הנדסת אמינות ואיכות במפעלים יצרניים

תחום הנדסת אמינות ואיכות הוא תחום ידוע ובעל חשיבות רבה ומיושם בעיקר בתעשיות האלקטרוניקה והמתכת במדינות עתירות טכנולוגיה.

אנשים האומרים "בואו נתכנן ונייצר מוצר מהר, תוך דילוג על הנדסת אמינות ואיכות כי ממילא יישומם לא ישתלם מבחינה כספית".

יתוודעו לצורך ביישום הנדסת אמינות ואיכות ברגע שהבעיות יצוצו.

למעשה מטרת תחום זה הוא לחסוך כספים וזאת על ידי שיטת "המניעה" כדוגמאות אפשר להביא :

• טעויות תיכנון המתגלות בסוף שלבי הפיתוח ומחייבים תיכנון חוזר. הדבר כרוך בהוצאות כספיות ובדחיית תחילת הייצור והשיווק.
• מספר התיקונים המבוצעים בקו הייצור תלוי באחוז הרכיבים הפגומים החודרים לקו. ככל שאחוז הפגומים גבוה יותר כדאי לבצע, בשלבים מוקדמים, בדיקות לניפוי הרכיבים הפגומים. רי ביצוע או ביצוע חלקי יכול להכפיל את הוצאות הייצור, דבר שיגרור הפסדים ניכרים במכירות.

מדוגמאות אלו רואים ששילוב הנדסת אמינות ואיכות בשלבי התיכנון והייצור יכולים לחסוך כסף רב.

המאמר דן במערכת אבטחת אמינות ואיכות מתקדמת במפעלים הנמצאים בשלבי התארגנות ובמפעלים הנמצאים בשלבי מעבר למערכת מתקדמת.

לקוראים שאינם עוסקים במפעלי אלקטרוניקה ומכניקה להלן מספר הגדרות שיבאירו את הכתוב:

• איכות – מדד המייצג את מידת ההתאמה שבין המוצר לבין המפרט (ציפיות הלקוח).
• אמינות – יכולתו של המוצר לתפקד כראוי בתנאים מוגדרים ובמשך זמן מוגדר. מדד שה מציין את ההסתברות להצלחה או את היחס שבין מספר ההצלחות לבין מספר הניסויים.
• זמב"ת – זמן ממוצע בין תקלות. הצרכן מעוניין שהזמב"ת יהיה ארוך ככל האפשר מבלי לייקר את המוצר. לעומת זאת היצרן לא תמיד מעוניין בזמן ארוך מפני שהוא מתפרנס גם משירות תיקונים. זמן זה נקבע כאופטימיזציה בין הדרישות ובין עלות המוצר.
• קצב תקלות – מספר התקלות המתגלות בשימוש במוצר מסויים בפרק זמן מוגדר.

מחזור חיי המוצר

קיימים שני סוגי מוצרים :

• הזמנה לפי דרישות לקוח או מיכרז.
• פיתוח רעיון פנימי.

בשני המקרים מפרט דרישות מקיף וסופי, הוא ערובה להצלחת הפרוייקט. על מחלקת השיווק האחראית למפרט זה, לערוך סקרים טכנולוגיים, סיקרי מתחרים, סיקרי לקוחות, מחקרי שוק ופוטנציאל, תימחור ותיקצוב הפרוייקט תוך תיאום עם מחלקת הפיתוח ואבטחת איכות. על פי נתוניםצ תשקול ההנהלה את הכדאיות הכלכלית בפיתוח המוצר ו/או קידום המפעל בכניסה למוצרים וטכנולוגיות חדשות.

הנושאים בתחום הנדסת אמינות ואיכות שיכללו במפרט הדרישות הם: דרישות תקנים לאומיים ובין לאומיים, תנאי סביבה, מקורות מתח והספק, דרישות מגע אדם-מכונה, דרישות אמינות ודרישות תחזוקתיות.

הפיתוח

שלב זה הוא הקריטי ביותר שכן בשלב זה מעוצב המוצר הסופי הכולל את תיכנונו הפנימי, מיבנהו הפיסי, תכונותיו וביצועיו. טעויות בשלב זה מחייבות חזרה על פעילויות ומייקרות את עלות הפיתוח.

שלב הפיתוח מאופיין בבנית דגמים המייצגים את דרגת ההתקדמות שהושגה בפיתוח המוצר :

דגם התיכנות מבצעים בדיקות וניסויים לבדיקת התיכנות מימוש טכנולוגי ופונקציונאלי לרעיון.(שלב שה מבוצע לפני הגשת הצעה למיכרז).

דגם מעבדה זהו גדם ראשוני מייצג כשכל הפונקציות ממומשות, מיבנהו הפיסי ואופן ייצורו אינם חייבים להיות סופיים.

