SINAMICS S120. Nachweis des Performance Levels e gemäß EN ISO

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1 I DT MC Anwenerbeschreibung SINAMICS S20 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Dokument Projekt Status: release Organisation: I DT MC Baseline:.2 Ort: Erl F80 Datum: Copyright Siemens AG All rights reserve Seite von release

2 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V.2 Verfasser: Name Abteilung Ort Telefon Jürgen Bremer I DT MC PM Erl F Freigabe: Name Abteilung Ort Telefon Datum Hahn., Ulrich I DT MC RD 2 Erlangen 093/ Interne Versionsänerung: Dokumentenversion Datum Name Abteilung Status V Bremer, Jürgen I DT MC PM SP release V Hahn, Ulrich I DT MC RD 2 incomplete Änerungen integriert V Hahn, Ulrich I DT MC RD 2 release Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 2 von release

3 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V.2 Inhaltsverzeichnis Aufgabenstellung Beschreibung er Sicherheitsfunktion Funktionsweise Variante : Leistungsschütz in er Netzeinspeisung es Umrichters Variante 2: Leistungsschütz auf er Ausgangsseite zwischen Motor un Umrichter Ermittlung es Performance Levels Variante Berechnung Ermittlung es Ermittlung es Diagnoseeckungsgraes (DC) Maßnahmen gegen Fehler gemeinsamer Ursache (CCF) Bestimmung es Performance Levels Kontrolle es PFH-Werts Variante Berechnung Ermittlung es Ermittlung es Diagnoseeckungsgraes (DC) Maßnahmen gegen Fehler gemeinsamer Ursache (CCF) Bestimmung es Performance Levels Kontrolle es PFH-Wertes Hinweise für en Anwener...4 Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 3 von release

4 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V.2 Aufgabenstellung Die Sicherheitsfunktionen es SINAMICS S20 erfüllen im Stanar en Performance Level. Durch ein Leistungsschütz als zusätzlicher Abschaltpfa weren ie Architekturanforerungen für Kategorie 4 erreicht. Es soll nachgewiesen weren, ass hiermit auch Performance Level e erreicht weren kann. 2 Beschreibung er Sicherheitsfunktion Eine Sicherheitsfunktion besteht in er Regel aus en Teilfunktionen Erfassen, Auswerten un Reagieren. Zu Erfassen gehören ie Sicherheitssensoren wie NOT-HALT-Taster, Positionsschalter oer Lichtvorhänge, zu Auswerten gehören Sicherheitsschaltgeräte oer Sicherheitssteuerungen, un zu Reagieren gehören ie Sicherheitsaktoren wie Schütze oer Antriebe mit integrierten Sicherheitsfunktionen. Die im Folgenen beschriebene Sicherheitsfunktion besteht aus einer Sicherheitssteuerung (F-CPU) mit zugehöriger Peripherie, einem Leistungsschütz un em Antriebssystem SINAMICS S20 mit integrierten Sicherheitsfunktionen. Auf ie erforerliche Sensorik wir hier nicht weiter eingegangen. 2. Funktionsweise Von er Sicherheitssteuerung wir z. B. nach Ansprechen eines Sicherheitssensors (in en folgenen Abbilungen nicht argestellt) er Antrieb stillgesetzt. Hierzu wir über einen sicheren Ausgang er fehlersicheren Peripherie am SINAMICS S20 ie antriebsintegrierte Sicherheitsfunktion Safe Torque Off (STO) ausgelöst. Um Kategorie 4 zu erreichen, wir als zweiter unabhängiger Abschaltkanal zusätzlich ein Leistungsschütz vorgesehen. Dessen Hilfskontakt (Öffner) wir in ie Peripheriebaugruppe zurück gelesen. Hierfür ist kein sicherer Eingang erforerlich, allerings ist eine regelmäßige Zwangsynamisierung (z. B. alle 8 Stunen) erforerlich. Hierbei schaltet ie Steuerung as Schütz un kontrolliert, ob am Eingang er Schaltzustan korrekt zurück gemelet wir. Diese Funktion ist im Sicherheitsprogramm er Steuerung in geeigneter Weise zu implementieren. Mit Aktivieren von STO am SINAMICS S20 wir eine Impulssperre im motorseitigen Wechselrichter ausgelöst un amit er Strom unmittelbar elektronisch abgeschaltet. Damit as Schütz stromlos un amit mit weniger Verschleiß schaltet, wir von er Sicherheitssteuerung ie Ansteuerung es Schützes verzögert. Allerings muss es als zweiter unabhängiger Abschaltpfa im Störfall en Laststrom schalten können un ist aher entsprechen auszulegen. Die Verzögerungszeit es Schützes ist bei er Ermittlung er Reaktionszeit er Sicherheitsfunktion zu berücksichtigen. 2.2 Variante : Leistungsschütz in er Netzeinspeisung es Umrichters In er Variante ist as Leistungsschütz in er Netzseite es SINAMICS S20 vorgesehen (siehe Abb. ). Diese Variante hat ie im Folgenen aufgeführten Eigenschaften: Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 4 von release

