Sicherheitsanforderungen an Anlagen und die Verantwortung vom Konstrukteur Autor: Rainer Pölzl

Transkript

1 Sicherheitsanforderungen an Anlagen und die Verantwortung vom Konstrukteur Autor: Rainer Pölzl

2 Aufgabe des Konstrukteurs Quelle: Mensch und Automation von der Fa. PILZ LCA Automation AG 2

3 CE-Kennzeichnung Um den freien Verkehr von Waren und Dienstleistungen in der EU zu ermöglichen, existieren in den EU Richtlinien, die grundlegenden Anforderungen zum Schutz von Sicherheit, Gesundheit und Umwelt. Die Richtlinien enthalten keine technischen Details. Diese werden in den Normen festgehalten. Der Hersteller hat zu gewährleisten, dass sein Produkt den geltenden Anforderungen entspricht, indem er eine Konformitätsbewertung des Produkts vornimmt oder vornehmen lässt. Entspricht das Produkt den wesentlichen Anforderungen, bringt der Hersteller die CE- Kennzeichnung an und erstellt eine Konformitätserklärung. Es liegt in der Verantwortung des Produzenten, sicher zu stellen, dass sein Produkt alle Anforderungen sämtlicher Richtlinien erfüllt, die für seinen Artikel massgebend sind. Dem Produkt müssen die Gebrauchsanleitung und die Sicherheitsinformationen in einer leicht verständlichen Sprache (Landessprache) beigefügt sein. Importeure und Händler haben sich zu vergewissern, dass der Hersteller seinen Pflichten nachgekommen ist, müssen also überprüfen, dass das Produkt die Konformitätskennzeichnung trägt und die erforderlichen Unterlagen vorliegen LCA Automation AG 3

4 CE-Kennzeichnung Braucht es eine CE-Kennzeichnung in der Schweiz? Die CE-Kennzeichnung wird in der Schweiz nicht verlangt. Allerdings dürfen Produkte ohne weiteres die CE-Kennzeichnung in der Schweiz tragen. Die CE-Kennzeichnung wird verlangt, wenn ein Produkt, das unter den Geltungsbereich einer oder mehrerer EG-Richtlinien fällt, welche die Anbringung der CE-Kennzeichnung vorschreiben, im EWR in Verkehr gebracht, d.h. beispielsweise von der Schweiz aus dorthin exportiert wird Seit dem sind Hersteller verpflichtet, an ihren Maschinen das Konformitätsbewertungsverfahren durchzuführen. Durch die Anbringung des CE- Zeichens bestätigt der Hersteller, dass die Maschinen oder Anlagen alle erforderlichen Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG erfüllen. Alle Maschinen, die aus Nicht-EU-Ländern importiert werden, unabhängig des Baujahrs, benötigen eine CE-Kennzeichnung. Werden bereits CE-zertifizierte Einzelmaschinen zu einer Gesamtheit von Maschinen zusammengefügt (Anlage), muss das Konformitätsbewertungsverfahren einschliesslich der CE-Kennzeichnung für die gesamte Anlage durchgeführt werden. Kennzeichnung LCA Automation AG 4

5 Was sind Normen Die Normen werden meistens Regeln der Technik bezeichnet. Normen fördern die Rationalisierung, ermöglichen die Qualitätssicherung, dienen der Sicherheit am Arbeitsplatz und in der Freizeit, vereinheitlichen Prüfmethoden etwa im Umweltschutz und erleichtern generell die Verständigung in Wirtschaft, Technik, Wissenschaft, Verwaltung und Öffentlichkeit. Normen fördern den freien Waren- und Dienstleistungsverkehr. In der Europäischen Union (EU) und im Europäischen Wirtschaftsraum (EWR) erleichtert die Anwendung harmonisierter Normen den Nachweis der Konformität mit den grundlegenden Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen (CE-Kennzeichnung) für eine grosse Zahl von Industrieprodukten. Normen werden nicht vom Staat erlassen, sondern genau von jenen gemacht, die sie benötigen: Wirtschaft, Konsumenten, Verwaltung, Wissenschaft. Es gibt Schweizer Normen (SN), Europäische Normen (EN), Internationale Normen (ISO und IEC) und so genannte Werksnormen. Technologie Meeting

