Garantire la sicurezza funzionale delle macchine: calcolo dei livelli SIL e PL secondo IEC 62061 e ISO 13849

Introduzione: sfide ingegneristiche e criticità dell'affidabilità delle apparecchiature

Garantire la sicurezza funzionale delle macchine è un requisito fondamentale nella moderna produzione industriale. Oltre a causare lesioni personali e danni materiali, gli incidenti sul lavoro comportano anche tempi di inattività, perdita di produttività e rischi per la reputazione. La sfida ingegneristica consiste nell’identificare sistematicamente i pericoli, valutare i rischi e progettare, implementare e verificare i sistemi di controllo che riducano tali rischi a un livello accettabile. Questa metodologia è fondamentale per mantenere il funzionamento ininterrotto e sicuro dei complessi produttivi, soprattutto in condizioni di funzionamento intensivo delle imprese industriali ucraine. L'adesione agli standard internazionali e nazionali come DSTU EN ISO 12100 e DSTU EN ISO 13849 fornisce un approccio sistematico a questo compito.

Principi Fondamentali: Fisica e Teoria della Sicurezza

La sicurezza funzionale è definita come la parte della sicurezza complessiva che dipende dal corretto funzionamento di un sistema di controllo che risponde ai segnali di ingresso e pone l'apparecchiatura in uno stato sicuro o la mantiene in tale stato. La sicurezza funzionale si basa sui seguenti principi:

• Principio Safety by Design: i pericoli vengono eliminati o ridotti in fase di progettazione della macchina, non aggiungendo dispositivi di protezione esterni.
• Principio di minimizzazione dei guasti: i componenti e l'architettura dei sistemi di sicurezza devono essere progettati in modo tale da ridurre la probabilità di guasti pericolosi.
• Principio della copertura diagnostica: i sistemi di sicurezza devono essere in grado di rilevare e segnalare i propri guasti interni.
• Principio di ridondanza: Duplicazione di funzioni critiche per aumentare l'affidabilità. Ad esempio, utilizzando due finecorsa indipendenti invece di uno.

Il processo di valutazione del rischio secondo DSTU EN ISO 12100 costituisce la base per determinare il livello di sicurezza richiesto. Comprende l'identificazione del pericolo, la valutazione del rischio (gravità delle lesioni, frequenza dell'esposizione, evitabilità) e le decisioni sulla riduzione del rischio. A questo scopo viene spesso utilizzato un grafico o una matrice di rischio. Il risultato di questa valutazione è un livello di prestazione target (PL) o un livello di integrità della sicurezza (SIL).

Specifiche tecniche e norme: IEC 62061 e ISO 13849

Per quantificare la sicurezza funzionale nell’industria vengono utilizzati due standard principali:

• IEC 62061 (DSTU EN 62061:2018): "Sicurezza delle macchine. Sicurezza funzionale dei sistemi di controllo elettrici, elettronici ed elettronici programmabili legati alla sicurezza". Questo standard si basa sul concetto di SIL (Safety Integrity Level) ed è utilizzato principalmente per complessi sistemi di sicurezza elettrici, elettronici ed elettronici programmabili (E/E/PES). SIL definisce la probabilità di guasto di sicurezza su richiesta (PFD_AVG) o tasso di guasto pericoloso all'ora (PFH) per il funzionamento continuo. Esistono 4 livelli SIL, da SIL 1 (il più basso) a SIL 4 (il più alto), dove ad esempio per SIL 3, il PFD_AVG varia da 10^-4 a 10^testo">-3.
• ISO 13849 (DSTU EN ISO 13849-1:2018): "Sicurezza della macchina. Parti dei sistemi di controllo legate alla sicurezza. Parte 1: Principi generali di progettazione". Questo standard si basa sul concetto PL (Performance Level) e si applica a tutti i tipi di tecnologia, compresi i componenti elettrici, meccanici, pneumatici e idraulici. PL determina la probabilità di guasti pericolosi all'ora. Esistono 5 livelli di PL, dal PL "a" (il più basso) al PL "e" (il più alto). Ad esempio, per PL "e", PFH_D < 10^-7 errori all'ora.

La scelta dello standard dipende dal tipo di tecnologie utilizzate nel sistema di gestione della sicurezza. Per i sistemi elettrici con controllori logici programmabili (PLC) viene spesso utilizzata la norma IEC 62061, mentre per sistemi più semplici o con tecnologie diverse la norma ISO 13849 è più universale.