5 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V.2 -A -A2 P24 Netz F-CPU -A3 SINAMICS Motor Abb. Vorteil: Das Schütz kann für ohmsche Last (AC) ausgelegt weren. Nachteile: Durch ie im Spannungszwischenkreis gespeicherte Energie kann auch nach Abschalten es Netzschützes bei Versagen er antriebsintegrierten Sicherheitsfunktion noch eine Restbewegung stattfinen. Das muss bei er Risikobewertung berücksichtigt weren. Das Schütz muss für en thermischen Dauerstrom es Antriebs bzw. er Antriebe ausgelegt weren. Nach em Abschalten weren ie Zwischenkreiskonensatoren entlaen. Daher muss vor em Wieereinschalten es Antriebs ie Vorlaezeit es Umrichters abgewartet weren. Diese Variante ist in er Regel nur für Einzelantriebe geeignet. Bei einem Mehrmotorenantrieb mit gemeinsamer Einspeisung würe so ie Energieversorgung aller angeschlossen Antriebe gemeinsam abgeschaltet weren. Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 5 von release

6 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V Variante 2: Leistungsschütz auf er Ausgangsseite zwischen Motor un Umrichter Die Variante 2 beschreibt einen SINAMICS S20 Mehrachsverban mit ausgangsseitigen Schützen (siehe Abb. 2). Diese Variante hat folgene Eigenschaften: Netz -A -A2 -A3 STO SINAMICS Mehrachssystem F-CPU F-I/O P24 - K2. - K2.2 - K2.3 Motor Motor Motor Abb. 2 Vorteile: Für Einzel- un Mehrmotorenkonstellationen geeignet, a jeer Antrieb einzeln abgeschaltet weren kann. Der Zwischenkreis bleibt am Netz un amit vorgelaen,. h. keine thermische Belastung er beteiligten Bauelemente un kein Zeitverzug beim Wieereinschalten. Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 6 von release

7 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V.2 Nachteile: Das Schütz muss im Worst Case einen Gleichstrom mit inuktiver Last (Motorwicklung) schalten können. Bei sehr kleiner Drehzahl bzw. bei Drehzahlsollwert 0 prägt er Umrichter einen Strom mit sehr kleiner Frequenz ein, er für as Schütz wie ein Gleichstrom wirkt. Das Schütz muss für en thermischen Dauerstrom es Antriebs ausgelegt weren. 3 Ermittlung es Performance Levels Beie Varianten erfüllen ie Architekturanforerungen gemäß Kategorie 4. Zum Nachweis, ass auch PL e gemäß ISO erfüllt wir, muss zusätzlich ie Zuverlässigkeit er Schaltung un er eingesetzten Komponenten ermittelt weren. 3. Variante Im sicherheitsbezogenen Blockiagramm (siehe Abb. 3) sin er SINAMICS S20 un as Schütz als parallele Einheiten zu betrachten. Zur Ermittlung es Performance Levels ieser Anornung müssen nach ISO zunächst ie beier Pfae ermittelt un ggf. symmetrisiert weren. Abb. 3 Hinweis: Mit iesem Blockiagramm un er folgenen Berechnung ist auch ie Variante, ass ie Sicherheitsfunktion am SINAMICS S20 alternativ über Profisafe angesteuert wir, abgeeckt. 3.. Berechnung 3... Ermittlung es SINAMICS S20 (-A3): Beispielhaft wir hier ein Einachsantrieb mit Power Moule PM340 un Control Unit CU30 angenommen. Als antriebsintegrierte Sicherheitsfunktion kommt Safe Torque Off (STO), aktiviert über Klemme, zum Einsatz. Für iese Funktion ist kein Geber erforerlich. Die PFH -Werte er beien Sinamics-Komponenten sin Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 7 von release

