Gewährleistung der funktionalen Sicherheit von Maschinen: Berechnung von SIL- und PL-Levels gemäß IEC 62061 und ISO 13849

Einleitung: Technische Herausforderung und Kritikalität der Gerätezuverlässigkeit

Die Gewährleistung der Funktionssicherheit von Maschinen ist eine grundlegende Anforderung in der modernen industriellen Produktion. Arbeitsunfälle führen nicht nur zu Personen- und Sachschäden, sondern auch zu Ausfallzeiten, Produktivitätsverlusten und Reputationsrisiken. Die technische Herausforderung besteht darin, Gefahren systematisch zu identifizieren, Risiken zu bewerten und Kontrollsysteme zu entwerfen, zu implementieren und zu überprüfen, die diese Risiken auf ein akzeptables Maß reduzieren. Diese Methodik ist von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung eines unterbrechungsfreien und sicheren Betriebs von Produktionskomplexen, insbesondere unter Bedingungen intensiven Betriebs ukrainischer Industrieunternehmen. Die Einhaltung internationaler und nationaler Standards wie DSTU EN ISO 12100 und DSTU EN ISO 13849 bietet einen systematischen Ansatz für diese Aufgabe.

Grundprinzipien: Physik und Theorie der Sicherheit

Funktionale Sicherheit ist definiert als der Teil der Gesamtsicherheit, der von der korrekten Funktion eines Steuerungssystems abhängt, das auf Eingangssignale reagiert und Geräte in einen sicheren Zustand versetzt oder in einem solchen Zustand hält. Die funktionale Sicherheit basiert auf folgenden Grundsätzen:

• Safety by Design-Prinzip: Gefahren werden bereits in der Maschinenkonstruktionsphase eliminiert oder Risiken reduziert, nicht durch das Hinzufügen externer Schutzvorrichtungen.
• Prinzip der Fehlerminimierung: Die Komponenten und die Architektur von Sicherheitssystemen müssen so gestaltet sein, dass die Wahrscheinlichkeit gefährlicher Ausfälle verringert wird.
• Grundsatz der Diagnoseabdeckung: Sicherheitssysteme müssen in der Lage sein, eigene interne Ausfälle zu erkennen und zu melden.
• Prinzip der Redundanz: Duplizierung kritischer Funktionen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit. Zum Beispiel die Verwendung von zwei unabhängigen Endschaltern anstelle von einem.

Der Risikobewertungsprozess nach DSTU EN ISO 12100 ist die Grundlage für die Ermittlung des erforderlichen Sicherheitsniveaus. Dazu gehören die Gefahrenerkennung, die Risikobewertung (Schwere der Verletzung, Häufigkeit der Exposition, Vermeidbarkeit) und Entscheidungen zur Risikominderung. Hierzu wird häufig ein Risikograph oder eine Risikomatrix verwendet. Das Ergebnis dieser Bewertung ist ein angestrebter Performance Level (PL) oder Safety Integrity Level (SIL).

Technische Spezifikationen und Standards: IEC 62061 und ISO 13849

Zur Quantifizierung der funktionalen Sicherheit in der Industrie werden zwei Hauptstandards verwendet:

• IEC 62061 (DSTU EN 62061:2018): „Sicherheit von Maschinen. Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme“. Diese Norm basiert auf dem Konzept des SIL (Safety Integrity Level) und wird hauptsächlich für komplexe elektrische, elektronische und programmierbare elektronische Sicherheitssysteme (E/E/PES) verwendet. SIL definiert die Wahrscheinlichkeit eines Sicherheitsausfalls bei Bedarf (PFD_AVG) oder gefährliche Ausfallrate pro Stunde (PFH) für Dauerbetrieb. Es gibt 4 SIL-Stufen, von SIL 1 (niedrigste) bis SIL 4 (höchste), wobei beispielsweise für SIL 3 die PFD_AVG von 10^-4 bis 10^-3.
• ISO 13849 (DSTU EN ISO 13849-1:2018): „Maschinensicherheit.“ Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungssystemen. Teil 1: Allgemeine Konstruktionsprinzipien“. Diese Norm basiert auf dem PL-Konzept (Performance Level) und gilt für alle Arten von Technologie, einschließlich elektrischer, mechanischer, pneumatischer und hydraulischer Komponenten. PL bestimmt die Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls pro Stunde. Es gibt 5 PL-Stufen, von PL „a“ (niedrigster) bis PL „e“ (höchster). Für PL „e“ gilt beispielsweise PFH_D < 10^-7 Ausfälle pro Stunde.

Die Wahl des Standards hängt von der Art der im Sicherheitsmanagementsystem verwendeten Technologien ab. Für elektrische Systeme mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) wird häufig IEC 62061 verwendet, während für einfachere Systeme oder Systeme mit unterschiedlichen Technologien ISO 13849 universeller ist.

