Garantizar la seguridad funcional de las máquinas: cálculo de los niveles SIL y PL según IEC 62061 y ISO 13849

Introducción: desafío de ingeniería y criticidad de la confiabilidad del equipo

Garantizar la seguridad funcional de las máquinas es un requisito fundamental en la producción industrial moderna. Además de causar lesiones personales y daños a la propiedad, los accidentes laborales también provocan tiempo de inactividad, pérdida de productividad y riesgos para la reputación. El desafío de la ingeniería es identificar sistemáticamente peligros, evaluar riesgos y diseñar, implementar y verificar sistemas de control que reduzcan estos riesgos a un nivel aceptable. Esta metodología es fundamental para mantener el funcionamiento ininterrumpido y seguro de los complejos de producción, especialmente en condiciones de funcionamiento intensivo de las empresas industriales ucranianas. El cumplimiento de estándares internacionales y nacionales, como DSTU EN ISO 12100 y DSTU EN ISO 13849, proporciona un enfoque sistemático para esta tarea.

Principios Fundamentales: Física y Teoría de la Seguridad

La seguridad funcional se define como la parte de la seguridad general que depende del correcto funcionamiento de un sistema de control que responde a señales de entrada y coloca el equipo en un estado seguro o lo mantiene en dicho estado. La seguridad funcional se basa en los siguientes principios:

• Principio de seguridad por diseño:Los peligros se eliminan o se reducen en la etapa de diseño de la máquina, sin agregar dispositivos de protección externos.
• Principio de minimización de fallas: Los componentes y la arquitectura de los sistemas de seguridad deben diseñarse de tal manera que reduzcan la probabilidad de fallas peligrosas.
• Principio de cobertura de diagnóstico: Los sistemas de seguridad deben poder detectar e informar sus propios fallos internos.
• Principio de redundancia: Duplicación de funciones críticas para aumentar la confiabilidad. Por ejemplo, utilizando dos finales de carrera independientes en lugar de uno.

El proceso de evaluación de riesgos según DSTU EN ISO 12100 es la base para determinar el nivel de seguridad requerido. Incluye identificación de peligros, evaluación de riesgos (gravedad de la lesión, frecuencia de exposición, evitabilidad) y decisiones de reducción de riesgos. Para ello se suele utilizar un gráfico de riesgos o una matriz de riesgos. El resultado de esta evaluación es un nivel de rendimiento (PL) o un nivel de integridad de seguridad (SIL) objetivo.

Especificaciones técnicas y estándares: IEC 62061 y ISO 13849

Se utilizan dos estándares principales para cuantificar la seguridad funcional en la industria:

• IEC 62061 (DSTU EN 62061:2018): "Seguridad de las máquinas. Seguridad funcional de los sistemas de control eléctricos, electrónicos y electrónicos programables relacionados con la seguridad". Este estándar se basa en el concepto de SIL (Nivel de integridad de seguridad) y se utiliza principalmente para sistemas de seguridad eléctricos, electrónicos y electrónicos programables complejos (E/E/PES). SIL define la probabilidad de falla de seguridad bajo demanda (PFD_AVG) o tasa de fallas peligrosas por hora (PFH) para funcionamiento continuo. Hay 4 niveles SIL, desde SIL 1 (el más bajo) hasta SIL 4 (el más alto), donde, por ejemplo, para SIL 3, el PFD_AVG varía de 10^-4 a 10^-3.
• ISO 13849 (DSTU EN ISO 13849-1:2018): "Seguridad de las máquinas. Partes de sistemas de control relacionadas con la seguridad. Parte 1: Principios generales de diseño". Esta norma se basa en el concepto PL (Performance Level) y se aplica a todo tipo de tecnología, incluidos componentes eléctricos, mecánicos, neumáticos e hidráulicos. PL determina la probabilidad de falla peligrosa por hora. Hay 5 niveles de PL, desde PL "a" (el más bajo) hasta PL "e" (el más alto). Por ejemplo, para PL "e", PFH_D < 10^-7 fallas por hora.

La elección del estándar depende del tipo de tecnologías utilizadas en el sistema de gestión de seguridad. Para sistemas eléctricos con controladores lógicos programables (PLC), se suele utilizar IEC 62061, mientras que para sistemas más simples o con diferentes tecnologías, ISO 13849 es más versátil.