8 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V.2 8 x 0-9 / h (PM340) un 0 x 0-9 / h (CU30), er Summen-PFH beträgt somit 28 x 0-9 / h. Laut Herstellerangabe un bestätigt urch BGIA ermittelt sich ie Ersatz- für genau iese SINAMICS-Einsatzkonfiguration zu 80 Jahre. PFH 50, h , h a (Beingung für Kategorie 4 aus ISO3849-: > 30 Jahre) [F] Netzschütz (-K): Bei einem Schütz kann lt. ISO 3849-, Anhang C, von einem B0 -Wert von ausgegangen weren. Liegen für as verwenete Schütz Herstellerangaben vor, sin iese Werte zu verwenen. Bei einem beispielhaften Zyklus von zwei Betätigungen je Stune, Zweischichtbetrieb,. h. 6 h / Tag un 358 Prouktionstagen im Jahr ergibt sich eine Anzahl von.456 Betätigungen pro Jahr. Mit em bekannten B0 -Wert ergibt sich somit eine von Jahre. 0,.456 (Beingung für Kategorie 4 aus ISO3849-: > 30 Jahre) Gemäß ISO wir bei er Ermittlung er Zuverlässigkeit ie auf max. 00 Jahre beschränkt. Die ermittelten -Werte sin stark unterschielich. Daher ist lt. ISO eine Symmetrisierung nach folgener Formel erforerlich: a 00 a Jahre. (A3) 80 a (K) - 00 a (A3) (K) Laut ISO wir eine ab 30 Jahren als hoch bezeichnet. Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 8 von release

9 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V Ermittlung es Diagnoseeckungsgraes (DC) Für en SINAMICS S20 kann lt. Herstellerangabe für genau iese Einsatzkonfiguration ein Ersatz-DC von 99% angesetzt weren: DC (A3) 0,99. Das Netzschütz besitzt einen zwangsgeführten Öffner-Kontakt, er von er Sicherheitssteuerung ausgewertet wir. Deshalb kann hier ebenfalls ein DC von 99% angesetzt weren: DC (K) 0,99. Gemäß ISO errechnet sich er mittlere DC zu: DC DC (A3) DC (K) 0,99 0,99 (A3) (K) (A3) (K) avg. DC avg. 99%. 0,99 Laut ISO wir ein DC > 99% als hoch bezeichnet Maßnahmen gegen Fehler gemeinsamer Ursache (CCF) Nach ISO sin für SRP/CS ab Kategorie 2 minestens 65 Punkte erforerlich. In er hier behanelten beispielhaften Sicherheitsfunktion liegt Diversität er Technologie (konventionelles Schütz un antriebsintegrierte elektronische Sicherheitsfunktion) vor (20 Punkte). Sowohl as Schütz als auch er SINAMICS S20 sin in einem Schaltschrank in ausreichener Schutzart aufgebaut. Daher besteht Schutz vor Verunreinigung un elektromagnetischer Beeinflussung (25 Punkte). Im Schaltschrank weren ie beien Kanäle getrennt voneinaner verrahtet (5 Punkte). Sowohl as eingesetzte Schütz als auch er SINAMICS S20 können als bewährte Bauelemente angesehen weren (5 Punkte). In Summe wir ie ausreichene Anzahl von 65 Punkten erreicht Bestimmung es Performance Levels Mit en zuvor ermittelten Werten Kategorie 4 hoch DC hoch Maßnahmen gegen CCF erfüllt ergibt sich nach ISO 3849-, Bil 5, ass PL e erreicht wir. Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 9 von release

