Qualifikation mechanischer Teilsysteme

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Cornelia Giese
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1 Qualifikation mechanischer Teilsysteme Dr. Thomas Karte / E99 Tel: tkarte@samson.de SAMSON AG/E99/Ka/091119

2 Kurzbiographie Dr. Thomas Karte Studium der Physik in Heidelberg Seit 1985 im Umfeld der Geräteentwicklung für die Prozessindustrie (Degussa, Sensycon, Hartmann&Braun, Elsag Bailey, ABB) Seit 2003 bei SAMSON AG Frankfurt, Anwendungstechnik für elektropneumatische Anbaugeräte Mitarbeit in den VDI-GMA Fachausschüssen 6.13 Funktionale Sicherheit, 6.23 Asset Management und 4.14 Stellgeräte für strömende Stoffe mit, sowie im DKE GK SAMSON AG, E99, Weismüllerstr. 3, Frankfurt SAMSON AG/E99/ka

3 SAMSON AG/E99/ka

4 Gliederung Unterschiede Mechanik - Elektronik VDI 2180 und NE 130 Stellungnahme zu ausgewählten Begriffen Zusammenfassung SAMSON AG/E99/ka

5 Sicherheitskreis: Das Absperrorgan SAMSON AG/E99/ka

6 Mechanisches Absperrelement Armatur, Antrieb, Magnetventil Mechanischer Aufbau, Verrohrung, Verkabelung Sicherheitstechnische Annahme: Armatur schliesst SAMSON AG/E99/ka

7 Unterschiede Elektronik - Mechanik Kleine Bauteile Vielzahl von Bauteilen Mikroskopische Dimensionen Elektronenverhalten Ausfallrate als Teil der Zuverlässigkeitsbetrachtung Performance der Konstruktion messbar Technologie Grosse Bauteile Stückliste überschaubar Spezifikation abprüfbar Alterungs- und Verschleissmechanismen bekannt (systematischer Natur) Performance der Konstruktion messbar Einsatzbedingungen Einsatz im Wartenraum Einsatz im Feld Abschirmen von Umgebungseinflüssen EMV Explosionsschutz Einsatz im Feld Umgebungseinflüsse Medienberührung Spezielle Auslegung für den Einsatzfall Einsatzbedingungen bedingt abprüfbar Einsatzbedingungen abprüfbar SAMSON AG/E99/ka

8 Unterschiede Elektronik - Mechanik Alterungsmechanismen Untersuchungen - Diagnose Diffusionsprozesse Elektrochemische Elemente Wahrscheinlichkeit unerkannter Defekte mit Frühausfällen? Beschleunigte Alterung möglich Analogieschlüsse über verschiedene Anwendungen Diffusionsprozesse spielen keine Rolle Angriff durch Umgebung - Korrosion Angriff durch Prozess systematische Einflüsse (vorhersagbar?) Beschleunigte Alterung Verschleiss - darstellbar Prozess / Umgebung bedingt darstellbar Können Alterungsmechanismen im Entwicklungsprozess dargestellt werden? Können Alterungsmechanismen im Einsatz erkannt werden? SAMSON AG/E99/ka

9 Unterschiede Mechanik - Elektronik Technische Massnahmen für zuverlässige Systeme Überdimensionierung - Mechanik Analyse der systematischen Fehler (Bsp: Korrosion, Abrasion) Designanalyse: Mechanik abdeckend / Software schwierig / Elektronik Stresstest: Mechanik abdeckend / Software schwierig Diagnose: / Labor- Werkstattbefundung / Mechanik 100%, langsam Diagnose: / Online im Feld /Mechanik langsam, Elektronik schnell Norm schreibt Vielzahl von Einzelmassnahmen vor für Elektronik / Software vor / macht wenig Aussagen über Mechanik aber Anwendungsspezifische Normen SAMSON AG/E99/ka

