, 제품의 일부, 사용단계 등 어떤 대상점에 대해서도 활용될 수 있다. 예를 들어 표 1과 같은 결합이 가능하다는 뜻이다. 

표 1. 안내 단어와 일탈  

공정변수들의 종류와 성격에 따라 많은 안내 단어들이 만들어질 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 예를 들어 온도의 경우에는 적정온도 이상 혹은 이하의 두 가지만 있을 뿐이다. 반면 어떤 변수들에 대해서는 이 안내 단어들이 적절하지 않을 수도 있으므로 약간의 수정을 가하여 활용하기도 한다.

5) 분석결과의 기록 
난상토론을 통하여 얻어지는 결과는 다음과 같다.

• 발견된 위험원 또는 제품 사용상의 문제 
• 안전성 향상을 위해 수행되어야 하는 설계 및 사용절차의 수정사항 
• 미진한 분석결과를 보완하기 위하여 수행되어야 하는 심층분석 

이 결과는 표2와 같은 양식으로 문서화한다.

표2. 분석결과 기록 양식의 예 

위험 분석 기법 - HAZOP (Hazard and Operability)

HAZOP 의 기본 전제는, 제품이 원래 설계된 대로 작동하는 한 근본적인 위험성이나 운용상의 문제는 없다는 것이다. 그러나, 만일 무엇인가의 이유로 인해 이상요인이 발생하게 되면, 제품이 그 충격을 감당할 수 있느냐 없느냐에 따라 사고가 발생한다는 것이다.

이 기법은 영국의 임페리얼 화학공업주식회사 (Imperial Chemical Industries Ltd., ICI) 에서 개발되어 미국 화공기술자협회 화학공정안전센터 (American Institute of Chemical Engineers Center for Chemical Process Safety) 에서 정리된 기법으로서, 여러 전문분야의 구성원들로 이루어진 분석 팀이 조직적으로 난상토론 (brainstorming) 을 하는 과정에서 시스템의 위험원들과 운용상의 문제점을 구명하는 것이다.

방법론과 분석내용으로 보아서는 앞에서 살펴 본 What If 분석과 크게 다르지 않지만, 분석을 연구 절점 (study nodes) 이라고 하는 특정부분에 집중시키며, 지침어 (guide words) 라고 하는 독특한 분석지침을 도입하기 때문에 좀 더 조직적이고 체계적으로 분석을 할 수 있다는 점에 차이가 있다.

HAZOP 의 분석 목적은 다음과 같이 정리할 수 있다.

• 의도된 설계기능이나 조건 등을 포함하여, 제품이나 시스템의 상세한 설명을 제공한다. 
• 시스템이나 제품의 모든 부분을 체계적으로 검토함으로써, 설계의도로부터의 일탈이 어떻게 발생하는가를 파악한다. 
• 이러한 일탈들이 위험이나 사용상의 문제들을 초래할 수 있는지 결정한다. 

HAZOP 에서는 기본적으로, 제품의 기능특성이 제품의 상태변수를 통해 표현되어야 한다. 제품의 상태변수 (process parameters) 란 제품의 기능이나 운용상태를 나타내기 위한 물리적 변수들을 말하는데, 표 1 에서 보는 바와 같이 온도, 습도, 압력, 유속, 반응속도 등이 그 예이다.

표1. 제품의 상태변수 예시 

SW 제어 구분(예시)

SW 는 제어 특성에 따라 6 개의 제어 범주로 구분할 수 있다.

범주 1

• 시스템의 기능을 독자적으로 제어하는 SW
• 해당 SW 의 오작동으로 인한 위험원 발생을 완화하기 위한 다른 독립 적인 하위 시스템이 없어서 해당 SW 의 고장이 직접적으로 시스템의 위험원을 발생시킨다. 

범주 2

• 시스템의 기능을 제어하는 SW
• 해당 SW 의 오작동으로 인한 위험원 발생을 완화하기 위한 다른 독립적인 하위 시스템이 있다. 

범주 3

• 시스템의 위험원을 탐지하고, 위험원을 완화하기 위한 사용자의 조치를 요구하는 기능을 수행하는 SW
• 해당 SW 의 오작동은 시스템의 위험원을 발생시킨다. 

범주 4

• 시스템의 기능을 제어하는 SW
• 해당 SW 의 오작동으로 인한 위험원을 방지할 수 있는 다중의 독립된 하위 시스템이 존재한다. 

범주 5

• 시스템의 위험원을 탐지하고, 위험원을 완화하기 위한 사용자의 조치를 요구하는 기능을 수행하는 SW
• 그러나 해당 SW 외에도 다중의 독립적인 상태정보를 제공하는 독립적인 하위 시스템이 있다. 