10 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V Kontrolle es PFH-Werts Gemäß ISO 3849-, Anhang K, ergibt sich für ie parallele Struktur ein PFH von 2,74 x 0-8 / h. Zu iesem PFH weren noch ie Werte er F-CPU un er F-I/O-Baugruppe hinzuaiert. Im vorliegenen Beispiel weren ie folgenen SIMATIC-Komponenten eingesetzt: F-CPU: Simatic S7 CPU 35F 2DP,54 x 0-9 / h, PL e F-DO-Baugruppe: SM326 F-DO 8,0 x 0-9 / h F-DI-Baugruppe: SM326 F-DI 24,0 x 0-9 / h Die F-CPU kommuniziert über en Rückwanbus mit en F-I/Os über PROFIsafe. Für en PROFIsafe- Master ist hierfür ein Fit zu berücksichtigen:,0 x 0-9 / h. Summe PFH 3,94 x 0-8 / h < 0-7 / h. Damit weren ie Anforerungen für Performance Level e erfüllt. 3.2 Variante 2 Im sicherheitsbezogenen Blockiagramm (siehe Abb. 4) sin as SINAMICS S20 Antriebssystem un ie Schütze als parallele Einheiten zu betrachten. Zur Ermittlung es Performance Levels ieser Anornung müssen nach ISO zunächst ie beier Pfae ermittelt un ggf. symmetrisiert weren. -K2. -K2.2 -K2.3 -A -A2 -A3 Abb. 4 Hinweis: Mit iesem Blockiagramm un er folgenen Berechnung ist auch ie Variante, ass ie Sicherheitsfunktion am SINAMICS S20 alternativ über Profisafe angesteuert wir, abgeeckt. Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 0 von release

11 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V Berechnung Ermittlung es Im Beispiel gemäß Abb. 2 besteht as SINAMICS S20 Antriebssystem aus rei Motor Moules, ie von einem gemeinsamen Line Moule gespeist weren. Alle rei Motor Moules un as Line Moule weren von einer gemeinsamen Control Unit CU320 gesteuert. Als antriebsintegrierte Sicherheitsfunktion kommt für jeen Antrieb Safe Torque Off (STO), aktiviert über Klemme, zum Einsatz. Die Sicherheitsfunktion er rei Antriebe wir von er Sicherheitssteuerung über F-DO s parallel angesteuert. Im Ausgang jees Motor Moules ist je ein Leistungsschütz vorgesehen. Die Leistungsschütze weren ebenfalls parallel von einem F-DO er Sicherheitssteuerung angesteuert. Die Hilfskontakte er rei Schütze weren in Reihe geschaltet auf einen Digitaleingang verrahtet (logische UND-Verknüpfung). SINAMICS S20 (-A3): Die PFH -Werte er verweneten Sinamics-Komponenten sin 0 x 0-9 / h (CU320), 0 x 0-9 / h (Single Motor Moule, Bauform Booksize), 4 x 0-9 / h (Single Motor Moule, Bauform Chassis), 8 x 0-9 / h (Power Moule Bauform Blocksize, an ie CU320 über CUA32 angekoppelt). Der Summen-PFH es Antriebssystems beträgt somit 52 x 0-9 / h. (Das Line Moule hat keinen Einfluss auf ie funktionale Sicherheit es Systems un bringt aher keinen PFH -Beitrag.) Laut Herstellerangabe un bestätigt urch BGIA ermittelt sich ie Ersatz- für genau iese SINAMICS-Einsatzkonfiguration zu PFH 50, h 50, h a -9 (Beingung für Kategorie 4 aus ISO3849-: > 30 Jahre) 43 Jahre. [F2] Ausgangsschütze (-K2. - -K2.3): Bei einem Schütz kann lt. ISO 3849-, Anhang C, von einem B0 -Wert von ausgegangen weren. Liegen für as verwenete Schütz Herstellerangaben vor, sin iese Werte zu verwenen. Bei einem beispielhaften Zyklus von einer Betätigungen je 5 Minuten, Einschichtbetrieb,. h. 8 h / Tag un 250 Prouktionstagen im Jahr ergibt sich eine Anzahl von Betätigungen pro Jahr. Mit em bekannten B0 -Wert ergibt sich somit je Schütz eine von Jahre. 0, Gemäß ISO ermittelt sich ie Summen- zu: Copyright Siemens AG All rights reserve Seite von release

