Vztah mezi kvalitou a spolehlivostí

Václav Legát
Česká zemědělská univerzita v Praze,
Technická fakulta
profesor

Martin Stávek
Česká zemědělská univerzita v Praze,
Technická fakulta
doktorand

resumé
V příspěvku se autor zamýšlí nad vztahem mezi kvalitou a spolehlivostí. Autor vychází z řady norem ČSN ISO 9000 k problematice managementu kvality a z řady norem ČSN EN 60300 k problematice managementu spolehlivosti. Protože v našich podnicích chybí systémová místa pro inženýry spolehlivosti, je doporučeno, aby manažeři kvality spolu s konstruktéry se více zapojili do managementu spolehlivosti, a tak přispěli k dalšímu zlepšování kvality a spolehlivosti výrobků.

1.    Úvod

V dnešní době jsou kompetence a pozice manažera kvality v organizaci již velmi dobře definovány a drtivá většina organizací má obsazena místa manažerů kvality. Hlavní úkol manažera kvality spočívá v organizování, řízení a kontrole procesů, které zabezpečují, že organizace vyrábí výrobky a/nebo poskytuje služby na požadované a specifikované úrovni znaků kvality, a to vždy v rámci nějakého (nejčastěji normovaného) systému managementu kvality. Stejně tak obsah pojmu kvalita je definován v mezinárodních normách převzatých do souboru ČSN ISO 9000, jak bude dále uvedeno. Jedním z významných znaků (charakteristik) kvality je spolehlivost produktu, ať již výrobku nebo služby.

Cílem tohoto příspěvku je vypracování studie o vztahu kvality a spolehlivosti a dále shromáždit argumenty pro uplatnění péče manažera kvality i o management spolehlivosti a jeho začlenění do integrovaného managementu organizace.

2.    Postavení spolehlivosti v normách managementu kvality

Jestliže kvalita (jakost) je definována jakožto stupeň splnění požadavků souborem inherentních charakteristik (znaků) [1, 2], potom spolehlivost je definována jako souhrnný termín používaný pro popis pohotovosti a činitelů, které ji ovlivňují:
bezporuchovosti, udržovatelnosti a zajištěnosti údržby [3]. V aktualizovaném návrhu normy IEC 60050-191 je spolehlivost definována jako schopnost fungovat tak, jak je požadováno, a tehdy, když je to požadováno.

Charakteristika (znak) jako rozlišující vlastnost má podle normy ČSN EN ISO 9000:2001 [1] asociativně přiřazenou spolehlivost stejně tak, jako sledovatelnost má genericky přiřazené charakteristiky kvality (inherentní charakteristiky produktu, procesu nebo systému týkající se požadavku). Z obr. 1 není vůbec jasné, proč autoři normy ISO 9000:2005 [2] zařadili spolehlivost jako asociativní a nikoliv generický vztah mezi charakteristikou a spolehlivostí, přičemž spolehlivost (jako podřazený pojem) přejímá všechny znaky charakteristiky (jako nadřazeného pojmu) a současně obsahuje popisy těch charakteristik, které je odlišují od nadřazeného pojmu. Spolehlivost je jednoznačně inherentní charakteristika produktu a tudíž má generický vztah k charakteristice a partitivní vztah k charakteristice kvality, je tedy charakteristikou kvality a už také proto, populárně řečeno, že spolehlivost je projev kvality v čase. V žádném případě ji nelze zařadit na úroveň sledovatelnosti, ale mezi významné charakteristiky kvality.

Bohužel ani aktualizovaná norma ČSN EN ISO 9001:2009 Systémy managementu kvality – požadavky [5], která je většinou základním řídicím systémovým dokumentem manažera kvality, neobsahuje vůbec explicitně vyjádřený termín spolehlivost.

Explicitně vyjádřený termín spolehlivost a některé další vztažené znaky spolehlivosti lze nalézt v již nahrazené a dnes již „neplatné“ normě ČSN EN ISO 9004:2001 Systémy managementu kvality – Směrnice pro zlepšování výkonnosti [6] v pasážích věnovaných zlepšování výkonnosti.