10 B 10 Wert am Beispiel Mensch "Badewannenkurve" des Menschen (Deutschland) 0,07 0,06 Mechaniker: MTBF = 75,6 years λ 1, p.a. Ausfallrate [1 / Jahr] 0,05 0,04 0,03 0,02 Äquivalente konst. Ausfallrate: B 10 = 57,1 years λ 10 1, p.a. Elektroniker: λ 7, p.a. MTBF = 1300 years Männer Frauen 0,01 0, Statistisches Bundesamt, Wiesbaden, 2004 Lebensalter [Jahre] SAMSON AG/E99/ka

11 Elektronik vs. Mechanik Mechaniker und Elektroniker fokussieren auf unterschiedliche Parameter der Badewannenkurve Failure Rate versus Room Temperature 1,60E-04 Failure Rate [1/h] 1,40E-04 1,20E-04 1,00E-04 8,00E-05 6,00E-05 4,00E-05 2,00E-05 Elektronik Mechanik 0,00E Time [years] SAMSON AG/E99/ka

12 Grundforderungen der Norm Maßnahmen gegen systematische Fehler gemäß IEC entwickelte Geräte / Systeme (ohne Betriebsbewährung) Einsatz betriebsbewährter Geräte SSPS Feldgeräte Maßnahmen gegen zufällige Fehler Sicherstellen PFD oder SIF gemäß SIL Randbedingungen, Standardwerte für λ DU, β, DC festlegen Typicals Einzelberechnung Maßnahmen zur Fehlertoleranz Redundanz in Abhängigkeit vom SIL, automatische Diagnose, Betriebsbewährung einkanalig zweikanalig Quelle: Hablawetz, Matalla, Adam atp SAMSON AG/E99/ka

13 VDI Aufbau Anwendungsbereich Grundlegende Betrachtungen Empfehlungen für den Bereich Sensorik Empfehlungen für den Bereich Aktorik Empfehlungen für den Bereich Logiksystem Bestandsschutz Betriebsbewährung SAMSON AG/E99/ka

14 VDI Grundlegende Betrachtungen Grundforderung Massnahmen gegen systematische Fehler Massnahmen gegen zufällige Fehler Massnahmen zur Fehlerbeherrschung Im Einzelfall kann auch eine der folgenden Vorgehensweisen angewendet werden Baumusterprüfung des Gerätes für den Einsatzfall entsprechend der jeweiligen Norm Einzelprüfung für spezifische Anwendungsfälle durch unabhängige Organisationen Systematische Fehler durch Das Gerät selbst Durch Einbau in eine bestimmte Anlage Fehlertoleranz: Höheres Risiko => mehrkanalig Kontinuierliche Dokumentation und Fehleranalyse Sicherheitsmanagement Qualifikation der Mitarbeiter SAMSON AG/E99/ka

15 VDI 2180 Hinweise für den Bereich Aktorik Allgemeine Aussagen Medienberührung Systematische Fehler dominant Hinweise zur Vermeidung systematischer Fehler Hinweise zum Sicherheitslebenszyklus Auslegung Montage und Inbetriebnahme Betrieb und Wartung Wiederholungsprüfung SAMSON AG/E99/ka

16 Systematische Fehler ausschliessen Maßnahmen gegen systematische Fehler Maßnahmen gegen zufällige Fehler Maßnahmen zur Fehlertoleranz SAMSON AG/E99/ka Sicherheits- Lebenszyklus Spezifikation Planung & Implementierung Installation & Inbetriebnahme Betrieb & Wartung Änderung nach Inbetriebnahme Hersteller Entwicklung gemäss IEC FMEDA QS Statistik Betriebsbewährung => Herstellererklärung Anwender FMEDA unter Berücksichtigung der Prozesseigenschaften Werksfreigabe Betriebsbewährung Einsatz =>

17 Betriebsbewährung Gültiger Weg zum Nachweis der Einsetzbarkeit für sicherheitsgerichtete Anwendungen Norm gibt Kredit, nur betriebsbewährte Geräte können bis SIL 2 einkanalig eingesetzt werden NE 130 detailliert Vorgehen zur Erlangung der Betriebsbewährung Kann von Anwender und Hersteller ausgesprochen werden SAMSON AG/E99/ka

