Sicherheitstechnik für Komponenten und Systeme

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Angela Schuster
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1 Peter Wratil Michael Kieviet Sicherheitstechnik für Komponenten und Systeme Hüthig Verlag Heidelberg

2 Inhaltsverzeichnis 1 Das Lebenszyklusmodell Grundsätzliche Überlegungen Sicherheitsklassifizierung Gefahrenanalyse Einhaltung der Normen Fehlervermeidung Fehlererkennung und Fehlerbeherrschung Die Phasen des Lebenszyklus Risikoanalyse Risikograf Risikobeurteilung FMEA SRS (Safety Requirement Specification) 23 2 Organisation und Dokumentation Projektdokumente Funktionale Spezifikation Spezifikation der Sicherheitsanforderungen (Safety Requirement Specification, SRS) Validation-und Verfikationsplan (V&V Plan) 33 3 Kenngrößen für die Sicherheitsbewertung Zusammenhang der Kenngrößen Fehlerausschlüsse Funktionstests Sicherheitsarchitekturen lool-struktur, HFT Ioo2 und loo2d-struktur Fail-Safe-Logik oo3-Struktur Fehlerbaum mehrkanaliger Strukturen Ausfallraten Verteilungsfunktion und Ausfallhäufigkeit X-Wert, Zuverlässigkeitsfunktion und MTBF-Bestimmung Ausfallwahrscheinlichkeit, PFD-Werte Aufteilung der X-Werte im System, SFF Diagnosedeckungsgrad, Testintervall DC und SFF Testintervall Zyklische Tests Wiederholdauer zyklischer Tests 63

1 Projektdokumente 28 2.1.1 Funktionale Spezifikation 30 2.1.2 Spezifikation der Sicherheitsanforderungen (Safety Requirement Specification, SRS) 30 2.1.3 Validation-und Verfikationsplan (V&V Plan) 33 3 Kenngrößen für die Sicherheitsbewertung 35 3.

3 X Inhaltsverzeichnis 3.4 Fehler gemeinsamer Ursache Versorgungseinheiten Zweikanalige Abschaltung Abschätzung des ß-Wertes PFD- und PFH-Wert Anforderungen aus den Normen EN IEC EN und pren ISO Rechenbeispiele SFF und DC für eine elektronische Eingangsschaltung Einkanaliges System für SIL Sporadischer Ausfall bei einem zweikanaligen System 76 4 Architekturen Erfassung von Messgrößen, Sensoren und Eingangsschaltungen Einkanalige Sensorstruktur Einkanaliger Sensor mit zweikanaliger Eingangsschaltung Sensoren mit zweikanaliger Eingangsschaltung Diversitäre Sensoren mit zweikanaliger Eingangsschaltung Test von kontaktbehafteten Sensoren Geschlossener Testkreis Testbare Eingangsstufe Ausgangsschaltungen Serienschaltung von Relais Zweikanalige Ausgabe mit Halbleitern Kombination von High-Side-und Low-Side-Switch Fail-Safe-Einheit Kombinierte Ein-/Ausgabe-Einheiten (Zuhaltungen) Logikeinheiten Standardsicherheitsfunktionen von Logikeinheiten Zentralprozessor mit Watchdog Pfadkontrolle durch diversitäre Einheit Einkanalige Struktur mit Softwarediversität Sicherheitsüberwachung Zweikanaligkeit mit homogener Redundanz Zweikanaligkeit mit diversitärer Redundanz Mehrkanaligkeit Kombination von Einheiten zu einem Gesamtsystem Gesamtsysteme Gesamtmaschinen und Anlagen Übersicht und Bewertung 106

7.3 Sporadischer Ausfall bei einem zweikanaligen System 76 4 Architekturen 79 4.1 Erfassung von Messgrößen, Sensoren und Eingangsschaltungen 79 4.1.1 Einkanalige Sensorstruktur 79 4.1.2 Einkanaliger Sensor mit zweikanaliger Eingangsschaltung.

4 Inhaltsverzeichnis XI 4.6 Wechselwirkung zwischen Standardeinheiten und Sicherheitssystemen Online-Tests und Offline-Tests Bussysteme Entwicklung sicherer Netzwerke Vergleich zum Standard Wirkungsbereich Systematische Fehler Maßnahmen zur Erkennung systematischer Fehler Sporadische Fehler Typische sichere Datenformate Nachweis der Sicherheit Integration des sicheren Netzwerkes in die Automatisierungsstruktur PROFIsafe Verwendung des Black Channels" Referenz zum ISO/OSI-Modell Maßnahmen gegen Übertragungsfehler Sicherheitsgerichtete Datenstruktur Interbus-Safety Summenrahmenprotokoll Sicherheits-Layer Ethernet-Powerlink-Safety Kommunikationsbeziehungen Eigenschaften Nachrichtenformat für höchste Sicherheitsanforderungen Zeitsynchronisation Datenformat CANopenSafety Der CAN-Bus als Basis CANopen als höheres Protokoll CANopen-Safety als Protokollerweiterung Übertragungsspezifische Hardwarestruktur der Busteilnehmer Sicherheitsgerichtete Telegrammstruktur Qualitative Maßnahmen gegen Übertragungsfehler Fehlerrestwahrscheinlichkeit AS-i Safety Standard-System Sicherer Datenverkehr Sicherheitsgerichtete Telegrammstruktur Vergleich einiger sicherheitsrelevanter Netzwerke 149

7 Typische sichere Datenformate 126 5.8 Nachweis der Sicherheit 128 5.9 Integration des sicheren Netzwerkes in die Automatisierungsstruktur 131 5.10 PROFIsafe 132 5.10.1 Verwendung des Black Channels" 132 5.

