Забезпечення Функціональної Безпеки Машин: Розрахунок Рівнів SIL та PL згідно IEC 62061 та ISO 13849

Вступ: Інженерний Виклик та Критичність Надійності Устаткування

Забезпечення функціональної безпеки машин є фундаментальною вимогою в сучасному промисловому виробництві. Аварії на виробництві не лише спричиняють травми персоналу та матеріальні збитки, але й ведуть до простоїв, втрати продуктивності та репутаційних ризиків. Інженерний виклик полягає у систематичній ідентифікації небезпек, оцінці ризиків та розробці, впровадженні й верифікації систем керування, які знижують ці ризики до прийнятного рівня. Ця методологія є критичною для підтримки безперебійної та безпечної роботи виробничих комплексів, особливо в умовах інтенсивної експлуатації українських промислових підприємств. Дотримання міжнародних та національних стандартів, таких як DSTU EN ISO 12100 та DSTU EN ISO 13849, забезпечує системний підхід до цієї задачі.

Фундаментальні Принципи: Фізика та Теорія Безпеки

Функціональна безпека визначається як частина загальної безпеки, яка залежить від правильного функціонування системи керування, що реагує на вхідні сигнали та переводить обладнання у безпечний стан або підтримує його у такому стані. Основу функціональної безпеки становлять такі принципи:

• Принцип «Безпека через проектування» (Safety by Design): Небезпеки усуваються або ризики зменшуються на етапі проектування машини, а не шляхом додавання зовнішніх захисних пристроїв.
• Принцип мінімізації відмов: Компоненти та архітектура систем безпеки повинні бути розроблені таким чином, щоб зменшити ймовірність небезпечних відмов.
• Принцип діагностичного охоплення: Системи безпеки повинні мати можливість виявляти власні внутрішні відмови та повідомляти про них.
• Принцип резервування: Дублювання критично важливих функцій для підвищення надійності. Наприклад, використання двох незалежних кінцевих вимикачів замість одного.

Процес оцінки ризиків згідно з ДСТУ EN ISO 12100 є основою для визначення необхідного рівня безпеки. Він включає ідентифікацію небезпек, оцінку ризику (тяжкість травми, частота впливу, можливість уникнення) та прийняття рішень щодо зменшення ризику. Для цього часто використовується графік ризиків (risk graph) або матриця ризиків. Результатом цієї оцінки є цільовий Рівень Продуктивності (PL) або Рівень Цілісності Безпеки (SIL).

Технічні Специфікації та Стандарти: IEC 62061 та ISO 13849

Для кількісної оцінки функціональної безпеки в промисловості застосовуються два основні стандарти:

• IEC 62061 (ДСТУ EN 62061:2018): «Безпека машин. Функціональна безпека електричних, електронних і програмованих електронних систем керування, пов’язаних з безпекою». Цей стандарт базується на концепції SIL (Safety Integrity Level) і переважно використовується для складних електричних, електронних та програмованих електронних систем безпеки (E/E/PES). SIL визначає ймовірність відмови системи безпеки за запитом (PFD_AVG) або частоту небезпечних відмов на годину (PFH) для безперервної роботи. Існує 4 рівні SIL, від SIL 1 (найнижчий) до SIL 4 (найвищий), де, наприклад, для SIL 3, PFD_AVG знаходиться в діапазоні від 10^-4 до 10^-3.
• ISO 13849 (ДСТУ EN ISO 13849-1:2018): «Безпека машин. Частини систем керування, пов’язані з безпекою. Частина 1: Загальні принципи проектування». Цей стандарт базується на концепції PL (Performance Level) і застосовується для всіх видів технологій, включаючи електричні, механічні, пневматичні та гідравлічні компоненти. PL визначає ймовірність небезпечної відмови за годину. Існує 5 рівнів PL, від PL «a» (найнижчий) до PL «e» (найвищий). Наприклад, для PL «e», PFH_D < 10^-7 відмов на годину.

Вибір стандарту залежить від типу технологій, що використовуються в системі керування безпекою. Для електричних систем з програмованими логічними контролерами (ПЛК) часто використовують IEC 62061, тоді як для більш простих систем або систем з різними технологіями ISO 13849 є більш універсальним.