Criterios de Evaluación y Clasificación:

• Arquitectura (Categoría): ISO 13849 define 5 categorías (B, 1, 2, 3, 4) que caracterizan la arquitectura del sistema y su capacidad para soportar fallas. Por ejemplo, la categoría 4 requiere redundancia y diagnóstico, que garantizan que la función de seguridad se mantenga incluso en caso de un solo fallo.
• Tiempo medio hasta un fallo fatal (MTTF_d): El tiempo promedio que un componente opera antes de fallar fatalmente. Medido en años o ciclos.
• Cobertura de diagnóstico (DC_avg): Una medida de la eficiencia de los diagnósticos del sistema que detecta fallas peligrosas. Se define como la relación entre fallos peligrosos detectados y el número total de fallos peligrosos (0%: sin diagnóstico, 99%: diagnóstico alto).
• Fallas de causa común (CCF): Fallas que pueden afectar simultáneamente a múltiples canales de seguridad debido a una única causa (por ejemplo, polvo, humedad, vibración). Para reducir el CCF se utiliza una variedad de componentes, separación física y protección del medio ambiente.

Guía de Selección y Cálculo: SIL y PL

La determinación del SIL o PL requerido comienza con una evaluación de riesgos exhaustiva. A continuación se muestra un ejemplo simplificado de una matriz de riesgo para determinar el PL objetivo según ISO 13849-1:

Matriz de Riesgos (Simplificada para PL según ISO 13849-1)

Cálculo de MTTF_d y PFH para ISO 13849

Para determinar el PL logrado, es necesario calcular el MTTF_d para cada componente (sensor, solucionador lógico, actuador), DC promedio_avg y estimar el CCF. Los fabricantes de componentes suelen proporcionar un valor de B_10d (número de ciclos hasta un 10 % de fallo peligroso). Si B_10d no está disponible, se pueden utilizar los valores empíricos de ISO 13849-1, Apéndice C.

Fórmula para MTTF_d (para componentes mecánicos):

MTTFd = B10d / (0.1 * n_op), donde n_op es el número de operaciones por hora.

Ejemplo: Si un componente tiene B_10d = 2.000.000 de ciclos y funciona 10 veces por hora (n_op = 10), entonces MTTF_d = 2.000.000 / (0,1 * 10 * 8760 h/año) ≈ 228 años.

Cálculo de PFH (probabilidad de falla peligrosa por hora) para IEC 62061

IEC 62061 requiere un enfoque más granular donde PFH_D (para cada subsistema) y PFD_AVG (para operación bajo demanda) se calculan en función de la arquitectura, la tasa de fallas, DC y CCF. El PFH_D total del sistema es la suma del PFH_D de todos los subsistemas.

Ejemplo de componente: Relé de seguridad Siemens SIRIUS 3SK1 Advanced. Para este relé, el fabricante proporciona los siguientes datos: PFH = 2,0 x 10^-9 fallas/h (para SIL3), MTTF_d = 100 años, DC_promedio = 99 %.

Instrucciones de instalación y puesta en servicio

La instalación y puesta en marcha adecuadas de los sistemas de seguridad es tan crítica como su diseño. El incumplimiento de estas prácticas puede anular todos los esfuerzos de diseño. Recomendaciones básicas:

• Separación de circuitos: Los circuitos de control y seguridad deben estar físicamente separados para evitar interferencias mutuas. Utilice canales y marcas de cable separados.
• Puesta a tierra y blindaje: Conexión a tierra y blindaje adecuados de los cables para protegerlos contra interferencias electromagnéticas, que cumplan con los requisitos de DSTU EN 61000.
• Documentación: Documentación completa y actualizada, incluidos diagramas de cableado, configuración de parámetros e informes de prueba. Este es un requisito obligatorio para la certificación CE y UkrSEPRO.
• Pruebas iniciales (Proof Test): Después de la instalación y antes de la puesta en servicio, se debe realizar una prueba funcional completa del sistema de seguridad para garantizar su correcto funcionamiento. La frecuencia de estas pruebas se establece en el plan de mantenimiento.
• Cualificaciones del personal: La instalación y la puesta en servicio solo deben ser realizadas por técnicos certificados que hayan recibido capacitación en seguridad funcional.

