Anwendung der EN ISO auf elektropneumatische Steuerungen

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1 Anwendung der EN ISO auf elektropneumatische Steuerungen Sichere Steuerungstechnik Anwendung der EN ISO Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen auf elektropneumatische ti Steuerungen Beispiel: Sicheres Anhalten eines schwerkraftbelasteten Zylinders Joachim Bischof Leiter Product Compliance Festo AG & Co. KG

2 Hinweis bzgl. Der Nutzung angegebener Schaltungsbeispiele Anmerkung: Die auf den folgenden Seiten angegebenen Schaltungsbeispiele dienen ausschließlich der Verdeutlichung der Vorgehensweise zur Erarbeitung pneumatischersteuerungslösungen für sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen nach EN ISO Sie stellen keinesfalls vollständige Sicherheitslösungen dar. Die korrekte Verschaltung mit elektrischen Steuerungskomponenten und die richtige Ansteuerung sind Voraussetzung für einen sicheren Betrieb. Neben den Sicherheitskennwerten für die verwendeten Steuerungskomponenten sind unbedingt die technischen Daten aus Katalog und Betriebsanleitung einzuhalten. Prüfen Sie in jedem Fall die Rechtslage und einschlägigen Normen, die auf Ihre speziellen Anwendungen anzuwenden sind. Diese unverbindlichen Schaltungs und Lösungsvorschläge entbindet den Empfänger nicht von seinen Pflichten/Verantwortlichkeiten hinsichtlich der Beachtung und Einhaltung der rechtlichen und sicherheitstechnischen Bestimmungen sowie der Funktionsprüfung. Die Auswahl und Überprüfung der Komponenten hinsichtlich Ihrer Eignung und die Validierung im Sinne der EN ISO muss vom Empfänger im Rahmen der Risikobeurteilung und im Rahmen der Erstellung der Technischen Dokumentation der Maschine vorgenommen werden. 2

3 Sicherheitstechnische Rahmenbedingungen Gesetze z.b. EU Maschinenrichtlinie Ziel: sichere Maschinen dconsulti ng Risikobeurteilung Risikoanalyse Risikobewertung Risikominderung Konstruktive Maßnahmen Technische Maßnahmen Benutzerinformationen Sicherheitsfunktion Input Logic Output standardisierter Prozess + Checkliste Risikominderung Festo Didactic: Training an Lö ösungen vo on Festo Bewertung: PL PLr SIL SILr Bewertung von technischen Schutzmaßnahmen Bewertung ob Risikominderung ausreichend ist

4 Inhaltsverzeichnis 1. Risiken sind schon bei der Planung einer Maschine zu betrachten 2. Risiken werden systematisch beurteilt und Schutzmaßnahmen definiert 3. Umsetzung der Schutzmaßnahmen durchsicherheitsfunktionen 4. Pneumatische Steuerung zur Umsetzung der Sicherheitsfunktion 5. Aus der Steuerung wird idein Blockschaltbild l erstellt. 6. Wichtige Kennwerte für Steuerungskomponenten müssen angefragt werden 7. Berechnung des Sicherheitsniveaus mit SISTEMA 4

5 Risiken sind schon bei der Planung einer Maschine zu betrachten

6 Beispielmaschine Beschreibung Modul 1: Material zuführen Modul 3: Schneiden Modul 5: Pltti Palettieren und verpacken Modul 2: Beschichten Modul 4: Formgebung

7 Risiken sind schon bei der Planung einer Maschine zu betrachten

8 Risiken sind schon bei der Planung einer Maschine zu betrachten Quetschen Einziehen Fangen Schneiden Erfassen aufwickeln Stoß Verbrennungen Einzugstelle Elektrische Gefährdung

9 Risiken sind schon bei der Planung einer Maschine zu betrachten Station Formgebung g

10 Risikobeurteilung Start Risikoanalys se Grenzen der Maschine bestimmen Gefährdungssituation ermitteln Risikoeinschätzung sikobewertu ung Ri Konstruktive Schutzmaßnahmen Maschine sicher? ih ja Technische Schutzmaßnahmen Maschine sicher? ja Instruktive Maßnahmen ausgeschöpft? nein nein nein Konstruktive Maßnahmen z.b. inherente Sicherheit h i Technische Schutzmaßnahmen Benutzerinformationen an der maschine und im Handbuch Risikom minderung ja Ende