Критерії Оцінки та Класифікація:

• Архітектура (Category / Категорія): ISO 13849 визначає 5 категорій (B, 1, 2, 3, 4), які характеризують архітектуру системи та її здатність протистояти відмовам. Наприклад, Категорія 4 вимагає дублювання та діагностики, що забезпечує збереження функції безпеки навіть при одній відмові.
• Середній час до небезпечної відмови (MTTF_d): Середній час роботи компонента до його небезпечної відмови. Вимірюється в роках або циклах.
• Діагностичне охоплення (DC_avg): Міра ефективності діагностики системи, яка виявляє небезпечні відмови. Визначається як співвідношення виявлених небезпечних відмов до загальної кількості небезпечних відмов (0% – немає діагностики, 99% – висока діагностика).
• Відмови загальної причини (CCF): Відмови, які можуть одночасно вплинути на декілька каналів системи безпеки через одну причину (наприклад, пил, волога, вібрація). Для зменшення CCF застосовують різноманітність компонентів, фізичне розділення, захист від навколишнього середовища.

Керівництво з Вибору та Розрахунку: SIL та PL

Визначення необхідного SIL або PL починається з ретельної оцінки ризиків. Нижче наведено спрощений приклад матриці ризиків для визначення цільового PL згідно ISO 13849-1:

Матриця Ризиків (Спрощено для PL згідно ISO 13849-1)

Розрахунок MTTF_d та PFH для ISO 13849

Для визначення досягнутого PL необхідно розрахувати MTTF_d для кожного компонента (сенсор, логічний вирішувач, актуатор), середнє значення DC_avg та оцінити CCF. Виробники компонентів зазвичай надають значення B_10d (кількість циклів до 10% небезпечних відмов). Якщо B_10d недоступне, можна використовувати емпіричні значення з ISO 13849-1, Додаток C.

Формула для MTTF_d (для механічних компонентів):

MTTFd = B10d / (0.1 * n_op), де n_op – кількість операцій на годину.

Приклад: Якщо компонент має B_10d = 2,000,000 циклів і працює 10 разів на годину (n_op = 10), то MTTF_d = 2,000,000 / (0.1 * 10 * 8760 год/рік) ≈ 228 років.

Розрахунок PFH (Probability of Dangerous Failure per Hour) для IEC 62061

IEC 62061 вимагає більш детального підходу, де PFH_D (для кожної підсистеми) та PFD_AVG (для роботи за запитом) розраховуються на основі архітектури, інтенсивності відмов, DC та CCF. Загальний PFH_D системи є сумою PFH_D всіх підсистем.

Приклад компонента: Безпечне реле Siemens SIRIUS 3SK1 Advanced. Для цього реле виробник надає дані: PFH = 2.0 x 10^-9 відмов/год (для SIL3), MTTF_d = 100 років, DC_avg = 99%.

Настанови щодо Монтажу та Введення в Експлуатацію

Правильний монтаж та введення в експлуатацію систем безпеки є таким же критичним, як і їх проектування. Недотримання цих практик може звести нанівець усі зусилля з проектування. Основні рекомендації:

• Розділення кіл: Керуючі та безпечні кола повинні бути фізично розділені для уникнення взаємних перешкод. Використовуйте окремі кабельні канали та маркування.
• Заземлення та екранування: Належне заземлення та екранування кабелів для захисту від електромагнітних перешкод, що відповідає вимогам ДСТУ EN 61000.
• Документація: Повна та актуальна документація, включаючи схеми підключення, налаштування параметрів, протоколи випробувань. Це є обов’язковою вимогою для сертифікації CE та UkrSEPRO.
• Первинні випробування (Proof Test): Після монтажу та перед введенням в експлуатацію необхідно провести повне функціональне випробування системи безпеки, щоб переконатися в її правильній роботі. Частота цих випробувань встановлюється в плані обслуговування.
• Кваліфікація персоналу: Монтаж та налагодження повинні виконувати лише сертифіковані фахівці, які пройшли навчання з функціональної безпеки.