6 Welche Pflichten hat der Hersteller von Maschinen? Maschinen sicher gestalten Die Hersteller sind verpflichtet, ihre Maschinen so zu bauen, dass die grundlegenden Anforderungen der Maschinenrichtlinie hinsichtlich Sicherheit und Gesundheitsschutz eingehalten werden. Die Hersteller müssen die Integration der Sicherheit bereits während des Konstruktionsprozesses berücksichtigen. In der Praxis bedeutet dies, dass der Konstrukteur schon in der Entwicklungsphase der Maschine eine Risikobeurteilung durchführen muss. Die daraus entwickelten Massnahmen können direkt in die Konstruktion einfliessen. Betriebsanleitung erstellen Der Maschinenhersteller muss eine Betriebsanleitung erstellen, die so genannte Originalbetriebsanleitung. Mit jeder Maschine muss eine Betriebsanleitung in der Amtssprache des Verwendungslandes mitgeliefert werden. Diese mitgelieferte Betriebsanleitung muss entweder die Originalbetriebsanleitung sein oder eine Übersetzung der Originalbetriebsanleitung. Im letzteren Fall ist zusätzlich die Originalbetriebsanleitung zu liefern. Originalbetriebsanleitungen sind unabhängig von der Sprache alle Betriebsanleitungen, die der Maschinenhersteller publiziert LCA Automation AG 6

7 Welche Pflichten hat der Hersteller von Maschinen? Technische Dokumentation erstellen Der Maschinenhersteller muss eine technische Dokumentation gemäss Anhang VII der Maschinenrichtlinie erstellen. Diese technische Dokumentation sollte alle Pläne, Berechnungen, Prüfprotokolle und Dokumente beinhalten, die für die Einhaltung der grundlegenden Anforderungen der Maschinenrichtlinie hinsichtlich Sicherheitsund Gesundheitsschutz relevant sind. muss mindestens zehn Jahre nach dem letzten Tag der Herstellung der Maschine (oder des Maschinentyps) aufbewahrt werden. muss auf berechtigtes Verlangen den Behörden vorgelegt werden. Notiz: Aus der Maschinenrichtlinie kann keine Verpflichtung des Herstellers hergeleitet werden, die vollständige technische Dokumentation an den Käufer (Anwender) der Maschine zu liefern LCA Automation AG 7

8 Welche Pflichten hat der Hersteller von Maschinen? Ausstellen der Konformitätserklärung Wenn der Maschinenhersteller seine Maschine gebaut hat, muss er durch die Ausstellung einer Konformitätserklärung und die Kennzeichnung der Maschine (CE-Kennzeichen) die Einhaltung dieser Vorgaben rechtsverbindlich bestätigen. Dann erst darf die Maschine im europäischen Wirtschaftsraum in Verkehr gebracht werden. Standardverfahren: Maschinen, die nicht explizit in Anhang IV der Maschinenrichtlinie gelistet sind, unterliegen dem Standardverfahren. Die im Abschnitt Grundsätzliche Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen in Anhang I beschriebenen Anforderungen müssen erfüllt werden. Danach bringt der Hersteller in Eigenverantwortung das CE-Zeichen an, ohne Einschalten einer Prüfstelle oder Behörde ( Eigenzertifizierung ). Er muss aber vorher die technische Dokumentation der Maschine zusammenstellen, um diese den nationalen Behörden auf Verlangen vorlegen zu können LCA Automation AG 8

9 Wie kommen wir ans Ziel LCA Automation AG 9

11 Wie kommen wir ans Ziel Der Prozess der Risikominderung erfolgt für die Gefährdung: 1. Durch eine eigensichere Konstruktion 2. Durch Schutzeinrichtungen 3. Durch Benutzerinformation (siehe EN ISO :2003, Bild4) LCA Automation AG 11