Z velmi stručné analýzy postavení spolehlivosti v normách z oblasti kvality lze vyvodit tyto dílčí závěry:

  1. Norma ČSN EN ISO 9000:2006 Systémy managementu kvality – Základní principy a slovník [2] obsahuje definici spolehlivosti a přiřazuje ji asociativním vztahem k termínu charakteristika (znak), což autoři nepovažují za správné. Spolehlivost je partitivně vztažena k charakteristice kvality a ta pak generickým vztahem k charakteristice obecně. Jednoduše řečeno, spolehlivost je důležitou charakteristikou (znakem) kvality.
  2. Norma ČSN EN ISO 9001:2001 [4] ani ČSN EN ISO 9001:2009 Systémy managementu kvality – Požadavky [5] bohužel neobsahuje žádný explicitně vyjádřený termín spolehlivost, tj. nepopisuje ani nepřipomíná žádné požadavky na procesy managementu spolehlivosti.
  3. Dnes již nahrazená a neplatná norma ČSN EN ISO 9004:2001 Systémy managementu kvality – Směrnice pro zlepšování výkonnosti [6] v článcích věnovaných zlepšování výkonnosti obsahuje na více místech explicitně vyjádřený termín spolehlivost včetně termínů se spolehlivostí souvisejících. Z této normy (v případě jejího uplatnění) je také zřejmá povinnost managementu zabývat se spolehlivostí ve všech hlavních oblastech systému managementu kvality, tj. v dokumentaci, v povinnostech managementu, v managementu zdrojů, v realizaci produktu a ve měření, analýze a zlepšování. Při uplatnění této normy se tedy spolehlivost promítne do požadavků a specifikacích produktu, výrazně do činnosti konstruktérů v procesech návrhu a vývoje, do procesů realizace produktu (výroby a instalace) ve formě spolehlivosti a způsobilosti procesů a výrobních zařízení včetně zajištěnosti jejich údržby a v neposlední řadě do procesů verifikace a validace ukazatelů spolehlivosti formou zkoušek spolehlivosti.
  4. Z hlediska managementu spolehlivosti je velkou ztrátou, že nová přepracovaná norma ČSN EN ISO 9004:2010 Řízení udržitelného úspěchu organizace – Přístup managementu kvality [7] opět neobsahuje ani jedno explicitně vyjádřené slovo spolehlivost.

Podíváme-li se na konkrétnější obsah charakteristik kvality a spolehlivosti, můžeme zaznamenat širší vztahy mezi kvalitou a spolehlivostí strojírenského výrobku – viz obr. 2. Lze shrnout, že normy z oblasti managementu a inženýrství kvality se pouze v malém až zanedbatelném rozsahu explicitně věnují spolehlivosti výrobku nebo služby.

3. Současné postavení spolehlivosti výrobků v praxi

S ohledem na prokázanou skutečnost, že spolehlivost je jednou z významných charakteristik kvality, položme si otázku: „Jak jsou uplatňovány požadavky na spolehlivost ve specifikacích a plánech kvality v praxi?“ Kromě několika málo organizací se v podnicích nepracuje s kvantitativními požadavky na spolehlivost. Je to způsobeno především tím, že jenom málo zákazníků specifikuje kvantitativní požadavky na polehlivost, a tím není vytvářen plošný tlak na výrobce a poskytovatele služeb zabývat se systémově managementem spolehlivosti. V organizacích chybí pracovní místa inženýrů spolehlivosti, ať již v etapě návrhu, výroby a instalace nebo v etapě provozu, údržby, sběru dat a zkoušení.

Druhým důvodem je skutečnost, že prokazování a ověřování kvantitativních charakteristik spolehlivosti je proces zdlouhavý, dosahované číselné výsledky se vyznačují všemi problémy spojenými s variabilitou, odhady a stochastickou interpretací včetně nezanedbatelných nákladů na sběr dat, jejich zpracování a správnou prezentaci. Například úsporná výbojková žárovka má uváděný život (špatně životnost, neboť to je vlastnost) 10000 hodin. Co si pod tím má představit zákazník? Je to střední život, kterého se v případě exponenciálního rozdělení hustoty dožije pouze 37 % žárovek, v přídě normálního rozdělení hustoty 50 % žárovek, nebo výrobce měl snad na mysli tzv. gamaprocentní život, např. na úrovni pravděpodobnosti 95 %, což by znamenalo, že 95 % žárovek se dožije uvedených 10000 hodin a více. V případě, že se stane život 10000 hodin předmětem záručních pravidel, může tedy zákazník reklamovat každou žárovku, která se nedožije 10000 hodin? Navíc např. jak zákazník prokáže, že jeho žárovka svítila jenom 9000 hodin. Ze všech uvedených problémů vyplývá, že je nedostatek odborníků vyškolených v oblasti spolehlivosti.

