Garantindo a Segurança Funcional das Máquinas: Cálculo dos Níveis SIL e PL de acordo com IEC 62061 e ISO 13849

Introdução: Desafio de Engenharia e Criticidade da Confiabilidade do Equipamento

Garantir a segurança funcional das máquinas é um requisito fundamental na produção industrial moderna. Além de causar lesões pessoais e danos materiais, os acidentes de trabalho também levam a períodos de inatividade, perda de produtividade e riscos à reputação. O desafio da engenharia consiste em identificar sistematicamente os perigos, avaliar os riscos e conceber, implementar e verificar sistemas de controlo que reduzam esses riscos a um nível aceitável. Esta metodologia é fundamental para manter o funcionamento ininterrupto e seguro dos complexos produtivos, especialmente nas condições de funcionamento intensivo das empresas industriais ucranianas. A conformidade com padrões internacionais e nacionais, como DSTU EN ISO 12100 e DSTU EN ISO 13849, fornece uma abordagem sistemática para esta tarefa.

Princípios Fundamentais: Física e Teoria da Segurança

A segurança funcional é definida como a parte da segurança geral que depende do correto funcionamento de um sistema de controle que responde aos sinais de entrada e coloca o equipamento em um estado seguro ou o mantém nesse estado. A segurança funcional baseia-se nos seguintes princípios:

• Princípio de segurança desde o projeto:Os perigos são eliminados ou reduzidos na fase de projeto da máquina, e não pela adição de dispositivos de proteção externos.
• Princípio de minimização de falhas: Os componentes e a arquitetura dos sistemas de segurança devem ser projetados de forma a reduzir a probabilidade de falhas perigosas.
• Princípio da Cobertura de Diagnóstico: Os sistemas de segurança devem ser capazes de detectar e relatar suas próprias falhas internas.
• Princípio da redundância: Duplicação de funções críticas para aumentar a confiabilidade. Por exemplo, usando dois interruptores de limite independentes em vez de um.

O processo de avaliação de risco de acordo com DSTU EN ISO 12100 é a base para determinar o nível de segurança exigido. Inclui identificação de perigos, avaliação de riscos (gravidade da lesão, frequência de exposição, evitabilidade) e decisões de redução de risco. Um gráfico de risco ou matriz de risco é frequentemente usado para isso. O resultado desta avaliação é um Nível de Desempenho (PL) ou Nível de Integridade de Segurança (SIL) alvo.

Especificações Técnicas e Padrões: IEC 62061 e ISO 13849

Dois padrões principais são usados para quantificar a segurança funcional na indústria:

• IEC 62061 (DSTU EN 62061:2018): "Segurança de máquinas. Segurança funcional de sistemas de controle elétrico, eletrônico e eletrônico programável relacionados à segurança". Este padrão é baseado no conceito de SIL (Nível de integridade de segurança) e é usado principalmente para sistemas complexos de segurança elétricos, eletrônicos e eletrônicos programáveis (E/E/PES). SIL define a probabilidade de falha de segurança sob demanda. (PFD_AVG) ou taxa de falhas perigosas por hora (PFH) para operação contínua. Existem 4 níveis de SIL, de SIL 1 (mais baixo) a SIL 4 (mais alto), onde, por exemplo, para SIL 3, o PFD_AVG varia de 10^-4 a 10^-3.
• ISO 13849 (DSTU EN ISO 13849-1:2018): "Segurança da máquina. Partes dos sistemas de controle relacionadas à segurança. Parte 1: Princípios gerais de projeto". Esta norma é baseada no conceito PL (Nível de Desempenho) e se aplica a todos os tipos de tecnologia, incluindo componentes elétricos, mecânicos, pneumáticos e hidráulicos. PL determina a probabilidade de falha perigosa por hora. Existem 5 níveis de PL, de PL "a" (mais baixo) a PL "e" (mais alto). Por exemplo, para PL "e", PFH_D < 10^-7 falhas por hora.

A escolha do padrão depende do tipo de tecnologias utilizadas no sistema de gestão de segurança. Para sistemas elétricos com controladores lógicos programáveis ​​(CLPs), IEC 62061 é frequentemente usado, enquanto para sistemas mais simples ou com tecnologias diferentes, ISO 13849 é mais versátil.