Modos de falla y análisis de causa raíz

El análisis del modo de falla (FMEA) y el análisis de la causa raíz (RCA) son herramientas clave para mejorar la confiabilidad de los sistemas de seguridad. Algunos modos de falla comunes son:

• Fallo del sensor: Daño mecánico, contaminación, configuración incorrecta, desgaste. Por ejemplo, el fallo del sensor de seguridad inductivo Siemens 3SE6310-0BC01 debido a una fuerte contaminación con virutas de metal.
• Fallo del solucionador lógico: Fallo de software, fallo de componentes electrónicos debido a sobretensión o sobrecalentamiento. Para un PLC de seguridad Siemens SIMATIC S7-1500F, el PFH puede ser de 1,1 x 10^-9 fallos/hora.
• Falla del actuador: Contactor atascado, mal funcionamiento del freno, fuga en la válvula hidráulica. Por ejemplo, bloqueo del contactor de protección debido a un cortocircuito del devanado.
• Fallo de comunicación: Daños en el cable, interferencias electromagnéticas, fallo del protocolo de comunicación (por ejemplo, PROFINET/PROFIsafe).

Indicadores visuales: Indicadores de estado en los componentes (LED), mensajes de error en los paneles del operador, ruidos o vibraciones inusuales. Por ejemplo, un fusible fundido en un relé de seguridad XPS-ATE de Schneider Electric puede indicar una sobrecarga en el circuito.

Mantenimiento predictivo y monitoreo de condición

La implementación de mantenimiento predictivo y monitoreo de condición (CMS) es una forma efectiva de aumentar la confiabilidad de los sistemas de seguridad y reducir los riesgos de tiempo de inactividad no planificado.

• Monitoreo de diagnóstico continuo: Uso de sensores inteligentes con diagnóstico integrado que monitorean constantemente su condición y transmiten datos. Esto le permite identificar posibles fallas antes de que ocurran. Por ejemplo, sensores de temperatura, vibraciones o corriente integrados en el sistema de seguridad.
• Pruebas periódicas (Pruebas de prueba): Pruebas periódicas de un sistema de seguridad en un intervalo determinado (por ejemplo, una vez al año) para verificar su capacidad para realizar una función de seguridad. Los informes de prueba deben registrar todos los controles y sus resultados.
• Análisis de cobertura de diagnóstico: Análisis periódico de la eficacia del diagnóstico del sistema. Si DC_avg cae por debajo del valor calculado, esto indica un aumento en la probabilidad de fallas peligrosas no detectadas.
• Análisis de tendencias: indicadores de seguimiento como el número de fallos, el tiempo hasta el fallo y la carga de los componentes. Esto permite predecir el desgaste y planificar el reemplazo de componentes.

La aplicación de las normas DSTU EN 60204-1 (Equipos eléctricos de máquinas) y DSTU EN 61508 (Seguridad funcional de sistemas eléctricos/electrónicos/electrónicos programables relacionados con la seguridad) es la base para el desarrollo de estrategias de mantenimiento efectivas.

Matriz de Comparación: Componentes y Arquitecturas de Sistemas de Seguridad

UNITEC-D GmbH, como proveedor fiable de componentes para la automatización industrial, ofrece una amplia gama de productos para la implementación de sistemas de seguridad funcional. A continuación se muestra una comparación de soluciones típicas:

Conclusión y llamado a la acción

Un enfoque sistemático de la seguridad funcional de las máquinas, basado en una evaluación exhaustiva de los riesgos y el cumplimiento de las normas IEC 62061 y ISO 13849, es un requisito previo para el funcionamiento seguro y eficiente de las empresas industriales. El correcto cálculo e implementación de los niveles SIL y PL no solo protege al personal, sino que también asegura la confiabilidad de los procesos tecnológicos, minimizando tiempos de inactividad y costos. UNITEC-D GmbH es su socio fiable en la selección y suministro de componentes certificados para sistemas de seguridad funcional que cumplan con los requisitos CE y UkrSEPRO.

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Lista de fuentes

1. DSTU ES ISO 12100:2018 Seguridad de las máquinas. Principios generales de diseño. Evaluación de riesgos y mitigación de riesgos.
2. DSTU ES ISO 13849-1:2018 Seguridad de las máquinas. Partes de sistemas de control relacionadas con la seguridad. Parte 1: Principios generales de diseño.
3. DSTU EN 62061:2018 Seguridad de las máquinas. Seguridad funcional de sistemas de control eléctricos, electrónicos y electrónicos programables relacionados con la seguridad.
4. DSTU EN 61508 (todas las partes): Seguridad funcional de sistemas eléctricos/electrónicos/electrónicos programables relacionados con la seguridad.
5. Siemens AG, Seguridad integrada para la automatización de procesos, Manual.