K dalším slabinám současné úrovně managementu spolehlivosti patří:

  • nedostatečná nebo žádná kvantifikace požadovaných hodnot ukazatelů spolehlivosti,
  • nedostatečné nebo žádné zdroje pro rozvoj managementu spolehlivosti,
  • chybí laboratoře pro měření spolehlivosti,
  • velmi omezeně se provádějí určovací a ověřovací laboratorní a provozní zkoušky,
  • nejsou ustanovena pracovní místa inženýrů pro spolehlivost a chybí i dostatek specializovaných inženýrů na spolehlivost,
  • nízký počet osvětových akcí v ČR (konferencí, seminářů a workshopů) věnovaných teorii a uplatňování spolehlivosti v praxi,
  • je zpravidla vytvářen pouze tlak na bezpečnost užití produktu zákony 59/98 Sb. o odpovědnosti za škody způsobené vadou výrobku a 22/1997 Sb. o technických požadavcích na výrobky.

Na druhé straně lze najít a přidat i trochu optimismu; např. v oblasti elektroniky, automobilů apod., kde intuitivní a kvalitativní průzkumy spolehlivosti ukazují, že spolehlivost roste navzdory rostoucí složitosti a počtu prvků v této technice. Na této skutečnosti mají podíl nejenom konstruktéři a technologové, ale i někteří manažeři kvality, kteří v současné době protlačují do procesů vybrané nástroje spolehlivosti, jako jsou metody FMEA, FMECA, Paretova analýza příčin neshod/poruch apod.

Můžeme uvádět i pozitivní příklady postupného uplatňování managementu spolehlivosti nejenom v leteckém průmyslu, ale i ve výrobě kolejových vozidel a jejich komponentů, kde na základě tlaků zákazníků a jejich specifikací kvantitativních charakteristik spolehlivosti je výrobce nucen velmi intenzivně se zabývat spolehlivostí a její analýzou. V konkrétním případě je to opět manažer kvality, který sehrál a sehrává iniciační a koordinační úlohu v managementu a inženýrství spolehlivosti, nejdříve organizováním masivního vzdělávání a následující implementací nástrojů a metod spolehlivosti do procesů návrhu, výroby a provozu, přičemž on sám prošel celým vzdělávacím procesem pro získání další důležité kompetence, a to manažera spolehlivosti.

Výbor odborné skupiny pro spolehlivost (VOSS) při České společnosti pro jakost (ČSJ) sdružuje přední odborníky spolehlivosti z univerzit (České vysoké učení technické v Praze, Technická univerzita v Liberci, nedávno ještě Univerzita Pardubice, Univerzita obrany v Brně, Česká zemědělská univerzita v Praze) a z praxe ČR a organizuje čtyřikrát do roka bezplatné semináře z oblasti spolehlivosti jak pro členy OSS, tak i pro širší odbornou veřejnost.

Masovějšímu rozmachu vzdělávacích aktivit VOSS brání skutečnost, že ve většině výrobních organizací nejsou ustaveny pozice inženýrů spolehlivosti, a tudíž VOSS nemá šanci oslovovat velkou skupinu zájemců z oblasti spolehlivosti tak, jak je to možné v oblasti managementu kvality. Nicméně lze pozorovat, že požadavky zejména zahraničních zákazníků na spolehlivost dodávaných výrobků vedou ke zvyšování zájmu a vzniku poptávky některých výrobních organizací v ČR po poskytování vzdělávacích a poradenských služeb v oblasti spolehlivosti. Lze rovněž pozitivně konstatovat, že do vzdělávacích programů ČSJ Manažera kvality je zařazena pasáž o spolehlivosti v rozsahu čtyř vyučovacích hodin.