דגם הנדסה דגם סופי מייצג כשכל הפונקציות ממומשות, ומיוצר במיבנהו הסופי אך לא בתהליך ייצור שוטף.

פעילויות הנדסת אמינות ואיכות בשלב זה הן:

עיצוב ארכיטקטורות המערכת, בחירת רכיבים וטכנולוגיות, ניתוח מאמצים חשמליים, ניתוח טרמי, חישוב הזמ"בת, חישוב אמינות וזמינות המערכת, אבטחת איכות תוכנה, ניתוח תקלות, ניתוח מעגלי הבדיקה העצמית, ניתוח תחזוקתיות וניסויים בשלב הפיתוח.

עיצוב ארכיטקטורת המערכת

מערכת מורכבת ממיכלולים ותתי מיכלולים, ואופן שילובם יאפיין את איכות ואמינות המערכת.

הנדסת אמינות תבדוק את אופן השילוב המוצע , תאתר את החולשות ותציע דרכים לאופטומיזציה של אמינות המערכת כנגד עלותה.

דוגמא: מערכת חייבת לפעול 24 שעות ביממה 365 יום בשנה. תקלה בתת מערכת אספקת המתחים משביתה את פעולת המערכת והשבתת המערכת עד שתתוקן חמורה ביותר לצרכניים.

פיתרון: התקנת שתי מערכות לאספקת מתתחים שהאחת מפסיקה לפעול, השנייה נכנסת לפעולה תוך מתן התראה על התקלה שנוצרה ותוך פרק זמן קצר מתוקנת התקלה. במקרה זה היה צורך בפעולת תחזוקה אך הצרכנים לא הרגישו כלל בתקלה (יש כמובן טכניקות נוספות ומורכבות יותר וכל טכניקה נבחרת בהתאם למערכת).

בחירת רכיבים וטכנולוגיות

הנדסת אמינות תערוך רשימות רכיבים ויצרנים מומלצים לשימוש מחלקת הפיתוח הרשאית להשתמש ברכיבים מחוץ לרשימה זו לאחר תיאום עם הנדסת אמינות וזאת על מנת למזער את האשפרות של שימוש ברכיב ובטכנולוגיה בעייתיים או לרכוש רכיב מיצרן לא מומלץ. הנדסת אמינות תבצע בדיקות וניתוחים מעמיקים לכל רכיב חדש המועמד לשימוש במוצרי החברה.

ניתוח מאמצים חשמליים

ניתוח מאמצים חשמליים על רכיב אלקטרוני בא לבדוק את מידת ניצולו מבחינת המאמץ החשמלי המופעל עליו. לדוגמא : בנגדים מחושב ההספק המתבזבז ביחס להספק המקסימלי המותר. במידה ומפזרים על פני הנגד הספק הגדול מהמותר עלול הנגד להישרף.

ניתוח טרמי

בניתוח טרמי מחשבים את הטמפרטורות שישררו סביב הרכיבים. לחילופין, ניתן לבצע מיפוי טרמי מעשי על דגם של המוצר. נתוני הטמפרטורה חשובים ביותר מפני שאם קיימת בעיה של טמפרטורה גבוהה, יש לשנות את מבנה המוצר כדי להוריד את הטמפרטורה. כן הטמפרטורה משפיעה מאוד על הזמב"ת כך שבממוצע קטן הזמב"ת פי 2 עם כל עלייה של 10 מעלות בטמפרטורה.

חישוב הזמב"ת

חישוב בזמב"ת מבוצע על פי מודלים מתמטיים שונים ומודל החישוב יבחר על פי אופי המערכת. החישובים נעשים ברמת רכיבים כשמחשבים לכל רכיב ורכיב את קצב התקלות שלו, על פי נתונים אפליקטיביים בהתאם לשימוש בפועל המערכת. נתוני המאמץ החשמלי שחושב קודם ועל פי אופי תנאי הסביבה של המערכת. מהחישוב יאותרו רכיבים בעלי קצב תקלות גבוה והפרמטרים הקריטיים ברי השינוי שיאפשרו הגדלת הזמב"ת למוצר. דרגות החופש הקיימות בחישוב הם: טמפרטורה, רמת איכות וסוג אריזת הרכיב. ניתן באמצעים ממוחשבים (לדוגמא תוכנת ראם) לצייר גרף של קצב התקלות של המערכת כתלות בדרגות החופש הנ"ל וזאת על מנת לדעת את גבולות קצב התקלות האפשריים למערכת(ראה תרשים 1).

למעשה חישוב הזמב"ת נותן מספר התלוי בגורמים טכנולוגיים של הרכיב ואינו משקף את איכות היצור, התיכנון, ההפעלה ואת איכות התוכנה הקיימת במוצר.