Critérios de Avaliação e Classificação:

• Arquitetura (Categoria): ISO 13849 define 5 categorias (B, 1, 2, 3, 4) que caracterizam a arquitetura do sistema e sua capacidade de resistir a falhas. Por exemplo, a Categoria 4 exige redundância e diagnóstico, que garantem que a função de segurança seja preservada mesmo no caso de uma única falha.
• Tempo médio até falha fatal (MTTF_d): O tempo médio que um componente opera antes de falhar fatalmente. Medido em anos ou ciclos.
• Cobertura de diagnóstico (DC_média): uma medida da eficiência do diagnóstico do sistema que detecta falhas perigosas. É definido como a proporção de falhas perigosas detectadas em relação ao número total de falhas perigosas (0% - sem diagnóstico, 99% - diagnóstico alto).
• Falhas de causa comum (CCF): falhas que podem afetar simultaneamente vários canais de segurança devido a uma única causa (por exemplo, poeira, umidade, vibração). Uma variedade de componentes, separação física e proteção do meio ambiente são usados ​​para reduzir o CCF.

Guia de seleção e cálculo: SIL e PL

A determinação do SIL ou PL necessário começa com uma avaliação de risco completa. Abaixo segue um exemplo simplificado de matriz de risco para determinação do PL alvo conforme ISO 13849-1:

Matriz de Riscos (Simplificada para PL conforme ISO 13849-1)

Cálculo de MTTF_d e PFH para ISO 13849

Para determinar o PL alcançado, é necessário calcular o MTTF_d para cada componente (sensor, solucionador lógico, atuador), DC médio_avg e estimar o CCF. Os fabricantes de componentes normalmente fornecem um valor de B_10d (número de ciclos até 10% de falha perigosa). Se B_10d não estiver disponível, valores empíricos de ISO 13849-1, Apêndice C podem ser usados.

Fórmula para MTTF_d (para componentes mecânicos):

MTTFd = B10d / (0,1 * n_op), onde n_op é o número de operações por hora.

Exemplo: se um componente tem B_10d = 2.000.000 ciclos e opera 10 vezes por hora (n_op = 10), então MTTF_d = 2.000.000 / (0,1 * 10 * 8.760 h/ano) ≈ 228 anos.

Cálculo de PFH (Probabilidade de Falha Perigosa por Hora) para IEC 62061

IEC 62061 requer uma abordagem mais granular onde PFH_D (para cada subsistema) e PFD_AVG (para operação sob demanda) são calculados com base na arquitetura, taxa de falha, DC e CCF. O PFH_D total do sistema é a soma do PFH_D de todos os subsistemas.

Exemplo de componente: Relé de segurança Siemens SIRIUS 3SK1 Advanced. Para este relé, o fabricante fornece os seguintes dados: PFH = 2,0 x 10^-9 falhas/h (para SIL3), MTTF_d = 100 anos, DC_média = 99%.

Instruções para instalação e comissionamento

A instalação e comissionamento adequados de sistemas de segurança são tão críticos quanto o seu design. O não cumprimento dessas práticas pode anular todos os esforços de design. Recomendações básicas:

• Separação de circuitos: Os circuitos de controle e segurança devem ser fisicamente separados para evitar interferência mútua. Use marcações e canais de cabo separados.
• Aterramento e blindagem: Aterramento e blindagem adequados dos cabos para proteção contra interferência eletromagnética, que atenda aos requisitos do DSTU EN 61000.
• Documentação: documentação completa e atualizada, incluindo diagramas elétricos, configurações de parâmetros e relatórios de testes. Este é um requisito obrigatório para a certificação CE e UkrSEPRO.
• Testes iniciais (Teste de Prova): Após a instalação e antes do comissionamento, um teste funcional completo do sistema de segurança deve ser realizado para garantir seu correto funcionamento. A frequência destes testes está definida no plano de manutenção.
• Qualificações do pessoal: A instalação e o comissionamento só devem ser realizados por técnicos certificados que tenham recebido treinamento em segurança funcional.