12 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V Jahre. (Beingung für Kategorie 4 aus ISO3849-: > 30 Jahre) Gemäß ISO wir bei er Ermittlung er Zuverlässigkeit ie auf max. 00 Jahre beschränkt. Die ermittelten -Werte sin stark unterschielich. Daher ist lt. ISO eine Symmetrisierung nach folgener Formel erforerlich: a 00 a Jahre. (A3) 43 a (K2) - 00 a (A3) (K2) Laut ISO wir eine ab 30 Jahren als hoch bezeichnet Ermittlung es Diagnoseeckungsgraes (DC) Für en SINAMICS S20 kann lt. Herstellerangabe für genau iese Einsatzkonfiguration ein Ersatz-DC von 99% angesetzt weren: DC (A3) 0,99. Die Leistungsschütze besitzen jeweils einen zwangsgeführten Öffner-Kontakt, er von er Sicherheits- SPS ausgewertet wir. Deshalb kann hier ebenfalls ein DC von 99% angesetzt weren: DC (K2. - K2.3) 0,99. Gemäß ISO errechnet sich er mittlere DC zu: DC DC (A3) DC (K2) 0,99 0,99 (A3) (K2) (A3) (K2) avg. DC avg. 99%. 0,99 Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 2 von release

13 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V.2 Laut ISO wir ein DC > 99% als hoch bezeichnet Maßnahmen gegen Fehler gemeinsamer Ursache (CCF) Nach ISO sin für SRP/CS ab Kategorie 2 minestens 65 Punkte erforerlich. In er hier behanelten beispielhaften Sicherheitsfunktion liegt Diversität er Technologie (konventionelles Schütz un antriebsintegrierte elektronische Sicherheitsfunktion) vor (20 Punkte). Sowohl as Schütz als auch er SINAMICS S20 sin in einem Schaltschrank in ausreichener Schutzart aufgebaut. Daher besteht Schutz vor Verunreinigung un elektromagnetischer Beeinflussung (25 Punkte). Im Schaltschrank weren ie beien Kanäle getrennt voneinaner verrahtet (5 Punkte). Sowohl as eingesetzte Schütz als auch er SINAMICS S20 können als bewährte Bauelemente angesehen weren (5 Punkte). Die Konstrukteure sin geschult woren, Grüne un Auswirkungen von Ausfällen infolge gemeinsamer Ursachen zu erkennen. Weiterhin wure eine FMEA zur Erkennung un Vermeiung von Ausfällen infolge gemeinsamer Ursachen urchgeführt (je 5 Punkte). In Summe wir ie ausreichene Anzahl von 75 Punkten erreicht Bestimmung es Performance Levels Mit en zuvor ermittelten Werten Kategorie 4 hoch DC hoch Maßnahmen gegen CCF erfüllt ergibt sich nach ISO 3849-, Bil 5, ass PL e erreicht wir Kontrolle es PFH-Wertes Gemäß ISO 3849-, Anhang K, ergibt sich für ie parallele Struktur ein PFH von 3,4 x 0-8 / h. Zu iesem PFH weren noch ie Werte er F-CPU un er F-I/O-Baugruppe hinzuaiert. Im vorliegenen Beispiel weren ie folgenen SIMATIC-Komponenten eingesetzt: F-CPU: Simatic S7 CPU 35F 2DP,54 x 0-9 / h, PL e F-DO-Baugruppe: SM326 F-DO 8,0 x 0-9 / h F-DI-Baugruppe: SM326 F-DI 24,0 x 0-9 / h Die F-CPU kommuniziert über en Rückwanbus mit en F-I/Os über PROFIsafe. Für en PROFIsafe- Master ist hierfür ein Fit zu berücksichtigen:,0 x 0-9 / h. Summe PFH 3,864 x 0-8 / h < 0-7 / h. Damit weren ie Anforerungen für Performance Level e erfüllt. Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 3 von release

14 Nachweis es Performance Levels e gemäß EN ISO Datei: PLe_mit_Schuetz_V.2 4 Hinweise für en Anwener Das vorliegene Dokument beschreibt zwei beispielhafte Konstellationen mit SINAMICS S20 Antriebskomponenten un en Nachweis es Performance Levels. Es kann als Anleitung verwenet weren, um für konkrete Applikationen en Performance Level zu bestimmen. Hierbei sin ie Parameter er Applikation zu berücksichtigen, z. B. ie jeweiligen PFH-Werte er verweneten SINAMICS S20- un SIMATIC-Komponenten, B0-Wert er verweneten Schütze un ie Anzahl er Schaltzyklen, ie ergriffenen Maßnahmen gegen Fehler gemeinsamer Ursache. Copyright Siemens AG All rights reserve Seite 4 von release