14 Wie kommen wir ans Ziel Begrenzung der Kräfte und Geschwindigkeiten Nur für wenige Fälle gibt es Grenzwerte für Kräfte oder Geschwindigkeiten bewegter Maschinenteile, weil auf Grund der Vielzahl von Einflussgrössen und Bedingungen eine Verallgemeinerung schwierig ist. So wird an kraftbetätigten Türen und Toren eine maximale Schliesskraft (Klemmkraft) von 150 N empfohlen. Trennende Schutzeinrichtungen werden in der Regel für nicht erforderlich gehalten, wenn die maximale Kraft bewegter Maschinenteile 150N und der Kontaktdruck <50 N/cm² betragen (zum Beispiel DIN EN12203). Für bewegte Teile in automatisierten Fertigungssystemen gibt DIN EN ISO Beispiele für eine "sicher" reduzierte Geschwindigkeit bei gefahrbringenden Bewegungen z. B. von weniger als 10 mm/s bei Pressen, weniger als 250 mm/s bei Robotern, weniger als 250 mm/s bei allen Nicht Scherenden Bewegungen und weniger als 33 mm/s bei Gefährdungen durch LCA Automation AG 14

15 Wie kommen wir ans Ziel Oberflächengestaltung Für die Gestaltung von Ecken/Spitzen, Kanten/Schneiden, Rauigkeit an bewegten Maschinenteilen gibt es keine allgemeingültigen Grenzwerte. Es existieren Richtwerte für spezielle Fälle (zum Beispiel sind Fangstellen durch Wellenenden vermeidbar, wenn diese nicht mehr als das 0,25-fache ihres Durchmessers vorstehen oder glatt rundlaufend und <50 mm breit sind). Engstellen Gefährliche Engstellen, meist in Form von Quetschstellen, liegen nach DIN EN 349 dann vor, wenn bezogen auf bestimmte Körperteile, folgende Masse zwischen zwei bewegten Teilen oder zwischen einem bewegten und feststehenden Teil unterschritten werden: LCA Automation AG 15

16 Wie kommen wir ans Ziel Abbildung: Gefährliche Engstellen nach DIN EN 349. Zur Vermeidung von Quetschstellen der unteren Extremitäten (Zehen, Fuss, Bein) ist DIN EN ISO "Sicherheit von Maschinen Sicherheitsabstände gegen das Erreichen von Gefährdungsbereichen mit den oberen und unteren Gliedmassen" zu beachten LCA Automation AG 16

17 Wie kommen wir ans Ziel Sicherheitsabstände Der Sicherheitsabstand ist der Mindestabstand zwischen Mensch und Gefahrstelle, bei dem die Gefahrstelle nicht mehr erreichbar ist. In Abhängigkeit von Lage der Gefahrstelle, Anordnung und Gestalt des Hindernisses (geschlossen oder mit Öffnungen durchbrochen) sowie der auf das Hindernis bezogenen Bewegung des Menschen oder seiner Körperteile werden in DIN EN ISO "Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsabstände gegen das Erreichen von Gefährdungsbereichen mit den oberen und unteren Gliedmassen" folgende Sicherheitsabstände angegeben: vertikale Sicherheitsabstände beim Hinaufreichen (bei geringem und hohem Risiko), horizontale Sicherheitsabstände beim Hinüberreichen über Hindernisse (bei geringem und hohem Risiko - siehe Tabelle 1.1-1), Sicherheitsabstände beim Herumreichen (für Personen ab 14 Jahre), Sicherheitsabstände beim Hindurchreichen durch Öffnungen (für Personen ab 3 Jahre und ab 14 Jahre) LCA Automation AG 17

18 Wie kommen wir ans Ziel INFO: Schutztüren haben den Vorteil, dass sie ein unbeabsichtigtes Eingreifen in den Gefahrenbereich verhindern und Schutz vor herausfliegenden Teilen bieten. Lichtvorhänge sind praktisch, schützen aber nicht vor unbeabsichtigtem Eingreifen und möglichen herausfliegenden Teilen. Wichtig bei beiden Varianten: Ein hintertreten wenn möglich vermeiden, ansonsten sind Zusatzmassnahmen erforderlich LCA Automation AG 18