11 Die EG Maschinenrichtlinie priorisiert anzuwendenden Schutzmaßnahmen Maschine/Anwendung Risikobeurteilung Risikobewertung PL r = d Konstr. Maßnahme Technische Maßnahme Instruktion PL r = d

12 Grenzen einer Maschine

13 Lebensphasen einer Maschine

14 Gefahren nach EN ISO

15 Risikoanalyse an Station Formgebung Quetschen 220d/a 16h/d T=2s

16 Risiken werden systematisch beurteilt und Schutzmaßnahmen definiert Risikobeurteilung >>> 16

17 Risiken werden systematisch beurteilt und Schutzmaßnahmen definiert Betriebsart: Einrichtbetrieb und Betrieb 1. Das Durchschreiten des Lichtvorhanges (nicht trennende Schutzeinrichtung) führt zum Anhalten einer eventuell eingeleiteten Bewegung des Formgebungzylinders. Im Einrichtbetrieb wird mit verminderter Geschwindigkeit v<10mm/s im Tippbetrieb gefahren. Die Schutzmaßnahme "sicher reduzierte Geschwindigkeit" wird durch Einschalten von manipulationsgeschützten Abluftdrosseln in die Versorgungsleitungen des Zylinders realisiert. Befehlseinrichtungen mit selbsttätiger Rückstellung (siehe EN :1991, ) in Verbindung mit langsamer Verfahrgeschwindigkeit ( 10 mm/s), ausschließlich für das Einrichten der Werkzeuge. 2. Im Folgenden wird beispielhaft die Schutzmaßnahme sicherer Halt behandelt. 17

18 Überblick technische Schutzmaßnahmen Input Logic Output Pneumatisch Elektrisch Not-Aus Begrenzte, sichere Reduzierung der SLS Geschwindigkeit Geschwindigkeit Zweihandbedienung reduzieren reduzieren Druck und Kraft Druck und Kraft Schutztür Verdrahtung Energie freischalten Entlüften STO Trittmatte Lichtgitter Sichere Bewegungs- g richtung Laserscanner Zustimmtaster Betriebsarten- wahlschalter h l Kamerasysteme sichere, pneumatische Logik Sicherheitsrelais Sicherheits-SPS Anhalten, blockieren der Bewegung Anhalten o. Energie Anhalten m. Energie Reversieren der Bewegung Anhalten, Halten, Blockieren Anhalten, Halten, Blockieren Schutz gegen unerwarteten Anlauf SDI SS1 SS2 SOS SLP

19 Festlegung der geforderten Architektur und Kategorie nach EN ISO Stopp aus der Bewegung Reduzierte Geschwindigkeit Schutz vor unerwartetem Anlauf Manipulationssicherheit

20 Pneumatische Steuerung zur Umsetzung der Sicherheitsfunktion Sicheres Anhalten und BlockierenKat.3 Kanal 1 : Kanal 2: V4 und Klemmpatrone V5 20

21 Aus der Steuerung wird ein Blockschaltbild erstellt. Sicheres Anhalten und BlockierenKat.3 Kanal 1 : Kanal 2: V4 und Klemmpatrone V5 B10d Werte: V4 20 Mio SP T=3.600 s 16h/d KP 0.1 Mio SP T=3.600 s 16h/d V5 20 Mio SP T=2s 16h/d RFID Türsensor I F PLC ET200S L V4 O KP Herstellerangaben: I PLe PFHd = 270E 2,70 10 I L V5 L Total PLe PFHd = 2,29 E 9 L Input PLe PFHd = 1,00 E 10 L Logik PLe PFHd = 100E 1,00 99 L Output PLe PFHd = 1,00 E 10 O 21

22 Software erleichtert die Berechnung des Sicherheitsniveaus von SRP/CS 1. Festo stellt SISTEMA Bibliotheken mit sicherheitstechnischen Kennwerten bereit Die SISTEMA Softwareist unter folgendem Link kostenlos als Download erhältlich: 2. Berechnung des Sicherheitsniveaus mit dem Siemens Safety Evaluation Tool evaluation tool evaluation tool 22

23 Wie wird der Diagnostic Coverage bei Pneumatik ermittelt? 23

24 Fehlerbetrachtung der Steuerung und Bestimmung der Diagnose Ventil Ausfälle Gefährlich Info Erkennbar Anhalten, Blockieren einer Bewegung Kat.3 V4 DC=90% Nicht umschalten x Ventil schaltet nicht 4 auf 5 (entlüften) Erkennbar durch Druckschalter am Steuereingang der Klemmpatrone Verzögert x Ventil schaltet Indirekt: Zeitüberwachung des Umschalten verzögert von 4 auf 5 Druckschaltersignals Leckage Selbständiges Umschalten x Zu große Leckage verhindert das Schalten der Klemmpatrone Ventil schaltet unerwartet 1 auf 4 Erkennbar durch Druckschalter am Steuereingang der Klemmpatrone 24

