Garanderen van functionele veiligheid van machines: berekening van SIL- en PL-niveaus volgens IEC 62061 en ISO 13849

Inleiding: technische uitdaging en kritiek op de betrouwbaarheid van apparatuur

Het garanderen van de functionele veiligheid van machines is een fundamentele vereiste in de moderne industriële productie. Naast het veroorzaken van persoonlijk letsel en materiële schade, leiden arbeidsongevallen ook tot stilstand, productiviteitsverlies en reputatierisico's. De technische uitdaging is het systematisch identificeren van gevaren, het beoordelen van risico's en het ontwerpen, implementeren en verifiëren van controlesystemen die deze risico's tot een aanvaardbaar niveau terugbrengen. Deze methodologie is van cruciaal belang voor het handhaven van een ononderbroken en veilige werking van productiecomplexen, vooral in omstandigheden van intensieve bedrijfsvoering van Oekraïense industriële ondernemingen. Het naleven van internationale en nationale normen zoals DSTU EN ISO 12100 en DSTU EN ISO 13849 biedt een systematische aanpak van deze taak.

Fundamentele principes: natuurkunde en veiligheidstheorie

Functionele veiligheid wordt gedefinieerd als het deel van de algehele veiligheid dat afhangt van het correct functioneren van een besturingssysteem dat reageert op ingangssignalen en apparatuur in een veilige staat brengt of houdt. Functionele veiligheid is gebaseerd op de volgende principes:

• Safety by Design-principe: Gevaren worden geëlimineerd of risico's worden verminderd in de ontwerpfase van de machine, niet door het toevoegen van externe beschermingsmiddelen.
• Foutminimalisatieprincipe: De componenten en architectuur van veiligheidssystemen moeten zo worden ontworpen dat de kans op gevaarlijke storingen wordt verminderd.
• Principe van diagnostische dekking: Beveiligingssystemen moeten hun eigen interne fouten kunnen detecteren en rapporteren.
• Redundantieprincipe: duplicatie van kritieke functies om de betrouwbaarheid te vergroten. Gebruik bijvoorbeeld twee onafhankelijke eindschakelaars in plaats van één.

Het risicobeoordelingsproces volgens DSTU EN ISO 12100 vormt de basis voor het bepalen van het vereiste beveiligingsniveau. Het omvat identificatie van gevaren, risicobeoordeling (ernst van letsel, frequentie van blootstelling, vermijdbaarheid) en beslissingen over risicovermindering. Vaak wordt hiervoor gebruik gemaakt van een risicografiek of risicomatrix. Het resultaat van deze beoordeling is een streefprestatieniveau (PL) of veiligheidsintegriteitsniveau (SIL).

Technische specificaties en normen: IEC 62061 en ISO 13849

Er worden twee belangrijke normen gebruikt om de functionele veiligheid in de industrie te kwantificeren:

• IEC 62061 (DSTU EN 62061:2018): "Veiligheid van machines. Functionele veiligheid van veiligheidsgerelateerde elektrische, elektronische en programmeerbare elektronische besturingssystemen'. Deze norm is gebaseerd op het concept van SIL (Safety Integrity Level) en wordt voornamelijk gebruikt voor complexe elektrische, elektronische en programmeerbare elektronische veiligheidssystemen (E/E/PES). SIL definieert de waarschijnlijkheid van veiligheidsstoringen op aanvraag (PFD_AVG) of gevaarlijk foutpercentage per uur (PFH) voor continu gebruik. Er zijn 4 SIL-niveaus, van SIL 1 (laagste) tot SIL 4 (hoogste), waarbij bijvoorbeeld voor SIL 3 de PFD_AVG varieert van 10^-4 tot 10^{. class="text-info">-3}.
• ISO 13849 (DSTU EN ISO 13849-1:2018): "Machineveiligheid. Veiligheidsgerelateerde onderdelen van besturingssystemen. Deel 1: Algemene ontwerpprincipes". Deze norm is gebaseerd op het PL-concept (Performance Level) en is van toepassing op alle soorten technologie, inclusief elektrische, mechanische, pneumatische en hydraulische componenten. PL bepaalt de waarschijnlijkheid van een gevaarlijke storing per uur. Er zijn 5 PL-niveaus, van PL "a" (laagste) tot PL "e" (hoogste). Voor PL "e" bijvoorbeeld, PFH_D < 10^-7 fouten per uur.

De keuze voor de standaard hangt af van het type technologie dat in het beveiligingsbeheersysteem wordt gebruikt. Voor elektrische systemen met programmeerbare logische controllers (PLC's) wordt vaak IEC 62061 gebruikt, terwijl voor eenvoudigere systemen of systemen met verschillende technologieën ISO 13849 universeler is.