범주 6

• 시스템의 기능을 제어하지 않으며, 사용자 조치를 위한 정보를 제공하지도 않는 SW 

표는 SW 의 안전무결성 수준 결정을 위한 SW 위험원 심각성 매트릭스로 SW 의 안전무결성 수준은 SW 의 제어특성과 시스템의 안전무결성 수준의 조합으로 결정된다. 세로축은 SW 의 제어범주를 나타내며, 가로축은 시스템의 안전무결성 수준을 나타낸다. 예를 들어, 시스템의 안전무결성 수준이 4 이고 SW 의 제어범주가 ④이면, 해당 SW 의 안전무결성 수준은 최소한 2 이상으로 개발되어야 한다. 

안전 무결성 수준(SIL) 결정

IEC61508 에서는 안전 무결성수준(SIL)을 주어진 조건하에 있는 안전관련 시스템이 주어진 시간 내에 요구되는 안전 기능을 만족스럽게 수행할 수 있는 확률로 정의하며, 크게 네가지 등급으로 분류하고 있으며, SIL 4 가 가장 높은 수준이고 SIL 1 이 낮은 수준이다. 안전 무결성은 안전 기능을 수행하는 안전관련 시스템의 성능과 관계되어 있다.

SW 안전 무결성 수준은 모 시스템의 안전 무결성 수준을 하위시스템으로 할당하는 과정을 통해서 결정된다. 즉, 시스템의 안전 무결성 수준을 SW 를 하나의 구성요소로 갖고 있거나 또는 SW 가 유일한 구성요소일 수 있는 하위시스템으로 할당하므로 하위 SW 시스템에 대한 안전 무결성 수준은 상위의 시스템 안전 무결성 수준과 같은 수준으로 배정한다. 그림 1은 할당 과정을 보여준다.

그림1. 안전 무결성 할당 과정

이와 같은 조건은 SW 안전 무결성 수준이 다음과 같은 사항들을 고려하여 감소될 때까지 그대로 유지된다.

위험 완화 기능을 수행하는 하위 시스템에서 단일 또는 복수 고장이 발생하여도 위험한 사건(hazardous Event)이 감소되도록 안전 기능을 복수 이상 제공하는 구조적 설계를 시스템에 반영한다. 하위 시스템이 도출된 위험한 사건 또는 감소 기능에서 어떤 역할을 수행하는지 파악한다. 하위 시스템들의 역할과 그 연계를 파악할 수 있도록 충분히 상세하게 시스템의 구조적 특징이 정의되어야 한다.

SW 의 무결성 수준을 결정하기 위해 필요한 내용은 다음과 같다.

• 시스템 안전 무결성 수준 
• 위험원 목록과 각 위험원에 대한 다음과 같은 정보 
• 위험원을 초래한 수 있는 개시 사건들 
• 각 개시 사건에 대한 발생 예상 빈도 또는 확률 
• 각 하위시스템의 역할을 결정하고 완화 기능을 파악하기 위해 충분히 상세한 시스템 구조의 정의  

하위 시스템에 안전 무결성 수준을 할당하는 방법은 아래와 같다.

• 대상 시스템을 구성하는 모든 하위 시스템들을 규명한다.  
• 어떤 하위시스템의 고장이 단일 또는 복합적으로(다른 하위시스템의 상태와 조합해서) 시스템의 위험원이 되는지 결정한다. 복합 구성에서 만약 한 하위 시스템의 고장이 독자적으로 시스템의 위험원이 된다면 그 하위 시스템의 안전 무결성 수준은 시스템의 안전 무결성 수준과 동일하게 할당된다. 만약 그 하위시스템의 고장이 다른 하위시스템들의 상태와 조합해서 시스템의 위험원이 된다면 그 하위시스템의 무결성 수준은 다음에 정의된 평가결과에 따라 감소될 수 있다. 다음에 언급된 평가는 강제 사항은 아니나, 하위시스템의 무결성 수준을 감소시키기 위해 수행한다. 
• 어떤 하위시스템의 고장이 독립적으로 또는 다른 하위시스템의 상태와 조합해서 시스템의 완화 기능의 수행 여부에 영향을 줄 수 있는지 결정한다. 그림 2는 시스템 사이의 관계를 개념적으로 보여준다. 