Modos de falha e análise de causa raiz

A Análise do Modo de Falha (FMEA) e a Análise da Causa Raiz (RCA) são ferramentas essenciais para melhorar a confiabilidade dos sistemas de segurança. Alguns modos de falha comuns são:

• Falha no sensor: Danos mecânicos, contaminação, configuração incorreta, desgaste. Por exemplo, a falha do sensor de segurança indutivo Siemens 3SE6310-0BC01 devido à forte contaminação com aparas de metal.
• Falha no solucionador lógico: falha de software, falha de componentes eletrônicos devido a sobretensão ou superaquecimento. Para um PLC de segurança Siemens SIMATIC S7-1500F, o PFH pode ser de 1,1 x 10^-9 falhas/hora.
• Falha do atuador: contator travado, mau funcionamento do freio, vazamento na válvula hidráulica. Por exemplo, bloqueio do contator de proteção devido a curto-circuito do enrolamento.
• Falha de comunicação: Danos no cabo, interferência eletromagnética, falha no protocolo de comunicação (por exemplo, PROFINET/PROFIsafe).

Indicadores visuais: indicadores de status nos componentes (LEDs), mensagens de erro nos painéis do operador, ruídos ou vibrações incomuns. Por exemplo, um fusível queimado em um relé de segurança Schneider Electric XPS-ATE pode indicar uma sobrecarga no circuito.

Manutenção Preditiva e Monitoramento de Condições

A implementação de manutenção preditiva e monitoramento de condições (CMS) é uma forma eficaz de aumentar a confiabilidade dos sistemas de segurança e reduzir os riscos de paralisações não planejadas.

• Monitoramento de diagnóstico contínuo: uso de sensores inteligentes com diagnóstico integrado que monitoram constantemente sua condição e transmitem dados. Isso permite identificar possíveis falhas antes que elas ocorram. Por exemplo, sensores de temperatura, vibração ou corrente integrados no sistema de segurança.
• Testes periódicos (teste de prova): testes regulares de um sistema de segurança em um determinado intervalo (por exemplo, uma vez por ano) para verificar sua capacidade de executar uma função de segurança. Os relatórios de teste devem registrar todas as verificações e seus resultados.
• Análise de cobertura de diagnóstico: análise regular da eficácia do diagnóstico do sistema. Se DC_média ficar abaixo do valor calculado, isso indica um aumento na probabilidade de falhas perigosas não detectadas.
• Análise de tendências: indicadores de monitoramento, como número de falhas, tempo até a falha, carga nos componentes. Isso permite prever o desgaste e planejar a substituição de componentes.

A aplicação das normas DSTU EN 60204-1 (Equipamentos elétricos de máquinas) e DSTU EN 61508 (Segurança funcional de sistemas elétricos/eletrônicos/eletrônicos programáveis ​​relacionados à segurança) é a base para o desenvolvimento de estratégias eficazes de manutenção.

Matriz de Comparação: Componentes e Arquiteturas de Sistemas de Segurança

A UNITEC-D GmbH, como fornecedor confiável de componentes para automação industrial, oferece uma ampla gama de produtos para a implementação de sistemas de segurança funcional. Abaixo está uma comparação de soluções típicas:

Conclusão e apelo à ação

Uma abordagem sistemática à segurança funcional das máquinas, baseada em uma avaliação de risco completa e na conformidade com os padrões IEC 62061 e ISO 13849, é um pré-requisito para a operação segura e eficiente de empresas industriais. O correto cálculo e implementação dos níveis SIL e PL não só protege o pessoal, mas também garante a confiabilidade dos processos tecnológicos, minimizando tempos de inatividade e custos. UNITEC-D GmbH é seu parceiro confiável na seleção e fornecimento de componentes certificados para sistemas de segurança funcional que atendem aos requisitos CE e UkrSEPRO.

Para obter informações detalhadas sobre componentes e soluções de segurança para sua produção, visite nosso catálogo eletrônico: www.unitecd.com/e-catalog/

Lista de fontes

1. DSTU EN ISO 12100:2018 Segurança de máquinas. Princípios gerais de design. Avaliação de riscos e mitigação de riscos.
2. DSTU EN ISO 13849-1:2018 Segurança de máquinas. Partes dos sistemas de controle relacionadas à segurança. Parte 1: Princípios gerais de design.
3. DSTU EN 62061:2018 Segurança de máquinas. Segurança funcional de sistemas de controle elétrico, eletrônico e eletrônico programável relacionados à segurança.
4. DSTU EN 61508 (todas as peças): Segurança funcional de sistemas elétricos/eletrônicos/eletrônicos programáveis ​​relacionados à segurança.
5. Siemens AG, Segurança Integrada para Automação de Processos, Manual.