Evaluatie- en classificatiecriteria:

• Architectuur (categorie): ISO 13849 definieert 5 categorieën (B, 1, 2, 3, 4) die de architectuur van het systeem kenmerken en het vermogen ervan om fouten te weerstaan. Categorie 4 vereist bijvoorbeeld redundantie en diagnostiek, die ervoor zorgen dat de veiligheidsfunctie zelfs bij een enkele storing behouden blijft.
• Mean Time to Dangerous Failure (MTTF_d): De gemiddelde tijd dat een component actief is voordat deze gevaarlijk faalt. Gemeten in jaren of cycli.
• Diagnostische dekking (DC_avg): Een maatstaf voor de effectiviteit van systeemdiagnostiek die gevaarlijke fouten detecteert. Het wordt gedefinieerd als de verhouding tussen gedetecteerde gevaarlijke storingen en het totale aantal gevaarlijke storingen (0% - geen diagnose, 99% - hoge diagnose).
• Common Cause Failures (CCF's): Storingen die tegelijkertijd meerdere beveiligingskanalen kunnen beïnvloeden vanwege één enkele oorzaak (bijvoorbeeld stof, vocht, trillingen). Een verscheidenheid aan componenten, fysieke scheiding en bescherming tegen de omgeving worden gebruikt om CCF te verminderen.

Selectie- en berekeningsgids: SIL en PL

Het bepalen van de vereiste SIL of PL begint met een grondige risicobeoordeling. Hieronder vindt u een vereenvoudigd voorbeeld van een risicomatrix voor het bepalen van een doel-PL volgens ISO 13849-1:

Risicomatrix (vereenvoudigd voor PL volgens ISO 13849-1)

Berekening van MTTF_d en PFH voor ISO 13849

Om de behaalde PL te bepalen, is het noodzakelijk om de MTTF_d voor elke component (sensor, logische oplosser, actuator), de gemiddelde DC_avg te berekenen en de CCF te schatten. Componentfabrikanten geven doorgaans een waarde op van B_10d (aantal cycli tot 10% gevaarlijke uitval). Als B_10d niet beschikbaar is, kunnen empirische waarden uit ISO 13849-1, bijlage C worden gebruikt.

Formule voor MTTF_d (voor mechanische componenten):

MTTFd = B10d / (0,1 * n_op), waarbij n_op het aantal bewerkingen per uur is.

Voorbeeld: als een component B_10d = 2.000.000 cycli heeft en 10 keer per uur werkt (n_op = 10), dan MTTF_d = 2.000.000 / (0,1 * 10 * 8760 h/jaar) ≈ 228 jaar.

Berekening van PFH (waarschijnlijkheid van gevaarlijke uitval per uur) voor IEC 62061

IEC 62061 vereist een meer gedetailleerde aanpak waarbij PFH_D (voor elk subsysteem) en PFD_AVG (voor on-demand werking) worden berekend op basis van architectuur, foutintensiteit, DC en CCF. De totale PFH_D van het systeem is de som van de PFH_D van alle subsystemen.

Componentvoorbeeld: Veiligheidsrelais Siemens SIRIUS 3SK1 Advanced. Voor dit relais verstrekt de fabrikant de volgende gegevens: PFH = 2,0 x 10^-9 storingen/h (voor SIL3), MTTF_d = 100 jaar, DC_avg = 99%.

Instructies voor installatie en inbedrijfstelling

Een juiste installatie en inbedrijfstelling van beveiligingssystemen is net zo belangrijk als het ontwerp ervan. Als u deze praktijken niet volgt, kunnen alle ontwerpinspanningen teniet worden gedaan. Basisaanbevelingen:

• Gescheiden circuits: Controle- en veiligheidscircuits moeten fysiek gescheiden zijn om wederzijdse interferentie te voorkomen. Gebruik aparte kabelkanalen en markeringen.
• Aarding en afscherming: Goede aarding en afscherming van kabels ter bescherming tegen elektromagnetische interferentie, die voldoet aan de vereisten van DSTU EN 61000.
• Documentatie: Volledige en up-to-date documentatie, inclusief bedradingsschema's, parameterinstellingen, testrapporten. Dit is een verplichte vereiste voor CE- en UkrSEPRO-certificering.
• Eerste tests (Proof Test): Na de installatie en vóór de inbedrijfstelling moet een volledige functionele test van het veiligheidssysteem worden uitgevoerd om de juiste werking ervan te garanderen. De frequentie van deze testen wordt vastgelegd in het onderhoudsplan.
• Personeelskwalificaties: Installatie en inbedrijfstelling mogen alleen worden uitgevoerd door gecertificeerd personeel dat is opgeleid op het gebied van functionele veiligheid.