19 Wie kommen wir ans Ziel Positionieren bzw. Dimensionieren der Schutzeinrichtungen Ein wesentlicher Aspekt bei der Auswahl der optimalen Schutzeinrichtung ist der verfügbare Platz. Es muss sicher gestellt sein, dass noch rechtzeitig vor Erreichen der Gefahrstelle der Gefahr bringende Zustand aufgehoben ist. Der notwendige Mindestabstand ist unter anderem auch von Grösse und Ausprägung der Schutzeinrichtung abhängig LCA Automation AG 19

20 Wie kommen wir ans Ziel Sicherheitsabstände berechnen Sicherheitsabstände für nicht trennende Schutzeinrichtungen (zum Beispiel mit Annäherungsreaktion) können wie folgt berechnet werden: S = (K x T) + C S = Mindestsicherheitsabstand (Abstand zwischen Auslöser der Schutzeinrichtung und Gefahrbereich) K = Annäherungsgeschwindigkeit in Millimeter pro Sekunde T = gesamte Ansprechzeit / Nachlaufzeit des gesamten Systems in Sekunden C = zusätzlicher Sicherheitsabstand in Millimeter Annäherungsgeschwindigkeit Als Annäherungsgeschwindigkeit kann angenommen werden: für Teilkörperbewegungen (Hand-, Arm-, Fuss-, Beinbewegung): 2,0m/s für Ganzkörperbewegungen: 1,6 m/s Der zusätzliche Sicherheitsabstand C hängt von der Annäherungsrichtung, Zugangsmöglichkeit zum Gefahrbereich, Typ der Schutzeinrichtung (Objekterkennung) ab (DIN EN 13855) LCA Automation AG 20

22 Wie kommen wir ans Ziel PL Performance Level LCA Automation AG 22

23 Wie kommen wir ans Ziel Was ist noch zu tun? LCA Automation AG 23

24 Validieren / Verifizieren der Massnahmen Validieren und Verifizieren von Steuerungen/Massnahmen Ist das was funktioniert auch sicher genug? Haben Sie wirklich das gebaut, was Sie bauen sollten / wollten? Validierung (von lat. validus: stark, wirksam, gesund) Quelle: Wikipedia Ist die Prüfung einer These, eines Plans oder Lösungsansatzes in Bezug auf das zu lösende Problem, ist eine Bestätigung durch Bereitstellung eines objektiven Nachweises, dass die Anforderungen für einen spezifischen beabsichtigten Gebrauch oder eine spezifische beabsichtigte Anwendung erfüllt worden sind LCA Automation AG 24

25 Validieren / Verifizieren der Massnahmen LCA Automation AG 25

26 Übersicht über das Validierungsverfahren LCA Automation AG 26

30 EN ISO Validierung Grundsätzlicher Aufbau der Anhänge Liste der grundlegenden Sicherheitsprinzipien Liste der bewährten Sicherheitsprinzipien Liste der bewährten Bauteile Fehlerlisten und Fehlerausschlüsse LCA Automation AG 30

31 Validieren / Verifizieren der Elektrik Validierung elektrischer Systeme : Auszug aus EN ISO Anhang D 2 Grundlegendes Sicherheitsprinzip Bemerkung Richtige Schutzleiterverbindung Eine Seite des Steuerstromkreises ist mit SL zu verbinden Verträglichkeit Prinzip der Energietrennung Bauteile verwenden, die für die angewendeten Spannungen und g Ströme geeignet sind Sicherer Zustand wird durch Abtrennen von der Energiequelle erreicht LCA Automation AG 31