חישוב אמינות וזמינות המערכת

חישוב זה מתבסס על מודל האמינות כפי שהוגדר בשלב "עיצוב ארכיטקטורת המערכת" ועל תוצאות "חיזוי הזמב"ת". חישוב זה נעשה בעיקר במערכות שחיי אדם תלויים בהם או מערכות החייבות לספק שירות רצוף לזמן ממושך. חישוב זה אינו מתבצע במערכות שחישוב הזמב"ת מספק.

אבטחת איכות תוכנה

איכות התוכנה נקבעת בשלבי הפיתוח ופיתוח נכון מתבסס על הגדרת דרישות תוכנה מפורטות.תיכנון מוקדם, תיכנון מפורט, בדיקות תוכנה, סיקרי קוד, סיקרי תיכנון, בדיקות ברמת מערכת ובדיקות שילוב בין תוכנה וחומרה. כל פעולה כזו חייבת להיות מתועדת באופן מפורט. שיטת היישום לנושא זה מתבססות על כתיבת נוהלים המגדירים כיצד מבוצעת כל פעילות והנהגת שיטת בקרה ופיתוח על ביצוע כל פעילות ופעילות.

ניתוח תקלות

קיימים מספר סוגי ניתוח תקלות והחשובים בהם ידועים כניתוח "מלמטה למעלה". בניתוחים אלו מחלקים את המערכת לרמות : מערכת, תת מערכת, מיכלול, תת מיכלול, פונרציה ורכיב, המאפיינים את כל התקלות האפשריות ברמה מסויימת והשפעתם על הרמה הגבוהה יותר שמתחילים מרמת פונקציה. ניתוח FMEA מאופיין כניתוח איכותי ואינו מצביע על מידת הקריטיות של כל תקלה ותקלה. לעומתו ניתוח FMECA נותן את מידת הקריטיות של כל תקלה בכל רמה. הדבר מושג כשיורדים מרמת פונקציה לרמת רכיב שעליו ידועים קצת התקלות ואופני תקלה עיקריים. ניתן להשתמש בתוכנית מחשב שנותנת באופן אוטומטי רשימת תקלות ואפקטים בכל רמה ואחר כך מייצרת עץ תקלות כשבכל רמה מתקבלות כל התקלות האפשריות והגורמים ברמה אחת נמוכה יותר.

מניתוחים אלו ניתן לזהות תקלות בעלות מקדם קריטי גבוה, לבדוק יעילות אלטרנטיבות מימוש אחרות, ולשמש בסיס לתיכנון מערכת הבדיקה העצמית.

ניתוח מעגלי הבדיקה העצמית

מוצרים אלקטרוניים כוללים לעיתים מעגלי בדיקה עצמית חשובים ביותר שכן מערכות שהארכיטקטורה שלהם מושתת על הכפלות זקוקות למעגלי התראה וזיהוי תקלות בחלק מתוכנות המוצר.

בדרך כלל מעגלי הבדיקה העצמית ממומשים בתוכנה ובתוספת של עד 3% רכיבים אלקטרוניים נוספים.

ניתוח זה מבוסס על ניתוח FMEA ו – FMECA ועל האלגוריתם של מנגנון הבדיקה העצמית.

בסיום הניתוח מקבלים, באחוזים את היכולת של מעגלי הבדיקה העצמית לזהות תקלות ואת היכולת לבודד את הסיבה לתקלה. בדרך כלל נידרשת יכולת של לפחות 95% בזיהוי תקלות ו – 90% יכולת באיתור הסיבה לתקלה.

ניתוח תחזוקתיות

בניתוח זה מגדירים את דרגי התחזוקה למערכת, מנתחים את תהליכי התחזוקה השונים לכל דרג ומחשבים לכל דרג את הזמן הממוצע הדרוש לתיקון תקלות. הזמן הממוצע לתיקון הוא פונקציה של היכולת לאתר ולבודד תקלות ועל תיכנון פיסי נכון המאפשר גישה נוחה לצורכי בדיקה פירוק החלפה והרכבה חלקים שהתקלקלו. מקובל להגדיר עד 4 דרגי תחזוקה:

• תחזוקה בשדה או אצל הלקוח.
• תחזוקה במעבדה ניידת.
• תחזוקה במעבדה איזורית.
• תחזוקה במעבדה מרכזית.

הזמן הממוצע הדרוש לתיקון חשוב בתיכנון הלוגיסטי של מערך התחזוקה הכולל את כמות חלקי החילוף שיש להחזיק במלאי בכל דרג ודרג

ניסויים בשלבי הפיתוח

במהלך הפיתוח יש לבצע ניסויים לאימות ביצועי המוצר כמו הוכחת כושר, ניסוי עמידה בצנאי סביבה, אורך חיים וכולי, על גדמי התיכנות, מעבדה והנדסה, והיתקדמות בפיתוח תאושר לאחר הצלחה בניסויים אלו. לפני הניסוי יש להגדיר את הנושאים והפרמטרים הניבדקים ולהציב קריטריונים להצלחה.