Storingsmodi en analyse van de hoofdoorzaken

Failure Mode Analysis (FMEA) en Root Cause Analysis (RCA) zijn belangrijke hulpmiddelen om de betrouwbaarheid van veiligheidssystemen te verbeteren. Enkele veel voorkomende faalmodi zijn:

• Sensorstoring: Mechanische schade, vervuiling, verkeerde instelling, slijtage. Bijvoorbeeld het uitvallen van de inductieve veiligheidssensor Siemens 3SE6310-0BC01 door zware vervuiling met metaalspaanders.
• Storing van de logische oplosser: Softwarefout, uitval van elektronische componenten als gevolg van overspanning of oververhitting. Voor een Siemens SIMATIC S7-1500F veiligheids-PLC kan de PFH 1,1 x 10^-9 storingen/uur bedragen.
• Actuatorstoring: Contactor blijft hangen, remstoring, lekkage van hydraulische klep. Bijvoorbeeld blokkering van de beveiligingsschakelaar als gevolg van kortsluiting in de wikkeling.
• Communicatiefout: Kabelschade, elektromagnetische interferentie, communicatieprotocolfout (bijv. PROFINET/PROFIsafe).

Visuele indicatoren: Statusindicatoren op componenten (LED's), foutmeldingen op bedieningspanelen, ongebruikelijke geluiden of trillingen. Een doorgebrande zekering op een Schneider Electric XPS-ATE-veiligheidsrelais kan bijvoorbeeld duiden op een overbelasting in het circuit.

Voorspellend onderhoud en conditiebewaking

Het implementeren van voorspellend onderhoud en condition monitoring (CMS) is een effectieve manier om de betrouwbaarheid van beveiligingssystemen te vergroten en de risico's van ongeplande downtime te verminderen.

• Continue diagnostische monitoring: Gebruik van intelligente sensoren met ingebouwde diagnostiek die voortdurend hun toestand monitoren en gegevens verzenden. Hierdoor kunt u potentiële storingen identificeren voordat ze zich voordoen. Bijvoorbeeld temperatuur-, trillings- of stroomsensoren geïntegreerd in het beveiligingssysteem.
• Periodiek testen (Proof Testen): Regelmatig testen van een beveiligingssysteem met een gespecificeerd interval (bijvoorbeeld eenmaal per jaar) om te verifiëren of het een beveiligingsfunctie kan uitvoeren. Testrapporten moeten alle controles en hun resultaten vastleggen.
• Diagnostische dekkingsanalyse: Regelmatige analyse van de efficiëntie van systeemdiagnostiek. Als DC_avg onder de berekende waarde daalt, duidt dit op een toename van de kans op gevaarlijke, niet-gedetecteerde storingen.
• Trendanalyse: monitoring van statistieken zoals het aantal mislukkingen, de tijd tot mislukking, de belasting van componenten. Hierdoor kan slijtage worden voorspeld en vervanging van componenten worden gepland.

De toepassing van de normen DSTU EN 60204-1 (Elektrische uitrusting van machines) en DSTU EN 61508 (Functionele veiligheid van elektrische/elektronische/programmeerbare elektronische systemen met betrekking tot veiligheid) vormt de basis voor de ontwikkeling van effectieve onderhoudsstrategieën.

Vergelijkingsmatrix: componenten en architecturen van beveiligingssystemen

UNITEC-D GmbH biedt als betrouwbare leverancier van componenten voor de industriële automatisering een breed scala aan producten voor de implementatie van functionele veiligheidssystemen. Hieronder vindt u een vergelijking van typische oplossingen:

Conclusie en oproep tot actie

Een systematische aanpak van de functionele veiligheid van machines, gebaseerd op een grondige risicobeoordeling en naleving van de normen IEC 62061 en ISO 13849, is een voorwaarde voor de veilige en efficiënte bedrijfsvoering van industriële ondernemingen. De juiste berekening en implementatie van SIL- en PL-niveaus beschermt niet alleen het personeel, maar zorgt ook voor de betrouwbaarheid van technologische processen, waardoor downtime en kosten worden geminimaliseerd. UNITEC-D GmbH is uw betrouwbare partner bij de selectie en levering van gecertificeerde componenten voor functionele veiligheidssystemen die voldoen aan de CE- en UkrSEPRO-eisen.

Bezoek onze elektronische catalogus voor gedetailleerde informatie over veiligheidscomponenten en oplossingen voor uw productie: www.unitecd.com/e-catalog/

Lijst met bronnen

1. DSTU EN ISO 12100:2018 Machineveiligheid. Algemene ontwerpprincipes. Risicobeoordeling en risicobeperking.
2. DSTU EN ISO 13849-1:2018 Machineveiligheid. Veiligheidsgerelateerde onderdelen van besturingssystemen. Deel 1: Algemene ontwerpprincipes.
3. DSTU EN 62061:2018 Machineveiligheid. Functionele veiligheid van veiligheidsgerelateerde elektrische, elektronische en programmeerbare elektronische besturingssystemen.
4. DSTU EN 61508 (alle delen): Functionele veiligheid van veiligheidsgerelateerde elektrische/elektronische/programmeerbare elektronische systemen.
5. Siemens AG, Veiligheid geïntegreerd voor procesautomatisering, handleiding.