Bewertungs- und Klassifizierungskriterien:

• Architektur (Kategorie): ISO 13849 definiert 5 Kategorien (B, 1, 2, 3, 4), die die Architektur des Systems und seine Fähigkeit, Fehlern standzuhalten, charakterisieren. Beispielsweise erfordert Kategorie 4 Redundanz und Diagnose, die dafür sorgen, dass die Sicherheitsfunktion auch im Falle eines Einzelfehlers erhalten bleibt.
• Mittlere Zeit bis zum gefährlichen Ausfall (MTTF_d): Die durchschnittliche Zeit, die eine Komponente in Betrieb ist, bevor sie gefährlich ausfällt. Gemessen in Jahren oder Zyklen.
• Diagnoseabdeckung (DC_avg): Ein Maß für die Wirksamkeit der Systemdiagnose, die gefährliche Ausfälle erkennt. Sie ist definiert als das Verhältnis der erkannten gefährlichen Ausfälle zur Gesamtzahl der gefährlichen Ausfälle (0 % – keine Diagnose, 99 % – hohe Diagnose).
• Common Cause Failures (CCFs): Fehler, die aufgrund einer einzigen Ursache (z. B. Staub, Feuchtigkeit, Vibration) gleichzeitig mehrere Sicherheitskanäle betreffen können. Zur Reduzierung des CCF werden verschiedene Komponenten, physische Trennung und Schutz vor der Umgebung eingesetzt.

Auswahl- und Berechnungsleitfaden: SIL und PL

Die Bestimmung des erforderlichen SIL oder PL beginnt mit einer gründlichen Risikobewertung. Nachfolgend finden Sie ein vereinfachtes Beispiel einer Risikomatrix zur Bestimmung eines Ziel-PL nach ISO 13849-1:

Risikomatrix (vereinfacht für PL gemäß ISO 13849-1)

Berechnung von MTTF_d und PFH für ISO 13849

Um den erreichten PL zu bestimmen, ist es notwendig, die MTTF_d für jede Komponente (Sensor, Logiklöser, Aktuator) und den durchschnittlichen DC_avg zu berechnen und den CCF zu schätzen. Komponentenhersteller geben in der Regel einen Wert von B_10d (Anzahl der Zyklen bis 10 % gefährlicher Ausfall) an. Wenn B_10d nicht verfügbar ist, können Erfahrungswerte aus ISO 13849-1, Anhang C verwendet werden.

Formel für MTTF_d (für mechanische Komponenten):

MTTFd = B10d / (0,1 * n_op), wobei n_op die Anzahl der Vorgänge pro Stunde ist.

Beispiel: Wenn eine Komponente B_10d = 2.000.000 Zyklen hat und 10 Mal pro Stunde arbeitet (n_op = 10), dann ist MTTF_d = 2.000.000 / (0,1 * 10 * 8760 h/Jahr) ≈ 228 Jahre.

Berechnung der PFH (Probability of Dangerous Failure per Hour) für IEC 62061

IEC 62061 erfordert einen detaillierteren Ansatz, bei dem PFH_D (für jedes Subsystem) und PFD_AVG (für On-Demand-Betrieb) basierend auf Architektur, Fehlerintensität, DC und CCF berechnet werden. Die gesamte PFH_D des Systems ist die Summe der PFH_D aller Subsysteme.

Komponentenbeispiel: Sicherheitsrelais Siemens SIRIUS 3SK1 Advanced. Für dieses Relais gibt der Hersteller folgende Daten an: PFH = 2,0 x 10^-9 Ausfälle/h (für SIL3), MTTF_d = 100 Jahre, DC_avg = 99 %.

Anleitung zur Installation und Inbetriebnahme

Die ordnungsgemäße Installation und Inbetriebnahme von Sicherheitssystemen ist ebenso wichtig wie deren Design. Die Nichtbeachtung dieser Praktiken kann alle Designbemühungen zunichte machen. Grundlegende Empfehlungen:

• Trennung der Stromkreise: Steuer- und Sicherheitskreise müssen physisch getrennt sein, um gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden. Verwenden Sie separate Kabelkanäle und Markierungen.
• Erdung und Abschirmung: Richtige Erdung und Abschirmung von Kabeln zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen, die den Anforderungen von DSTU EN 61000 entsprechen.
• Dokumentation: Vollständige und aktuelle Dokumentation, einschließlich Schaltplänen, Parametereinstellungen und Testberichten. Dies ist eine zwingende Voraussetzung für die CE- und UkrSEPRO-Zertifizierung.
• Ersttests (Proof Test): Nach der Installation und vor der Inbetriebnahme muss ein vollständiger Funktionstest des Sicherheitssystems durchgeführt werden, um dessen ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen. Die Häufigkeit dieser Tests wird im Wartungsplan festgelegt.
• Personalqualifikationen: Die Installation und Inbetriebnahme sollte nur von zertifiziertem, für funktionale Sicherheit geschultem Personal durchgeführt werden.