25 Fehlerbetrachtung der Steuerung und Bestimmung der Diagnose Ventil Ausfälle Gefährlich Info Erkennbar Anhalten, Blockieren einer Bewegung Kat.3 Klemmpatrone DC=90% Klemmt nicht trotz entlüftetem Steuereingang Leckage Selbständiges Umschalten x Klemmeinheit ist abgenutzt Zu große Leckage verhindert das Freischalten der Klemmpatrone Klemmpatrone schaltet selbsttätig frei Indirekt: Zeitüberwachung Zylinderschalter im Testintervall. Einhalten der Einsatzdauer von B10d Fehlerausschluss Es sind alle gefährlichen h Ausfälle für alle beteiligten Elemente im SRP/CS zu definieren und deren Diagnose zu bestimmen. 25

26 Fehlerbetrachtung der Steuerung und Bestimmung der Diagnose Ventil Ausfälle Gefährlich Info Erkennbar Anhalten einer Bewegung Kat.3 V5 Nicht sperren x DC=90% Testzyklus 1/Woche verzögert sperren x Indirekt : Zeitüberwachung der Zylinderschalter Leckage x Zu große Leckage Indirekt : Zeitüberwachung der verhindert das Halten des Antriebes. Zylinderschalter Selbständiges x Ventil schaltet Fehlerausschluss Öffnen selbstständig 26

27 Gefährliche Ausfälle können unterschiedlich diagnostiziert werden Plausibilitätsprüfung 27

28 Wichtige Kennwerte für Steuerungskomponenten müssen angefragt werden 1. Lebensdauerkennwert B10, B10d 2. Ausfallwahrscheinlichkeit PFH oder Ausfallrate λ oder MTTFd 3. Sicherheitsrelevante Konstruktionsmerkmale (z.b. Positive Überdeckung, Federrückstellung, Definierte Schaltstellung...) 4. Maximal erlaubte Prüfimpulslänge lä 5. Ausfallrichtungen 6. CCF Maßnahmen 7. Fehlerausschluss 28

29 B10 Lebensdauerkennwert statistisch ermittelt B10 [in Schaltzyklen] auch B10,50% 1. Anzahl von Zyklen, bis 10 % der Komponenten ausgefallen sind (für pneumatische und elektromechanische Komponenten. Vertrauensbereich 50% B10 T max B10d [in Schaltzyklen] 1. Anzahl von Zyklen, bis 10 % der Komponenten gefährlich ausgefallen sind (für pneumatische und elektromechanische Komponenten. B10, 95% [in Schaltzyklen] 1. Anzahl von Zyklen, bis 10 % der Komponenten gefährlich ausgefallen sind (für pneumatische und elektromechanische Komponenten 2. Vertrauensbereich einseitig 95% Lebensdauer [Schaltzyklen]

30 MTTF Mean Time to failure MTTF [in Jahren] mittlere Zeit bis zum Ausfall Ausfallwahrscheinlichkeit ist 63% Statistisch ermittelter Wert MTTF MTBF MTTFd max MTBF [in Jahren] mittlere Zeit zwischen zwei Ausfällenl Bei elektronischen Geräten/Komponenten MTTFd [in Jahren] mittlere Zeit bis zum gefahrbringenden Ausfall Ausfallwahrscheinlichkeit ist 63% Lebensdauer [in Jahren]

31 CCF Common Cause Failure Maßnahmen Ausfälle mit gemeinsamer Ursache 1. Was habe ich in Betracht zu ziehen, um Ausfälle gemeinsamer Ursache zu vermeiden 2. Was wirkt gleichermaßen auf alle Komponenten und Kanäle meiner SRP/CS 3. Beispiele: Arbeitsdruckes Steuerhilfsluftdruck Umgebungstemperatur temperature Vibration und Beschleunigung Luftqualität Druckversorgung pneumatsicher Federn I I Ausfall des SRP/CS durch gemeinsame Ursache L L O O Drive