4.    Aplikace normy ČSN EN ISO 9001:2001 a 2008 do managementu spolehlivosti

V oblasti norem managementu spolehlivosti ČSN EN 60300-1:2004 a ČSN EN 60300-2:2005 lze identifikovat významný proces harmonizace s normou ČSN EN ISO 9001:2001 a 2008, což dává předpoklady k ulehčení procesu jejich zavádění a uplatňování v praxi.

Současné požadavky zákazníků, zejména výrobních organizací z oblasti strojírenské, elektrotechnické a elektronické výroby, jsou již orientovány i do oblasti spolehlivosti včetně údržby a její zajištěnosti objednávaných a nakupovaných produktů. Stávající procesy integrovaného managementu (systém managementu kvality + systém environmentálního managementu + systém managementu bezpečnosti a ochrany zdraví při práci) v organizacích je nezbytné doplnit o další systém, a to systém managementu spolehlivosti – viz obr. 3.

Systémy procesů managementu spolehlivosti se zabývají především normy ČSN EN 60300-1:2004 Management spolehlivosti – Část 1: Systémy managementu spolehlivosti [8], ČSN EN 60300-2:2005 Management spolehlivosti – Část 2: Směrnice pro management spolehlivosti [9] a soubor norem, které základní systémy doplňují, rozpracovávají a vytvářejí sadu nástrojů managementu spolehlivosti.

Spolehlivost je v prostředí současného globálního obchodu klíčovým faktorem rozhodování. Spolehlivost ovlivňuje náklady a procesy produktu. Je to vnitřní vlastnost návrhu produktu ovlivňující jeho výkonnost. Spolehlivého produktu se dosáhne uplatňováním spolehlivostních disciplín v časných etapách koncepce a návrhu životního cyklu produktu, který potom bude poskytovat nákladově efektivní činnosti. Jako u jiných technických a inženýrských oborů je nutné spolehlivost řídit tak, aby byly zákazníkům dodávány produkty s vysokou hodnotou. V nejširším smyslu spolehlivost odráží důvěru uživatele v použitelnost produktu dosažením spokojenosti uživatele se způsobilostí produktu, pohotovostí produktu poskytovat službu na požádání a minimalizací nákladů spojených s pořízením a vlastnictvím produktu po celou dobu jeho životního cyklu.

Vztahy mezi termíny z oboru spolehlivosti jsou uvedeny na obr. 4. U zákazníků hledajících nákladově efektivní provoz zaujímá v mnoha produktech bezporuchovost, udržovatelnost a pohotovost významné místo mezi dominantními charakteristikami výkonnosti. Bezporuchovost a udržovatelnost jsou charakteristiky výkonnosti (technické parametry), které jsou vlastní návrhu produktu. Zajištěnost údržby je vzhledem
k produktu externí a ovlivňuje jeho spolehlivost. Zajištěnost údržby reflektuje schopnost údržbářské organizace poskytnout nutné zdroje pro zachování takové úrovně zajištěnosti údržby, aby se dosáhlo cílů pohotovosti systému.

Normovaný systém managementu spolehlivosti je součástí celkového systému managementu organizace. Toto systémové pojetí managementu spolehlivosti je plně kompatibilní s normovaným systémem managementu kvality podle norem ISO řady 9000. Poskytuje základní organizační strukturu pro strategický směr politiky spolehlivosti, řízení spolehlivostních funkcí (funkčních míst) a koordinaci všech spolehlivostních procesů. Pro přizpůsobení úsilí k dosažení žádoucích cílů spolehlivosti je zapotřebí včas věnovat pozornost plánům spolehlivosti
a rozvržení příslušných zdrojů. Pro zajištění spolehlivosti produktu je zásadně důležité, aby byla bezporuchovost a udržovatelnost při návrhu zabudována do produktu a aby byla ověřena jejich přijatelnost v různých etapách realizace produktu. K udržení spolehlivosti při používání produktu je zapotřebí vynaložit přiměřené úsilí na údržbu, pokud dostupná technologie neumožňuje dosáhnout bezporuchových životních cyklů.

Důležité pro realizaci normovaného systému managementu spolehlivosti je rozklad procesů do jednotlivých etap životního cyklu produktu. Jde o etapy koncepce a stanovení požadavků, návrhu a vývoje, výroby, instalace, provozu a údržby a vypořádání. Detailnímu popisu a aplikaci normovaného systému managementu spolehlivosti bude věnován některý příští seminář VOSS.