Criteri di valutazione e classificazione:

• Architettura (Categoria): la norma ISO 13849 definisce 5 categorie (B, 1, 2, 3, 4) che caratterizzano l'architettura del sistema e la sua capacità di resistere ai guasti. La Categoria 4, ad esempio, richiede ridondanza e diagnostica, che garantiscono che la funzione di sicurezza venga preservata anche in caso di un singolo guasto.
• Tempo medio prima di un guasto pericoloso (MTTF_d): il tempo medio di funzionamento di un componente prima di guastarsi pericolosamente. Misurato in anni o cicli.
• Copertura diagnostica (DC_avg): una misura dell'efficacia della diagnostica del sistema che rileva guasti pericolosi. È definito come il rapporto tra i guasti pericolosi rilevati e il numero totale di guasti pericolosi (0% - nessuna diagnosi, 99% - diagnosi alta).
• Guasti per causa comune (CCF): guasti che possono influenzare simultaneamente più canali di sicurezza a causa di un'unica causa (ad esempio polvere, umidità, vibrazioni). Per ridurre il CCF vengono utilizzati una varietà di componenti, separazione fisica e protezione dall'ambiente.

Guida alla selezione e al calcolo: SIL e PL

La determinazione del SIL o PL richiesto inizia con un’approfondita valutazione del rischio. Di seguito è riportato un esempio semplificato di matrice di rischio per determinare un PL target secondo la norma ISO 13849-1:

Matrice dei rischi (semplificata per PL secondo ISO 13849-1)

Calcolo dell'MTTF_d e del PFH per ISO 13849

Per determinare il PL raggiunto, è necessario calcolare l'MTTF_d per ciascun componente (sensore, risolutore logico, attuatore), il DC medio_avg e stimare il CCF. I produttori di componenti solitamente forniscono un valore di B_10d (numero di cicli fino al 10% di guasto pericoloso). Se B_10d non è disponibile, è possibile utilizzare i valori empirici della norma ISO 13849-1, Allegato C.

Formula per MTTF_d (per componenti meccanici):

MTTFd = B10d / (0.1 * n_op), dove n_op è il numero di operazioni all'ora.

Esempio: Se un componente ha B_10d = 2.000.000 di cicli e funziona 10 volte all'ora (n_op = 10), allora MTTF_d = 2.000.000 / (0,1 * 10 * 8760 h/anno) ≈ 228 anni.

Calcolo del PFH (probabilità di guasti pericolosi all'ora) per IEC 62061

La norma IEC 62061 richiede un approccio più dettagliato in cui PFH_D (per ciascun sottosistema) e PFD_AVG (per il funzionamento su richiesta) vengono calcolati in base all'architettura, all'intensità del guasto, DC e CCF. Il PFH_D totale del sistema è la somma del PFH_D di tutti i sottosistemi.

Esempio di componente: Relè di sicurezza Siemens SIRIUS 3SK1 Advanced. Per questo relè, il produttore fornisce i seguenti dati: PFH = 2,0 x 10^-9 guasti/h (per SIL3), MTTF_d = 100 anni, DC_avg = 99%.

Istruzioni per l'installazione e la messa in servizio

La corretta installazione e messa in servizio dei sistemi di sicurezza è fondamentale quanto la loro progettazione. La mancata osservanza di queste pratiche può annullare tutti gli sforzi di progettazione. Raccomandazioni di base:

• Separazione dei circuiti: i circuiti di controllo e di sicurezza devono essere fisicamente separati per evitare interferenze reciproche. Utilizzare canaline e contrassegni separati per i cavi.
• Messa a terra e schermatura: messa a terra e schermatura adeguate dei cavi per proteggerli dalle interferenze elettromagnetiche, che soddisfa i requisiti di DSTU EN 61000.
• Documentazione: documentazione completa e aggiornata, inclusi schemi elettrici, impostazioni dei parametri, rapporti di prova. Questo è un requisito obbligatorio per la certificazione CE e UkrSEPRO.
• Test iniziali (Proof Test): Dopo l'installazione e prima della messa in servizio, è necessario eseguire un test funzionale completo del sistema di sicurezza per garantirne il corretto funzionamento. La frequenza di questi test è stabilita nel piano di manutenzione.
• Qualifiche del personale: l'installazione e la messa in servizio devono essere eseguite solo da personale certificato e addestrato alla sicurezza funzionale.