Режими Відмов та Аналіз Основних Причин

Аналіз режимів відмов (FMEA) та аналіз основних причин (RCA) є ключовими інструментами для підвищення надійності систем безпеки. Деякі поширені режими відмов:

• Відмова датчика: Механічне пошкодження, забруднення, неправильне налаштування, знос. Наприклад, відмова індуктивного датчика безпеки Siemens 3SE6310-0BC01 через сильне забруднення металевою стружкою.
• Відмова логічного вирішувача: Збій програмного забезпечення, вихід з ладу електронних компонентів через перенапругу або перегрів. Для ПЛК безпеки Siemens SIMATIC S7-1500F PFH може становити 1.1 x 10^-9 відмов/год.
• Відмова виконавчого механізму: Залипання контактора, несправність гальма, витік у гідравлічному клапані. Наприклад, блокування захисного контактора через коротке замикання обмотки.
• Відмова комунікації: Пошкодження кабелю, електромагнітні перешкоди, збій протоколу зв’язку (наприклад, PROFINET/PROFIsafe).

Візуальні індикатори: Індикатори стану на компонентах (світлодіоди), повідомлення про помилки на панелях оператора, незвичайні шуми або вібрації. Для прикладу, перегорання запобіжника на безпековому реле Schneider Electric XPS-ATE може вказувати на перевантаження в колі.

Предиктивне Обслуговування та Моніторинг Стану

Впровадження предиктивного обслуговування та моніторингу стану (CMS) є ефективним способом підвищення надійності систем безпеки та зниження ризиків незапланованих простоїв.

• Безперервний діагностичний моніторинг: Використання інтелектуальних датчиків з вбудованою діагностикою, які постійно контролюють свій стан та передають дані. Це дозволяє виявити потенційні відмови до їхнього виникнення. Наприклад, датчики температури, вібрації або струму, інтегровані в систему безпеки.
• Періодичні випробування (Proof Testing): Регулярні випробування системи безпеки за заданим інтервалом (наприклад, раз на рік), щоб переконатися в її здатності виконувати функцію безпеки. Протоколи випробувань повинні фіксувати всі перевірки та їх результати.
• Аналіз діагностичного охоплення: Регулярний аналіз ефективності діагностики системи. Якщо DC_avg падає нижче розрахункового, це свідчить про збільшення ймовірності небезпечних невиявлених відмов.
• Аналіз тенденцій: Моніторинг показників, таких як кількість відмов, час до відмови, навантаження на компоненти. Це дозволяє прогнозувати знос і планувати заміну компонентів.

Застосування стандартів ДСТУ EN 60204-1 (Електрообладнання машин) та ДСТУ EN 61508 (Функціональна безпека електричних/електронних/програмованих електронних систем, пов’язаних з безпекою) є основою для розробки ефективних стратегій обслуговування.

Матриця Порівняння: Компоненти та Архітектури Систем Безпеки

UNITEC-D GmbH, як надійний постачальник компонентів для промислової автоматизації, пропонує широкий асортимент продукції для реалізації систем функціональної безпеки. Нижче наведено порівняння типових рішень:

Висновок та Заклик до Дії

Системний підхід до функціональної безпеки машин, заснований на ретельній оцінці ризиків та дотриманні стандартів IEC 62061 та ISO 13849, є обов’язковою умовою для безпечної та ефективної роботи промислових підприємств. Правильний розрахунок та впровадження рівнів SIL та PL не лише захищає персонал, але й забезпечує надійність технологічних процесів, мінімізуючи простої та витрати. UNITEC-D GmbH є Вашим надійним партнером у виборі та постачанні сертифікованих компонентів для систем функціональної безпеки, що відповідають вимогам CE та UkrSEPRO.

Для отримання детальної інформації про компоненти безпеки та рішення для Вашого виробництва, відвідайте наш електронний каталог: www.unitecd.com/e-catalog/

Список Джерел

1. ДСТУ EN ISO 12100:2018 Безпека машин. Загальні принципи проектування. Оцінювання ризику та зменшення ризику.
2. ДСТУ EN ISO 13849-1:2018 Безпека машин. Частини систем керування, пов’язані з безпекою. Частина 1: Загальні принципи проектування.
3. ДСТУ EN 62061:2018 Безпека машин. Функціональна безпека електричних, електронних і програмованих електронних систем керування, пов’язаних з безпекою.
4. ДСТУ EN 61508 (усі частини): Функціональна безпека електричних/електронних/програмованих електронних систем, пов’язаних з безпекою.
5. Siemens AG, Safety Integrated for Process Automation, Manual.