5 XII Inhaltsverzeichnis 6 Antriebstechnik Sicherheitsfunktionen Arbeitssicherheit einer Maschine Sicheres Stillsetzen Schutz gegen unerwarteten Anlauf Sicher reduzierte Geschwindigkeit Sicher begrenzter Weg Sicher begrenzte Kraft Sichere Tipp-Schaltung Technische Realisierung sicherer Antriebsfunktionen Abschaltung über elektromechanische Elemente Elektronische Abschalttechniken Zweikanalige Lösungen Versagen der Leistungshalbleiter Betrieb gekoppelter Antriebe Software V-Modell Fehlerverteilung auf den Lebenszyklus Ursachen der Fehlerentstehung Erfahrungen Umweltbedingungen der Software Sicherheitsanforderungsspezifikation (SRS) Werkzeuge (Toolchain) Validierung und Verifizierung Reviews Fagan-Inspektion Walkthroughs Softwaretest White Box Test Black Box Test Testabdeckungen Softwaremetriken Software Zuverlässigkeits-Modelle Von Metriken zu Modellen Einbindung der Testabdeckung in die Zuverlässigkeitsrechnung Softwarealterung Sichere Applikationsprogrammierung und Parametrierung Parametrierung Sichere Programmierung von Applikationssoftware Softwareerstellung 197

2.2 Elektronische Abschalttechniken 159 6.2.3 Zweikanalige Lösungen 162 6.3 Versagen der Leistungshalbleiter 164 6.4 Betrieb gekoppelter Antriebe 165 7 Software 168 7.1 V-Modell 168 7.

6 Inhaltsverzeichnis XIII 8 Test von elektronischen Komponenten und Systemen Speichertests Test variabler Speicher Test invarianter Speicher CPU-Test Fehlermodell ein Prozessors Implementierungshinweise Statistische Tests Stichprobenauswertung Häufigkeit und Mittelwert Streuung und Varianz Normalverteilung, Gaußverteilung Binomialverteilung Poisson-Verteilung Lebensdauerbestimmung, MTBF-Werte Weibull-Verteilung MTBF-und X-Bestimmung Mechanische Komponenten in Sicherheitssystemen Lebensdauer und statistische Größen Konstruktive Maßnahmen Sicherheitsarchitekturen und Kenngrößen Anforderungen an mechanische Komponenten (Beispiel Hydraulikventil) Auslegung der Rückstellfeder Verschmutzung Lebensdauerbestimmung Unfallursachen Applikationen Etikettiermaschine Fluchtwege für den Brandfall Sicherheitsfunktionen im Fertigungsprozess Not-Aus bei Transportbändern Verwendung von Lichtgittern Zweihandbedienung Personentransport, Automotive, Avionik Arbeiten mit Service-Robotern Umrüstung von Altmaschinen 265

1.4 Binomialverteilung 229 9.1.5 Poisson-Verteilung 230 9.2 Lebensdauerbestimmung, MTBF-Werte 231 9.2.1 Weibull-Verteilung 231 9.2.2 MTBF-und X-Bestimmung 233 10 Mechanische Komponenten in Sicherheitssystemen 235 10.

7 XIV Inhaltsverzeichnis 13 Normen und Standards Historie Gefahren-und Risikoanalyse DIN31000,DINV19250undDINV Maschinensicherheit DINVVDE Europäische Maschinen-Richtlinie (MRL) IEC und IEC EN undpreniso Die Sicherheitsnorm IEC Lebenszyklusmodell innerhalb der Norm Harmonisierung mit EN FMEA und Qualitätssicherung Übersicht der wichtigsten Normen Klima-und Umweltanforderungen EMV Kerntechnik Messen, Steuern, Regeln Speicherprogrammierbare Steuerungen Explosionsschutz 292 Begriffe der Sicherheitstechnik 294 Die CD-ROM zu diesem Buch 310 Programmierung und Simulation 310 SafetyFirst 311 Literaturangaben und Hinweise 313 Abbildungsverzeichnis und Hinweise 319 Stichwortregister 327

2.2 Harmonisierung mit EN 954-1 279 13.2.3 FMEA und Qualitätssicherung 280 13.3 Übersicht der wichtigsten Normen 281 13.3.1 Klima-und Umweltanforderungen 281 13.3.2 EMV 285 13.3.3 Kerntechnik 289 13.

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