32 CCF Common Cause Failure Beispiel 1. Testpulsevon SicherheitsSPS 2. Arbeitsdruck 3. Steuerhilfsluftdruck 32

33 Sicherheitsrelevante Eigenschaften von Ventilen in SRP/CS Konstruktionsbedingte Eigenschaften, welche bei der Ausfallanalyse von Sicherheitsbezogenen Teilen von Steuerungen (SRP/CS) in Betracht gezogen werden sollten. Beispiel 1. Schaltüberdeckung (pos. / neg / null) 2. Über welchen Anschluss wird die Druckversorgung der Luftfeder sichergestellt? 3. Was passiert, wenn die Luftfeder nicht versorgt wird? Positive Überdeckung negative Überdeckung

34 Maximale Dauer der Testimpulse 1. max. positiver Testimpuls bei 0 Signal am Ausgang g 2. max. negativer Testimpuls bei 1 Signal am Ausgang Safety SPS T H tih T L til Ventil L HIGH LOW O Zustand Ein Zustand Aus 34

35 Berechnung des Sicherheitsniveaus mit dem Safety Evaluation Tool 35

36 Berechnung des Sicherheitsniveaus mit SET Hierarchieebenen Projekt: Oberste Hierarchieebene im SET (Anlage bzw. Maschine) Bereich: Teilbereich der Anlage / Maschine Sicherheitsfunktion: Nächst höhere Hierarchieebene (muss mit PLr versehen werden) Sicherheitsfunktion wird durch ein oder mehrere Subsysteme umgesetzt. Sicherer Halt Subsystem: Subsysteme entsprechen den eigentlichen SRP/CS. Falls die eingebundenen Subsysteme zertifizierte Bauteile sind (bekannter PL und Kategorie) müssen darunterliegende Hierarchieebenen in SISTEMA nicht mehr betrachtet werden. Kanal: Anzahl und Art der Kanäle wird durch die vorliegende Steuerungsarchitektur bzw. durch die DIN EN ISO festgelegt. Pro Kanal wird das elektronische, elektromechanische, hydraulische, mechanische oder pneumatische Bauteile beschrieben. Pneumatische Aktorik

37 Berechnung des Sicherheitsniveaus mit Safety Evaluation Tool Extern gemittelt V4 + KP

38 Berechnung des Sicherheitsniveaus mit Safety Evaluation Tool

39 Berechnung des Sicherheitsniveaus mit Safety Evaluation Tool SET

40 Berechnung des Sicherheitsniveaus mit SISTEMA 40

41 Berechnung des Sicherheitsniveaus mit SISTEMA Hierarchieebenen Projekt: Oberste Hierarchieebene in Sistema (Gefahrenstelle bzw. Maschine) Sicherheitsfunktion: Nächst höhere Hierarchieebene (muss mit PL r versehen werden) Sicherheitsfunktion wird durch ein oder mehrere Subsysteme umgesetzt. Subsystem: Subsysteme entsprechen den eigentlichen SRP/CS. Falls die eingebundenen Subsysteme zertifizierte ierte Bauteile sind (bekannter PL und Kategorie) müssen darunterliegende Hierarchieebenen in SISTEMA nicht mehr betrachtet werden. Kanal: Anzahl und Art der Kanäle wird durch die vorliegende Steuerungsarchitektur bzw. durch die DIN EN ISO festgelegt. Block: Stellt einen Funktionsblock im Rahmen eines logischen Blockschaltbildes dar. Ein Block sollte mindestens ein Element enthalten. Ggf. kann ein Block in SISTEMA noch detaillierter modelliert werden durch Auflistung seiner Bauelemente, wenn z.b. für ein Ventil kein B 10 Wert für das Bauteil als ganzes vorliegt. Element: Niedrigste Hierarchiestufe der Objekttypen. Elemente sind elektronische, elektromechanische, hydraulische, mechanische oder pneumatische Bauteile, aus denen sich ein Block zusammensetzt. Detailliertere Angaben sind über die Onlinedaten zum Training verfügbar

42 Berechnung des Sicherheitsniveaus mit SISTEMA Hierarchieebenen Projekt: Station Formgebung Sicherheitsfunktion: Fahren des senkrechten, schwerkraftbehafteten Stanzantriebes mit reduzierter Geschwindigkeit. Subsystem: Pneumatische Ausgabeeinheit des sicherheitsbezogenen Teils der Steuerung Kanal: Kanal 1 Block: Ansteuerung der Klemmpatrone Element: Ventil V4 Element: Klemmpatrone Kanal: Kanal 2 Block: Ansteuerung der gesteuerten Rückschlagventile Element: Ventil V5

43 ENDE 43