Modalità di guasto e analisi delle cause principali

La Failure Mode Analysis (FMEA) e la Root Cause Analysis (RCA) sono strumenti chiave per migliorare l'affidabilità dei sistemi di sicurezza. Alcune modalità di errore comuni sono:

• Guasto del sensore: Danni meccanici, contaminazione, impostazione errata, usura. Ad esempio, il guasto del sensore di sicurezza induttivo Siemens 3SE6310-0BC01 a causa di una forte contaminazione con trucioli metallici.
• Guasto del risolutore logico: guasto del software, guasto dei componenti elettronici dovuto a sovratensione o surriscaldamento. Per un PLC di sicurezza Siemens SIMATIC S7-1500F, il PFH può essere 1,1 x 10^-9 guasti/ora.
• Guasto dell'attuatore: contattore bloccato, malfunzionamento del freno, perdita della valvola idraulica. Ad esempio, blocco del contattore di protezione a causa di un cortocircuito dell'avvolgimento.
• Errore di comunicazione: danni al cavo, interferenze elettromagnetiche, errore del protocollo di comunicazione (ad es. PROFINET/PROFIsafe).

Indicatori visivi: Indicatori di stato sui componenti (LED), messaggi di errore sui pannelli operatore, rumori o vibrazioni insoliti. Ad esempio, un fusibile bruciato su un relè di sicurezza XPS-ATE Schneider Electric può indicare un sovraccarico nel circuito.

Manutenzione predittiva e monitoraggio delle condizioni

L'implementazione della manutenzione predittiva e del monitoraggio delle condizioni (CMS) è un modo efficace per aumentare l'affidabilità dei sistemi di sicurezza e ridurre i rischi di tempi di inattività non pianificati.

• Monitoraggio diagnostico continuo: Utilizzo di sensori intelligenti con diagnostica integrata che monitorano costantemente le loro condizioni e trasmettono dati. Ciò consente di identificare potenziali guasti prima che si verifichino. Ad esempio sensori di temperatura, vibrazioni o corrente integrati nel sistema di sicurezza.
• Test periodici (Proof Testing): test regolari di un sistema di sicurezza a un intervallo specificato (ad esempio, una volta all'anno) per verificarne la capacità di eseguire una funzione di sicurezza. I rapporti di prova devono registrare tutti i controlli e i relativi risultati.
• Analisi della copertura diagnostica: analisi regolare dell'efficienza della diagnostica del sistema. Se DC_avg scende al di sotto del valore calcolato, ciò indica un aumento della probabilità di guasti pericolosi non rilevati.
• Analisi delle tendenze: metriche di monitoraggio come numero di guasti, tempo necessario al guasto, carico sui componenti. Ciò consente di prevedere l'usura e di pianificare la sostituzione dei componenti.

L'applicazione delle norme DSTU EN 60204-1 (Equipaggiamento elettrico delle macchine) e DSTU EN 61508 (Sicurezza funzionale dei sistemi elettrici/elettronici/elettronici programmabili relativi alla sicurezza) è la base per lo sviluppo di strategie di manutenzione efficaci.

Matrice di confronto: Componenti e Architetture dei Sistemi di Sicurezza

UNITEC-D GmbH, in qualità di fornitore affidabile di componenti per l'automazione industriale, offre un'ampia gamma di prodotti per la realizzazione di sistemi di sicurezza funzionale. Di seguito è riportato un confronto tra soluzioni tipiche:

Conclusione e invito all'azione

Un approccio sistematico alla sicurezza funzionale delle macchine, basato su un'approfondita valutazione dei rischi e sulla conformità agli standard IEC 62061 e ISO 13849, è un prerequisito per il funzionamento sicuro ed efficiente delle imprese industriali. Il corretto calcolo e implementazione dei livelli SIL e PL non solo protegge il personale, ma garantisce anche l’affidabilità dei processi tecnologici, minimizzando tempi di inattività e costi. UNITEC-D GmbH è il vostro partner affidabile nella selezione e fornitura di componenti certificati per sistemi di sicurezza funzionale che soddisfano i requisiti CE e UkrSEPRO.

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Elenco delle fonti

1. DSTU EN ISO 12100:2018 Sicurezza delle macchine. Principi generali di progettazione. Valutazione del rischio e mitigazione del rischio.
2. DSTU EN ISO 13849-1:2018 Sicurezza delle macchine. Parti dei sistemi di controllo legate alla sicurezza. Parte 1: Principi generali di progettazione.
3. DSTU EN 62061:2018 Sicurezza delle macchine. Sicurezza funzionale dei sistemi di controllo elettrici, elettronici ed elettronici programmabili legati alla sicurezza.
4. DSTU EN 61508 (tutte le parti): sicurezza funzionale dei sistemi elettrici/elettronici/elettronici programmabili legati alla sicurezza.
5. Siemens AG, Safety Integrated per l'automazione di processo, manuale.