18 NAMUR-Konzept Betriebsbewährung Hersteller Anwender NE95 Sicherheit 10 Geräte 1 Jahr gemäß IEC NE95 Sicherheit 10 Geräte ½ Jahr NE93 Geräteentwicklung Herstellung Prüflabor Betriebserprobung in versch. Firmen Firmenneutrale Betriebserfahrung SIL- Eignung Applikations- Eignung (vorläufige BW) Betriebs- bewährung NE93 Betriebsbewährte Geräte auf Basis einer NAMUR-Empfehlung Folie mit der freundlichen Genehmigung von H. Matalla, BASF AG SAMSON AG/E99/ka

19 Lebensdauer Nach IEC 8 12 Jahre sinnvoll??? SAMSON AG/E99/ka

20 Verwendung von Datenbanken Zielt auf zufällige Fehler Verwendung von Datenbanken Für Komponenten Für gesamte Geräte Generische Daten sinnvoll??? SAMSON AG/E99/ka

21 Alles gemacht woher kommen die Zahlen NE 130: Mindestannahmen aus Betriebsbewährung QS Statistik FMEDA Aus Datenbanken für beliebige Zwecke??? Generische Daten??? SAMSON AG/E99/ka

22 SFF für mechanische Systeme Aus FMEDA Ausfallart der Fehler Fehlererkennung durch Diagnose An Mechanik Diagnose durch Fremdgeräte (Stellungsregler am Kugelhahn) Unterschiedliches Zeitverhalten für Mechanik und Elektronik SAMSON AG/E99/ka

23 Einsatz im Feld Geregeltes Verfahren zur Auslegung durch qualifiziertes Personal Sicherheitshandbuch Hinweise zum bestimmungsgemässen Gebrauch Inspektions- und Wartungsplan Einsatz befähigter Personen Verhalten bei Änderungen Betriebsbewährung / Praxistest SAMSON AG/E99/ka

24 Online Diagnose Partial Stroke Testing Setpoint and actual position Indication of Actuator pressure Gemessene Parameter Exakte Ventilposition Weg-Zeit Diagramm Indikator für Antriebsdruck Totzeit Laufzeit Ventilbewegung gleichförmig Losbrechmoment Erforderliches Antriebsmoment zur Erreichung des Sollwertes Erweiterte Diagnosemöglichkeit Ventil in Offenposition regeln Vollständige Stellungsreglerdiagnose anwendbar Betriebsstunden Prozessparameter Temperatur, Temperaturgrenzwertüberwachung Hubzähler SAMSON AG/E99/ka

25 Weiterführende Diagnosemöglichkeiten Erhöhte Prüftiefe des Schliessvorganges Dokumentation der erzielten Ergebnisse Für wiederkehrende Prüfunge Dokumentation bei ungewolltem Abfahren der Anlage SAMSON AG/E99/ka

26 Stand der Technik elektronischer Grenzlagenschalter Integrierter Anbau Interne Diagnose Intern analoge Sensorik Robuster, gekapselter Anbau Entwicklungsbegleitung durch externe, fachkundige Stelle SAMSON AG/E99/ka

27 Zwei Beispiele Wieviel mechanische Lenkstangen brechen pro Jahr Signifikante Zahl bezogen auf SIL 2, Tproof = 1 Jahr deskriptive oder inferenzielle Statistik Erfindung des Personenaufzugs H. Otis Technische Massnahme für sichere Fehler SAMSON AG/E99/ka

28 Fazit Mechanik Beherrschung systematischer Fehler Elektronik Fehlerausfallrate zusätzlich sinnvoll Zertifikate kritisch befragen Safety Lifecycle Implementierung bei Hersteller und Anwender spezifische Eignung für den Prozess feststellen Betriebsbewährung SAMSON AG/E99/ka

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