5.    Manažer kvality by měl přispívat ke kvantifikaci spolehlivosti

Lze říci, že manažeři kvality za posledních patnáct let bezesporu přispěli ke zlepšení kvality, a tím i spolehlivosti produktů (výrobků a služeb). Jestliže dnes manažeři kvality zvládají metody statistické kontroly procesů a způsobilosti výrobního zařízení, metody FMEA a FMECA, nelze to již tvrdit o zvládnutí elementárních nástrojů kvantifikace spolehlivosti. Podle názoru autorů by měli manažeři kvality zvládat vedle zásad managementu spolehlivosti i několik níže uvedených elementárních kvantitativních ukazatelů spolehlivosti, s jejichž naplňováním by se měli zabývat či je uplatňovat v praxi.

Pro manažery kvality je nutno předeslat, že rozlišujeme inherentní spolehlivost (ta je do produktu „vprojektovaná“, „vkonstruovaná“, je produktu vlastní a měří se v přesně definovaných a stabilních, zpravidla laboratorních podmínkách provozu a údržby) a provozní spolehlivost (téhož produktu se měří v reálných podmínkách provozu a údržby, které se vyznačují mnohem vyšší variabilitou).

Je třeba poznamenat, že ukazatele provozní spolehlivosti lze využívat i jako indikátory výkonnosti a účinnosti údržby (např. střední doba provozu mezi poruchami, střední doba do obnovy apod.).

Při výpočtu ukazatelů spolehlivosti je nutné rozlišovat neopravované (porucha je řešena prostou výměnou produktu, např. žárovky, pojistky, valivá ložiska apod.) a opravované (porucha je řešena údržbou produktu, např. stroje, zařízení, aparáty, vozidla apod.) objekty.

5.1    Ukazatele spolehlivosti neopravovaných produktů (objektů)

V této stati uveďme bez odvozování a zdůvodňování šest základních empirických ukazatelů:

1.    Odhad střední doby provozu do poruchy (středního života objektu) MTTF

(1)

kde n je počet sledovaných objektů do poruchy, ti  je doba života (provozu) i-tého objektu do poruchy.

2.    Odhad hustoty doby provozu do poruchy f(t)

(2)

kde nS(t) je počet objektů, které jsou v časovém okamžiku t ještě v provozu (nS(0) = n), nS(t) – nS(t + Δt) je počet objektů, které měly v časovém intervalu (t, t + Δt) poruchu.

3.    Odhad pravděpodobnosti poruchy F(t)

(3)

kde nS(t) je počet objektů, které jsou v časovém okamžiku t ještě v provozu (nS(0) = n)

4.    Odhad pravděpodobnosti bezporuchového provozu R(t)

(4)

kde nS(t) je počet objektů, které jsou v časovém okamžiku t ještě v provozu (nS(0) = n)

5.    Odhad intenzity poruch l(t)

(5)

kde nS(t) je počet objektů, které jsou v časovém okamžiku t ještě v provozu (nS(0) = n), nS(t) – nS(t + Δt) je počet objektů, které měly v časovém intervalu (t, t + Δt) poruchu.

6.    Gama procentní život tg

(6)

kde g je kvantil náhodné veličiny – doby provozu do poruchy s pravděpodobností bezporuchového provozu.

Průběh jednotlivých funkčních závislostí pro normální useknuté rozdělení dob do poruchy je na obr. 5 a pro exponenciální rozdělení dob do poruchy je na obr. 6.

5.2    Ukazatele spolehlivosti opravovaných produktů (objektů)

V této stati uveďme bez odvozování a zdůvodňování čtyři základní empirické ukazatele:

1.    Odhad střední doby provozu mezi poruchami MTBF

(7)

kde m je počet poruch opravovaného objektu, tj  je j-tá doba provozu mezi dvěma po sobě následujícími poruchami (j -1; j).

2.    Odhad střední doby opravy MTTR

(8)

kde m je počet poruch (oprav) opravovaného objektu, tj  doba opravy j-té poruchy.

3.    Odhad parametru proudu poruch L(t)

(9)

kde nF(t, t + Δt) je počet poruch pozorovaných během časového intervalu (t, t + Δt), n je počet opravovaných objektů.