 그림 2. 시스템 사이의 관계 

• 하나의 하위 시스템의 고장이 독자적으로 시스템의 완화 기능을 수행하지 못하게 한다면 그 하위시스템의 무결성 수준은 시스템의 무결성 수준과 동일하게 할당된다. 만약 그 하위시스템의 고장이 다른 하위시스템들의 상태와 조합해서 시스템의 완화 기능을 수행하지 못하게 한다면 그 하위시스템의 무결성 수준은 다음에 정의된 평가결과에 따라 감소될 수 있다. 다음에 언급된 평가는 강제사항은 아니나, 하위 시스템의 무결성 수준을 감소시키기 위해 수행한다. 
• 고장이 시스템의 위험원이 되지 않거나, 시스템 사건의 완화 기능과 관계가 없는 SW 가 탑재된 하위시스템들이 있는지를 결정한다. 그러한 SW 는 가장 낮은 무결성 수준을 할당한다. SW 고장이 위험원을 초래할 수 없도록 하기 위하여 결함 격리(fault isolation)가 필요하다. 시스템의 설계 담당자와 안전(또는 품질보증) 담당자는 결함이 적절하게 격리되도록 하기 위하여 시스템의 구조가 적합한지 조사해야 한다. 만약 결함 격리가 고장처리방법으로 가능하다면 그 방법은 시스템과 동일한 SW 무결성 수준이 할당된다. 

위의 네 가지 절차는 SW 만으로 이루어진 모든 하위시스템들의 무결성 수준이 결정될 때까지 또는 SW 를 하나의 구성요소로 하는 모든 하위시스템들의 무결성 수준이 설계 담당자와 안전 담당자에게 적절하다고 인정될 때까지 반복적으로 적용한다.

<위험 분석 절차> 안전 기능 할당

시스템의 위험원에 대하여 위험성이 정해진 후 해당 위험성을 수용할 수 없을 경우에 어떻게 위험원의 발생빈도를 허용 가능한 발생빈도로 낮출 것인지, 제어시스템의 위험성을 허용 가능한 목표치에 도달시키기 위한 안전 기능은 무엇인가에 대한 문제를 해결한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 다음 사항을 만족 해야한다.

• 모든 위험원과 관련된 발생원인을 세부적으로 도출한다. 
• 발생 원인이 위험원으로 진전되지 않도록 하는 안전기능을 도출한다. 
• 발생 원인을 나눌 경우 가능한 한 최소한으로 나누어야 한다. (Minimal Cut Set) 

각 안전기능은 개발된 관련 안전무결성 요구사항을 하나 이상의 지정된 E/E/PE 안전관련 시스템 및/또는 기타 리스크 감소 설비에 할당하여 안전기능을 위한 허용 가능 리스크가 달성될 수 있도록 한다. 

이런 할당은 반복적이며, 허용 가능 리스크가 달성되기 어렵다고 판단되면 위험요인을 감소하기 위한 기능을 추가로 개발하여 EUC 제어 시스템, 지정된 E/E/PE 안전관련 시스템 및 기타 리스크 감소 설비를 위한 명세를 변경하고, 할당을 반복한다. 명세된 안전기능을 모두 할당하고 목표고장 기준으로 각 안전기능을 정의한다. 그림 1은 위험원 제거를 위한 안전기능 할당의 절차를 보여준다. 

그림 1.  위험원 제거을 위한 안전 기능 할당 절차

제어시스템의 안전 기능을 도출하여 해당 위험성을 낮추려고 할 경우에는 가능한 한 최악의 경우를 고려한다. 그러나 제어시스템과 같이 복잡한 시스템의 안전기능의 정도를 설정함에 있어서 다음과 같은 어려움이 있다. 

• 시스템의 갖가지 기능들이 고장날 경우 그 고장 정도는 매우 다양하다. 
• 시스템의 고장을 방지할 안전 기능은 일반적으로 몇 가지 위험원에만 영향을 미친다. 
• 위와 같은 특성을 가지는 안전기능에 단순히 안전 무결성 수준을 설정하여 평준화하는 것은 주관적이며, 모호한 작업일 수 있다. 

 

이러한 SIL 할당의 어려움을 보완하기 위하여 다음과 같은 절차를 적용한다. 

• 조치를 취해야 하는 위험원에 대하여 최대로 수용 가능한 발생 빈도 또는 허용 가능한 위험률을 적용한다. 
• 어느 고장측 고장이 어떤 기능에 영향을 미쳐 잠재적으로 위험원이 발생하는지 확인한다. 이는 어느 고장측 고장이 다른 고장측 고장과 And 게이트로 연결되어 있는지 확인하는 것이다. 
• 잠재적인 위험원 중 가장 낮은 값을 선택한다. 
• 해당 안전 기능을 안전무결성 수준으로 전환한다. 

제어시스템을 운영하는 동안 다양한 상황이 발생한다. 매우 다양한 위험원이 발생할 수 있으나 그 발생 빈도를 평가한다는 것은 매우 어려운 작업이다. 예를 들어 인적 요인과 관련된 위험원이 그런 경우이다. 따라서 각각의 위험원을 보완하는 안전기능들이 필요한지, 필요하지 않은지를 결정하는 문제부터, 안전기능에 필요한 레벨은 어느 정도인지를 결정하기 위해서 주어진 운영환경의 특징 및 통계값을 살펴보고, SIL 에 기반을 두어 좀더 자세히 위험성 분석을 수행해야 한다.