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System-FMEA (Fehlermöglichkeiten- und Einflussanalyse) und FMEA-Modul-Bibliothek für gebäudetechnische Anlagenkomponenten

Hintergrund

Die Herausforderung bei der Fehlererkennung auch mit einer minimalen messtechnischen Ausstattung besteht zumeist in der Eingrenzung der möglichen Fehlerursache im Kontext des komplexen Gesamtsystems. Die hierfür notwendige Wissensbasis über mögliche Fehlerereignisse und deren spezifische Symptomatik erfordert eine differenzierte und standardisierte Vorgehensweise bei der Beschreibung möglicher Fehlerszenarien, Anlagenstrukturen und funktionaler Zusammenhänge. Mit der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) existiert eine standardisierte und bewährte Methodik, welche vorwiegend bei der Produktentwicklung angewendet und maßgeblich in der Raum- und Luftfahrt-, Medizin- und Automobilindustrie eingesetzt und stetig weiterentwickelt wird.

Projektziele

Die Zielstellung dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Fehlerdiagnosealgorithmen für typische Komponenten der technischen Gebäudeausrüstung im Kontext der Gesamtanlage. Als Grundlage soll eine standardisierte Methodik erarbeitet werden, die den hierfür erforderlichen gesamten Entwicklungsprozess, beginnend mit der Informationsgewinnung im Gebäude (Bestandsanlagen , Neubau), über die Aufnahme möglicher Fehlerzustände sowie deren Symptomatik, der anschließenden Ableitung von gebäudespezifischen Fehlerdiagnosealgorithmen bis hin zur Implementierung in die Gebäudeleittechnik, behandelt. Die Arbeitsschwerpunkte sind:

  • Struktur,- Funktions- und Fehleranalysen für typische Komponenten der technischen Gebäudeausrüstung mithilfe der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA)
  • Entwicklung von regelbasierten Algorithmen zur Detektion fehlerhafter Betriebszustände und Eingrenzung möglicher Fehlerursachen
  • Ermittlung messtechnischer Ausstattungsstandards unter Berücksichtigung der im System auftretenden Fehlermöglichkeiten
  • Anwendung einer standardisierten Verfahrensweise zur Entwicklung von Fehlererkennungs- und Diagnosealgorithmen (FED) 
  • Entwurf einer Datenbank mit modularer Struktur zur Dokumentation der FMEA-Ergebnisse für Standard TGA-Komponenten
  • Implementierung der entwickelten Algorithmen in vorhandene Automationssysteme unter Nutzung der regelungsrelevanten Datenpunkte

FMEA in der Gebäudetechnik

Die FMEA wurde auf die technischen Gebäudeausrüstung in den Bereichen Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Kältetechnik angewendet. Ziel war die Analyse und Bewertung von Fehlerszenarien als Wissensbasis für die Erarbeitung von Präventions- und Entdeckungsmaßnahmen. Bei der FMEA Vorgehensweise wurde sich an dem Standard des VDA und AIAG orientiert. 

Inhalt der FMEA

Nach VDA- und AIAG-Standard erfolgt die Bearbeitung der FMEA in sieben Teilschritten (siehe Grafik). Nach einem anfänglichen Scoping-Prozess folgt im zweiten Schritt die Strukturanalyse zur Erfassung der vorhandenen Anlagentechnik, einschließlich der Teilsysteme und Einzelkomponenten, als Baumstruktur. Hierauf aufbauend werden wichtige funktionale Zusammenhänge, Anforderungen und Merkmale anhand von Funktionsnetzen erfasst. Über die Funktionen können nun mögliche Fehlfunktionen abgeleitet und die Fehlerursachen und Auswirkungen in komplexen Fehlernetzen beschrieben werden. Zuletzt werden die Fehlerszenarien hinsichtlich Bedeutung der Fehlerauswirkungen sowie der Auftretens- und Entdeckungswahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung vorhandener Vermeidungs- und Entdeckungsmaßnahmen bewertet. Die Fehlererkennungsmaßnahmen werden optimiert und die Ergebnisse anschließend dokumentiert.

Fehlererkennung und -diagnose (FED)

Mit dem zeitlichen Fokus auf der Lebenszyklusphase des Gebäudebetriebs wurden verschiedene Fehlerszenarien untersucht und standardisiert anhand der FMEA beschrieben. Auf dieser Grundlage entwickelten die Projektpartner gemeinsam verschiedene Regeln zur Fehlererkennung, welche anschließend in Automationsplattformen implementiert wurden. Einzelne Fehlerszenarien wurden für die Entwicklung und Evaluierung von FED-Regeln in Versuchsanlagen nachgebildet.

Fazit und Ausblick

FMEA kann ein wichtiger Baustein bei der Planung von FED-Maßnahmen sein. Die Methode liefert Informationen zu möglichen Fehlerszenarien mit der Zuordnung spezifischer Symptome und ermöglicht eine Priorisierung einzelner Fehlerarten nach verschiedenen Kriterien. Hierdurch können notwendige Parameter für die Fehlererkennung abgeleitet und geeignete FED-Methoden ermittelt werden. Die Verfügbarkeit einer Vielzahl verschiedener Verfahren zur Fehlerdiagnose erfordert zudem eine Methodik zur Anpassung der FED-Anforderungen je nach Anwendungsfall. Die Weiterentwicklung und Etablierung eines branchenbezogenen FMEA-Standards auf Ebene des Gesamtsystems Gebäude und der Einsatz der FMEA in frühen Phasen der Gebäudeplanung ist jedoch entscheidend.

Laufzeit:

01.09.2018 bis 30.06.2022

Projektleitung

Professor Dr.-Ing. Michael Kappert

Projektmitarbeiter:

Patrick Müller, M.Eng.

Christoph Hutter, M.Eng.

Andre König, M.Sc.

Projektpartner:

ILK Dresden - Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH

ifm electronic GmbH

Projektträger:

Forschungszentrum Jülich

Zuwendungsgeber: