Assurer la sécurité fonctionnelle des machines : calcul des niveaux SIL et PL selon les normes CEI 62061 et ISO 13849

Introduction : Défi d'ingénierie et criticité de la fiabilité des équipements

Assurer la sécurité fonctionnelle des machines est une exigence fondamentale de la production industrielle moderne. En plus de causer des blessures et des dommages matériels, les accidents du travail entraînent également des temps d'arrêt, une perte de productivité et des risques pour la réputation. Le défi technique consiste à identifier systématiquement les dangers, à évaluer les risques et à concevoir, mettre en œuvre et vérifier des systèmes de contrôle qui réduisent ces risques à un niveau acceptable. Cette méthodologie est essentielle pour maintenir un fonctionnement ininterrompu et sûr des complexes de production, en particulier dans les conditions d'exploitation intensive des entreprises industrielles ukrainiennes. Le respect des normes internationales et nationales telles que DSTU EN ISO 12100 et DSTU EN ISO 13849 fournit une approche systématique de cette tâche.

Principes fondamentaux : physique et théorie de la sécurité

La sécurité fonctionnelle est définie comme la partie de la sécurité globale qui dépend du bon fonctionnement d'un système de contrôle qui répond aux signaux d'entrée et place l'équipement dans un état sûr ou le maintient dans un tel état. La sécurité fonctionnelle repose sur les principes suivants :

• Principe de sécurité dès la conception : Les dangers sont éliminés ou les risques sont réduits dès la phase de conception de la machine, et non par l'ajout de dispositifs de protection externes.
• Principe de minimisation des pannes : Les composants et l'architecture des systèmes de sécurité doivent être conçus de manière à réduire la probabilité de pannes dangereuses.
• Principe de couverture du diagnostic : Les systèmes de sécurité doivent être capables de détecter et de signaler leurs propres pannes internes.
• Principe de redondance : Duplication des fonctions critiques pour augmenter la fiabilité. Par exemple, utiliser deux fins de course indépendants au lieu d’un.

Le processus d'évaluation des risques selon DSTU EN ISO 12100 constitue la base pour déterminer le niveau de sécurité requis. Cela comprend l'identification des dangers, l'évaluation des risques (gravité de la blessure, fréquence de l'exposition, évitabilité) et les décisions de réduction des risques. Un graphique de risque ou une matrice de risque est souvent utilisé à cet effet. Le résultat de cette évaluation est un niveau de performance (PL) ou un niveau d'intégrité de sécurité (SIL) cible.

Spécifications techniques et normes : CEI 62061 et ISO 13849

Deux normes principales sont utilisées pour quantifier la sécurité fonctionnelle dans l’industrie :

• IEC 62061 (DSTU EN 62061:2018) : "Sécurité des machines. Sécurité fonctionnelle des systèmes de commande électriques, électroniques et électroniques programmables liés à la sécurité". Cette norme est basée sur le concept de SIL (niveau d'intégrité de sécurité) et est principalement utilisée pour les systèmes de sécurité électriques, électroniques et électroniques programmables (E/E/PES) complexes. SIL définit la probabilité de défaillance de sécurité à la demande (PFD_AVG) ou taux de défaillance dangereuse par heure (PFH) pour un fonctionnement continu. Il existe 4 niveaux SIL, de SIL 1 (le plus bas) à SIL 4 (le plus élevé), où par exemple pour SIL 3, le PFD_AVG va de 10^-4 à 10^{. class="text-info">-3}.
• ISO 13849 (DSTU EN ISO 13849-1:2018) : "Sécurité des machines. Parties des systèmes de contrôle liées à la sécurité. Partie 1 : Principes généraux de conception". Cette norme est basée sur le concept PL (Performance Level) et s'applique à tous les types de technologies, y compris les composants électriques, mécaniques, pneumatiques et hydrauliques. PL détermine la probabilité de défaillance dangereuse par heure. Il existe 5 niveaux PL, du PL "a" (le plus bas) au PL "e" (le plus élevé). Par exemple, pour PL "e", PFH_D < 10^-7 échecs par heure.

Le choix de la norme dépend du type de technologies utilisées dans le système de gestion de la sécurité. Pour les systèmes électriques équipés d'automates programmables (API), la norme CEI 62061 est souvent utilisée, tandis que pour les systèmes plus simples ou dotés de technologies différentes, la norme ISO 13849 est plus universelle.

Critères d'évaluation et de classification :

• Architecture (Catégorie) : ISO 13849 définit 5 catégories (B, 1, 2, 3, 4) qui caractérisent l'architecture du système et sa capacité à résister aux pannes. Par exemple, la catégorie 4 nécessite une redondance et des diagnostics qui garantissent que la fonction de sécurité est préservée même en cas de panne unique.
• Délai moyen avant une défaillance dangereuse (MTTF_d) : Le temps moyen pendant lequel un composant fonctionne avant de tomber en panne dangereusement. Mesuré en années ou en cycles.
• Couverture des diagnostics (DC_moy) : mesure de l'efficacité des diagnostics système qui détectent les pannes dangereuses. Il est défini comme le rapport entre les pannes dangereuses détectées et le nombre total de pannes dangereuses (0 % - aucun diagnostic, 99 % - diagnostic élevé).
• Défaillances de cause commune (CCF) : Défaillances pouvant affecter simultanément plusieurs canaux de sécurité en raison d'une seule cause (par exemple, poussière, humidité, vibrations). Une variété de composants, une séparation physique et une protection contre l'environnement sont utilisés pour réduire le CCF.

Guide de sélection et de calcul : SIL et PL

La détermination du SIL ou du PL requis commence par une évaluation approfondie des risques. Vous trouverez ci-dessous un exemple simplifié de matrice de risques pour déterminer un PL cible selon la norme ISO 13849-1 :

Matrice des risques (simplifiée pour PL selon la norme ISO 13849-1)

Calcul de MTTF_d et PFH pour ISO 13849

Pour déterminer le PL atteint, il est nécessaire de calculer le MTTF_d pour chaque composant (capteur, solveur logique, actionneur), la moyenne DC_avg et d'estimer le CCF. Les fabricants de composants fournissent généralement une valeur de B_10d (nombre de cycles jusqu'à 10 % de défaillance dangereuse). Si B_10d n'est pas disponible, les valeurs empiriques de la norme ISO 13849-1, Annexe C peuvent être utilisées.

Formule pour MTTF_d (pour les composants mécaniques) :

MTTFd = B10d / (0.1 * n_op), où n_op est le nombre d'opérations par heure.

Exemple : Si un composant a B_10d = 2 000 000 de cycles et fonctionne 10 fois par heure (n_op = 10), alors MTTF_d = 2 000 000 / (0,1 * 10 * 8760 h/an) ≈ 228 ans.

Calcul de PFH (Probabilité de défaillance dangereuse par heure) pour la norme CEI 62061

La CEI 62061 nécessite une approche plus détaillée dans laquelle PFH_D (pour chaque sous-système) et PFD_AVG (pour le fonctionnement à la demande) sont calculés en fonction de l'architecture, de l'intensité des pannes, du courant continu et du CCF. Le PFH_D total du système est la somme des PFH_D de tous les sous-systèmes.

Exemple de composant : Relais de sécurité Siemens SIRIUS 3SK1 Advanced. Pour ce relais, le fabricant fournit les données suivantes : PFH = 2,0 x 10^-9 pannes/h (pour SIL3), MTTF_d = 100 ans, DC_avg = 99%.

Instructions d'installation et de mise en service

Une installation et une mise en service appropriées des systèmes de sécurité sont aussi essentielles que leur conception. Le non-respect de ces pratiques peut annuler tous les efforts de conception. Recommandations de base :

• Séparation des circuits : Les circuits de contrôle et de sécurité doivent être physiquement séparés pour éviter les interférences mutuelles. Utilisez des chemins de câbles et des marquages ​​séparés.
• Mise à la terre et blindage : Mise à la terre et blindage appropriés des câbles pour les protéger contre les interférences électromagnétiques, qui répondent aux exigences de la norme DSTU EN 61000.
• Documentation : Documentation complète et à jour, comprenant des schémas de câblage, des réglages de paramètres, des rapports de tests. Il s’agit d’une exigence obligatoire pour la certification CE et UkrSEPRO.
• Tests initiaux (Proof Test) : Après l'installation et avant la mise en service, un test fonctionnel complet du système de sécurité doit être effectué pour garantir son bon fonctionnement. La fréquence de ces tests est fixée dans le plan de maintenance.
• Qualifications du personnel : L'installation et la mise en service doivent être effectuées uniquement par du personnel certifié et formé à la sécurité fonctionnelle.

Modes de défaillance et analyse des causes profondes

L'analyse des modes de défaillance (FMEA) et l'analyse des causes profondes (RCA) sont des outils clés pour améliorer la fiabilité des systèmes de sécurité. Certains modes de défaillance courants sont :

• Défaillance du capteur : Dommages mécaniques, contamination, réglage incorrect, usure. Par exemple, la défaillance du capteur de sécurité inductif Siemens 3SE6310-0BC01 en raison d'une forte contamination par des copeaux métalliques.
• Échec du solveur logique : Défaillance du logiciel, défaillance des composants électroniques due à une surtension ou une surchauffe. Pour un automate de sécurité Siemens SIMATIC S7-1500F, le PFH peut être de 1,1 x 10^-9 pannes/heure.
• Défaillance de l'actionneur : Contacteur grippé, dysfonctionnement des freins, fuite de la vanne hydraulique. Par exemple, blocage du contacteur de protection dû à un court-circuit du bobinage.
• Échec de communication : Câble endommagé, interférence électromagnétique, échec du protocole de communication (par exemple PROFINET/PROFIsafe).

Indicateurs visuels : Indicateurs d'état sur les composants (LED), messages d'erreur sur les panneaux de commande, bruits ou vibrations inhabituels. Par exemple, un fusible grillé sur un relais de sécurité Schneider Electric XPS-ATE peut indiquer une surcharge dans le circuit.

Maintenance prédictive et surveillance de l'état

La mise en œuvre d'une maintenance prédictive et d'une surveillance de l'état (CMS) est un moyen efficace d'augmenter la fiabilité des systèmes de sécurité et de réduire les risques de temps d'arrêt imprévus.

• Surveillance diagnostique continue : Utilisation de capteurs intelligents avec diagnostics intégrés qui surveillent en permanence leur état et transmettent des données. Cela vous permet d'identifier les pannes potentielles avant qu'elles ne surviennent. Par exemple, des capteurs de température, de vibration ou de courant intégrés au système de sécurité.
• Tests périodiques (tests de preuve) : Tests réguliers d'un système de sécurité à un intervalle spécifié (par exemple, une fois par an) pour vérifier sa capacité à remplir une fonction de sécurité. Les rapports de tests doivent enregistrer tous les contrôles et leurs résultats.
• Analyse de la couverture des diagnostics : Analyse régulière de l'efficacité des diagnostics du système. Si DC_avg tombe en dessous de la valeur calculée, cela indique une augmentation de la probabilité de pannes dangereuses non détectées.
• Analyse des tendances : Surveillance des métriques telles que le nombre de pannes, le délai avant panne, la charge sur les composants. Cela permet de prédire l’usure et de planifier le remplacement des composants.

L'application des normes DSTU EN 60204-1 (Équipement électrique des machines) et DSTU EN 61508 (Sécurité fonctionnelle des systèmes électriques/électroniques/électroniques programmables liées à la sécurité) constitue la base du développement de stratégies de maintenance efficaces.

Matrice de comparaison : composants et architectures des systèmes de sécurité

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Conclusion et appel à l'action

Une approche systématique de la sécurité fonctionnelle des machines, basée sur une évaluation approfondie des risques et le respect des normes CEI 62061 et ISO 13849, est une condition préalable au fonctionnement sûr et efficace des entreprises industrielles. Le calcul et la mise en œuvre corrects des niveaux SIL et PL protègent non seulement le personnel, mais garantissent également la fiabilité des processus technologiques, en minimisant les temps d'arrêt et les coûts. UNITEC-D GmbH est votre partenaire fiable dans la sélection et la fourniture de composants certifiés pour les systèmes de sécurité fonctionnelle qui répondent aux exigences CE et UkrSEPRO.

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Liste des sources

1. DSTU EN ISO 12100:2018 Sécurité des machines. Principes généraux de conception. Évaluation des risques et atténuation des risques.
2. DSTU EN ISO 13849-1:2018 Sécurité des machines. Parties des systèmes de contrôle liées à la sécurité. Partie 1 : Principes généraux de conception.
3. DSTU EN 62061:2018 Sécurité des machines. Sécurité fonctionnelle des systèmes de commande électriques, électroniques et électroniques programmables liés à la sécurité.
4. DSTU EN 61508 (toutes les parties) : Sécurité fonctionnelle des systèmes électriques/électroniques/électroniques programmables liés à la sécurité.
5. Siemens AG, Sécurité intégrée pour l'automatisation des processus, Manuel.