32 Validieren / Verifizieren der Elektrik Validierung elektrischer Systeme : Auszug aus EN ISO Anhang D 3 Grundlegendes Sicherheitsprinzip Bemerkung Mechanisch verbundene Kontakte Anwendung z.b. für Überwachungsfunktionen Zwangläufiger Betätigungsmodus Fehlervermeidung in Kabeln Direkte Aktion wird durch Formschluss ohne elastische Elemente übertragen, keine Anwendung von Federn zwischen Stellglied und Kontakten Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen zwei benachbarten Leitungen Abschirmung mit Verbindung zu SL an jeder einzelnen Leitung SL zwischen allen Signalleitungen in Flachkabeln LCA Automation AG 32

33 Validieren / Verifizieren der Elektrik Validierung elektrischer Systeme : Auszug aus EN ISO Anhang D 4 Bewährtes Bauteil Bedingung für bewährt Schalter mit zwangläufigem Betätigungsmodus (direktöffnend) z.b. Tastschalter Positionsschalter Tastschalter, Positionsschalter, nockenbetätigter Wahlschalter (z.b. für Betriebsartenwahl) Kabel Norm: EN Die Verkabelung ausserhalb umschlossener Einbauräume sollte gegen mechanische Beschädigung (einschliesslich z.b. Schwingung o der Biegung) geschützt werden LCA Automation AG 33

34 Validieren / Verifizieren der Elektrik Validierung elektrischer Systeme : Auszug aus EN ISO Anhang D 4 Bewährtes Bauteil Bedingung für bewährt Hilfsschütz (z.b. Relais) Nur bewährt, wenn: andere Einflüsse berücksichtigt sind z.b. Schwingungen und zwangsläufig erregte Funktion vorliegt und Ausfall durch geeignete Verfahren vermieden ist z B Überdimensionierung und Strom in Kontakten durch Sicherungen oder Schutzschalter begrenzt ist, um ein Verschweissen der Kontakte zu vermeiden und Kontakte zwangsgeführt sind, wenn sie für Überwachungen angewendet werden LCA Automation AG 34

35 Validieren / Verifizieren der Elektrik D.9 Elektromechanischer Positionsschalter Fehlerannahme Fehlerausschuss Bemerkung Nichtschliessen von Kontakten NEIN Nichtöffnen von Kontakten Kontakte nach IEC Anhang K öffnen sich Kurzschluss von benachbarten Kontakten, die von einander isoliert sind Kurzschlüsse für Schalter nach IEC ) Leitfähige Teile, die sich lösen, sollten die Isolation zwischen Kontakten nicht überbrücken können Gleichzeitiger Kurzschluss Zwischen den 3 Klemmen von Wechselkontakten Gleichzeitige Kurzschlüsse für Schalter nach IEC LCA Automation AG 35

36 Validieren / Verifizieren der Elektrik D.9 Elektromechanische Einrichtungen ( z.b. Relais, Schütze) Fehlerannahme Alle Kontakte bleiben unter Spannung, wenn die Spule abgeschaltet ist (z.b. mechanischer Fehler) Alle Kontakte bleiben abgeschaltet, wenn die Energie ansteht (z.b. mechanischer Fehler, Un terbrechung der Spule) Nichtöffnen / Nichtschliessen von Kontakten Fehlerausschuss NEIN NEIN NEIN Bemerkung Gleichzeitiger Kurzschluss zwischen zwei Kont akten untereinander und/oder zwischen Kont akt und Wicklung JA, wenn 1) und 2) zutreffen 1) Kriech und Luftstrecken entsprechen IEC Verschmutzungsgrad 2 / Einsatzklasse III LCA Automation AG 36

37 Validieren / Verifizieren der Elektrik D.9 Elektromechanische Einrichtungen ( z.b. Relais, Schütze) Fehlerannahme Gleichzeitiger Kurzschluss zwischen den 3 Kle mmen eines Wechselkontaktes Fehlerausschuss JA, wenn 1) und 2) zutreffen Bemerkung 2) Leitfähige Teile, die sich lösen, können die Isolation zwischen den Kontakten und der Spule nicht überbrücken Gleichzeitiges Geschlossensein von NO und NC Kontakten Ja, wenn 3) zutrifft 3) Verwendung zwangsläufig betätigter Kontakte LCA Automation AG 37