Fehlermodi und Ursachenanalyse

Fehlermodusanalyse (FMEA) und Ursachenanalyse (RCA) sind wichtige Werkzeuge zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Sicherheitssystemen. Einige häufige Fehlermodi sind:

• Sensorausfall: Mechanische Beschädigung, Verschmutzung, falsche Einstellung, Verschleiß. Beispielsweise der Ausfall des induktiven Sicherheitssensors Siemens 3SE6310-0BC01 aufgrund starker Verschmutzung durch Metallspäne.
• Fehler des Logiklösers: Softwarefehler, Ausfall elektronischer Komponenten aufgrund von Überspannung oder Überhitzung. Für eine Sicherheits-SPS vom Typ Siemens SIMATIC S7-1500F kann die PFH 1,1 x 10^-9 Ausfälle/Stunde betragen.
• Aktuatorfehler: Schütz klemmt, Bremsstörung, Hydraulikventilleck. Beispielsweise Blockierung des Schutzschützes aufgrund eines Wicklungskurzschlusses.
• Kommunikationsfehler: Kabelschaden, elektromagnetische Störungen, Kommunikationsprotokollfehler (z. B. PROFINET/PROFIsafe).

Visuelle Anzeigen: Statusanzeigen an Komponenten (LEDs), Fehlermeldungen an Bedienfeldern, ungewöhnliche Geräusche oder Vibrationen. Beispielsweise kann eine durchgebrannte Sicherung an einem Schneider Electric XPS-ATE-Sicherheitsrelais auf eine Überlastung im Stromkreis hinweisen.

Vorausschauende Wartung und Zustandsüberwachung

Die Implementierung von vorausschauender Wartung und Zustandsüberwachung (CMS) ist eine wirksame Möglichkeit, die Zuverlässigkeit von Sicherheitssystemen zu erhöhen und das Risiko ungeplanter Ausfallzeiten zu verringern.

• Kontinuierliche Diagnoseüberwachung: Einsatz intelligenter Sensoren mit integrierter Diagnose, die ihren Zustand ständig überwachen und Daten übermitteln. Dadurch können Sie potenzielle Fehler erkennen, bevor sie auftreten. Zum Beispiel in das Sicherheitssystem integrierte Temperatur-, Vibrations- oder Stromsensoren.
• Periodische Tests (Proof-Tests): Regelmäßige Tests eines Sicherheitssystems in einem bestimmten Intervall (z. B. einmal im Jahr), um seine Fähigkeit zur Ausführung einer Sicherheitsfunktion zu überprüfen. Prüfberichte müssen alle Prüfungen und deren Ergebnisse dokumentieren.
• Diagnoseabdeckungsanalyse: Regelmäßige Analyse der Effizienz der Systemdiagnose. Wenn DC_avg den berechneten Wert unterschreitet, deutet dies auf eine erhöhte Wahrscheinlichkeit gefährlicher unerkannter Ausfälle hin.
• Trendanalyse: Überwachungsmetriken wie Anzahl der Ausfälle, Zeit bis zum Ausfall, Belastung der Komponenten. Dadurch lässt sich der Verschleiß vorhersagen und der Austausch von Bauteilen planen.

Die Anwendung der Normen DSTU EN 60204-1 (Elektrische Ausrüstung von Maschinen) und DSTU EN 61508 (Funktionale Sicherheit elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme im Zusammenhang mit der Sicherheit) ist die Grundlage für die Entwicklung wirksamer Wartungsstrategien.

Vergleichsmatrix: Komponenten und Architekturen von Sicherheitssystemen

Die UNITEC-D GmbH bietet als zuverlässiger Lieferant von Komponenten für die industrielle Automatisierung ein breites Produktspektrum zur Umsetzung funktionaler Sicherheitssysteme. Nachfolgend finden Sie einen Vergleich typischer Lösungen:

Fazit und Aufruf zum Handeln

Ein systematischer Ansatz zur funktionalen Sicherheit von Maschinen, basierend auf einer gründlichen Risikobewertung und der Einhaltung der Normen IEC 62061 und ISO 13849, ist eine Voraussetzung für den sicheren und effizienten Betrieb von Industrieunternehmen. Die korrekte Berechnung und Umsetzung der SIL- und PL-Level schützt nicht nur das Personal, sondern gewährleistet auch die Zuverlässigkeit technologischer Prozesse und minimiert Ausfallzeiten und Kosten. Die UNITEC-D GmbH ist Ihr zuverlässiger Partner bei der Auswahl und Lieferung zertifizierter Komponenten für funktionale Sicherheitssysteme, die den CE- und UkrSEPRO-Anforderungen entsprechen.

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Quellenverzeichnis

1. DSTU EN ISO 12100:2018 Maschinensicherheit. Allgemeine Gestaltungsprinzipien. Risikobewertung und Risikominderung.
2. DSTU EN ISO 13849-1:2018 Maschinensicherheit. Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungssystemen. Teil 1: Allgemeine Designprinzipien.
3. DSTU EN 62061:2018 Maschinensicherheit. Funktionale Sicherheit sicherheitsrelevanter elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme.
4. DSTU EN 61508 (alle Teile): Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme.
5. Siemens AG, Safety Integrated für Prozessautomatisierung, Handbuch.