4.    Součinitel ustálené (asymptotické) pohotovosti A

(10)

kde MUT je střední doba použitelného stavu, MDT je střední doba nepoužitelného stavu (obsahuje střední dobu do obnovy + střední dobu preventivní údržby).

Jde o nejobecnější ukazatel spolehlivosti opravovaných objektů. Součinitel ustálené pohotovosti lze konfigurovat jinou specifikací vstupních dat. Je velmi důležité, aby ve smlouvách při nákupu strojů a zařízení byla věnována mimořádná pozornost specifikaci těchto vstupních dat pro výpočet součinitele ustálené pohotovosti. Níže je uveden další vztah pro výpočet ustálené pohotovosti.

(11)

kde MTBF je střední doba provozu mezi poruchami, MTTR je střední doba do obnovy (obsahuje střední dobu údržby po poruše + dobu nezjištěného poruchového stavu a administrativního zpoždění).

6.    Závěr

Přes všechno úsilí Odborné skupiny pro spolehlivost ČSJ se nedaří plošně protlačit do praxe podniků systém managementu spolehlivosti (SMS) (DMS – Dependability Management System). Důvodů, jak již bylo uvedeno, je jistě celá řada. K základním důvodům patří malý zájem zákazníků o kvantifikaci spolehlivosti produktů, resp. neznalost způsobů specifikace požadavků na spolehlivost na straně jedné a absence pracovních míst inženýrů – manažerů spolehlivosti ve výrobních organizacích na straně druhé.

S ohledem na současnou situaci je autor toho názoru, že nositelem postupného uplatňování SMS v podnicích by měl být manažer kvality s doplněným základním výcvikem v oblasti inženýrství a managementu spolehlivosti. Očekává se, že manažer kvality v následujícím kroku získá inženýra spolehlivosti (vycvičeného v otázkách spolehlivosti do větší hloubky) z řad návrhářů (konstruktérů) ve své organizaci pro praktické realizace programů spolehlivosti. Zkušenosti s prvními průkopníky spolehlivosti tento názor podporují a naznačují jeho reálnost.
Podklady pro uplatňování systému managementu spolehlivosti existují jednak v systémové normě ČSN EN 60300-1:2004, která je plně harmonizovaná s normou ISO 9001:2000 a prakticky i s normou ISO 9001:2008 (s ohledem pouze na „kosmetické“ úpravy této normy) [5] a dále v celé další řadě norem, které do veliké hloubky přibližují techniky a nástroje spolehlivosti – viz http://www.csq.cz/fileadmin/user_upload/Spolkova_cinnost/Odborne_skupiny/Spolehlivost/informace/Normy_Spolehlivost_2013_12.pdf. Podle názoru autorů nic nebrání postupnému zavádění systému managementu spolehlivosti do integrovaného systému řízení zejména výrobních organizací. SMS umožňuje výrazně zvyšovat potenciál kvality produktů, neboť spolehlivost je jedna z důležitých charakteristik kvality. Je to výzva pro organizace a jejich manažery kvality, poradce a certifikační orgány, neboť systémová a plně harmonizovaná norma ČSN EN 60300-1:2004 je již delší dobu k dispozici a umožňuje certifikaci systému managementu spolehlivosti.

Literatura:
[1]    ČSN EN ISO 9000:2001 Systémy managementu kvality – Základy, zásady a slovník
[2]    ČSN EN ISO 9000:2006 Systémy managementu kvality – Základní principy a slovník
[3]    ČSN IEC 50(191):1993 Medzinárodný elektrotechnický slovník – Kapitola 191: Spoľahlivosť a akosť služieb
[4]    ČSN EN ISO 9001:2001 Systémy managementu kvality – Požadavky
[5]    ČSN EN ISO 9001:2009 Systémy managementu kvality – Požadavky
[6]    ČSN EN ISO 9004:2001 Systémy managementu kvality – Směrnice pro zlepšování výkonnosti
[7]    ČSN EN ISO 9004:2010 Řízení udržitelného úspěchu organizace – Přístup managementu kvality
[8]    ČSN EN 60300-1:2004 Management spolehlivosti – Část 1: Systémy managementu spolehlivosti
[9]    ČSN EN 60300-2:2005 Management spolehlivosti – Část 2: Směrnice pro management spolehlivosti