38 Validieren / Verifizieren der Elektrik LCA Automation AG 38

39 Validieren / Verifizieren der Elektrik Grafik eines Säulen-Diagramms oder des Anhangs K von EN ISO : LCA Automation AG 39

40 Validierung der Kategorien und des Performance Levels LCA Automation AG 40

41 Struktur: Kategorie LCA Automation AG 41

42 Validierung der Kategorien und des Performance Levels Kategorie 3 Anforderungen der Kategorie B sind erfüllt; Bewährte Sicherheitsprinzipien (wenn anwendbar) ein Einzelfehler führt nicht zum Verlust der Sicherheitsfunktion Einzelfehler werden erkannt MTTF d jedes Kanals beträgt mindestens 3 Jahre Überprüfung der technischen Dokumentation der verwendeten Bauteile bzgl. der Einsatzbedingungen der technischen Dokumentation (Schaltungsunterlagen) Theoretisch und praktisch z.b. durch Fehlermode Effekt Analyse FMEA Theoretisch und praktisch z.b. durch Fehlermode Effekt Analyse FMEA Siehe Überprüfung von MTTF d Achtung: in Abhängigkeit vom PL kann höherer Wert erforderlich sein DC avg beträgt mindestens 60 % CCF beträgt mindestens 65 Punkte Siehe Überprüfung von DC DC Achtung: in Abhängigkeit vom PL kann höherer Wert erforderlich sein Siehe Überprüfung CCF LCA Automation AG 42

43 Analyse und Validierungswerkzeug LCA Automation AG 43

44 FMEA : Fehler Mode Effekt Analyse Verfahren zur Ermittlung der Art und Weise, in der Komponenten und Systeme ausfallen können und nicht mehr die Sollfunktion erbringen (gem. E DIN IEC ) Ausfallarten Auswirkungen der Ausfälle Ausfallursachen Vermeidung oder Verminderung der Ausfälle LCA Automation AG 44

45 FMEA : Anwendung WANN: In der Entwicklung, Fertigung oder Betriebsphase WOZU: Auswahl von Entwurfsalternativen Berücksichtigung aller Ausfallarten und deren Auswirkungen Grundlage für die Prüfplanung und Instandhaltung Grundlagen für Zuverlässigkeitsanalysen LCA Automation AG 45

46 FMEA: prinzipielle Vorgehensweise 1. System verstehen 2 System in Komponenten aufteilen 3. Analyse jeder Komponente Wie kann das Teil ausfallen? Wodurch kann das Teil ausfallen? Was sind die Folgen des Ausfalls? Geht der Ausfall in die sichere oder unsichere Richtung? Wird der Ausfall erkannt? Wodurch kann der Ausfall vermieden werden? LCA Automation AG 46

47 Erneut Validierung Validierung der sicherheitsbezogenen Teile der Hardware und Softwarefunktionen Hardware- und Softwarefunktionen 1. Beschreibung der Sicherheitsmechanismen 2. Festlegung der Fehlerreaktionen 3. Hardware FMEA 3. Hardware FMEA Theoretisch Praktisch 4. Software FMEA Theoretisch Praktisch LCA Automation AG 47

48 FMEA LCA Automation AG 48

51 Zusammenfassung Von Anfang an in der Projektierungsphase die Sicherheit mit einbeziehen Mechanische Sicherheitsvorkehrungen haben Vorrang, ist dies nicht machbar, kommen die elektrotechnischen Massnahmen zum Einsatz, ergänzt durch dokumentarische Massnahmen. Die Dokumentation von beginn an mit berücksichtigen. Gedankengänge nicht für sich behalten, sondern aufschreiben (beschreiben), so lange alles noch frisch und aktuell ist! LCA Automation AG 51

52 Ende Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit. Sicherheitsanforderungen an Anlagen und die Verantwortung vom Konstrukteur 52