Auswirkungen der neuen Maschinenrichtlinie auf die sichere Steuerungstechnik

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1 Auswirkungen der neuen Maschinenrichtlinie auf die sichere Steuerungstechnik Matthias Wimmer, Pilz GmbH & Co KG, Ostfildern / Technisches Büro Hannover Die Industrie braucht neue Lösungsansätze bei der Umsetzung der neuen Anforderungen. Was bedeutet das für die Komponenten von Steuerung und Maschine? Spätestens mit Beginn des Jahres 2010 sind alle Konstrukteure gezwungen, die Anforderungen der neuen Maschinenrichtlinie anzuwenden. Hinzu kommt das fast gleichzeitige Inkrafttreten neuer Normen für die funktionale Sicherheit. Damit wird ein neuer Ansatz in die Entwicklung von Sicherheitsfunktionen Einzug halten: Nicht mehr die deterministische Betrachtung von Fehlerszenarien ist alleinige Grundlage für die Bewertungen solcher Sicherheitsfunktionen, vielmehr gilt es auch wahrscheinlichkeitsbehaftete Größen zu berücksichtigen. Ausfallwahrscheinlichkeiten, Fehlererkennung und Maßnahmen gegen Fehler gemeinsamer Ursache sind einige der neu zu lernenden Begriffe. Diese Umstellung erfordert von den Konstrukteuren eine tiefgreifende Änderung ihrer Vorgehensweise bei der Auslegung von pneumatischen, elektrischen und hydraulischen Steuerungssystemen. Die Präsentation zeigt auf, welche Schritte umgesetzt werden müssen und was bei der Umsetzung beachtet werden muss. Matthias Wimmer studierte Elektrotechnik in Hannover und Emden. Er war viele Jahre Prüfstellenleiter bei einer notifizierten Stelle nach Maschinen- und Bauproduktenrichtlinie. Seit 2008 ist er Consultant im Bereich Customer Support der Pilz GmbH & Co KG, Ostfildern, im technischen Büro Hannover. Dort beschäftigt er sich mit der Anwendung der funktionalen Sicherheit in der Steuerungstechnik. Dazu gehören die Analyse und die Konzepterstellung für Sicherheitsfunktionen sowie die Beratung von Anwendern bei der Bewertung vorhandener Lösungen. Außerdem ist er Mitarbeiter in europäischen Normungsgremien zu diesem Thema. m. wimmer@pilz.de INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN IM FOKUS DER NEUEN MRL,

2 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 1 Auswirkungen der neuen Maschinenrichtlinie auf Sicherheitssteuerungen VDMA-Informationstag: Sicherheitssteuerungen im Fokus der neuen Maschinenrichtlinie am 10. November 2009 Referent: Matthias Wimmer

3 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 2 Die neue Maschinenrichtlinie 2006/42/EG MRL 98/37/EG MRL 2006/42/EG 24-monatige Umsetzungsfrist Mitgliedsstaaten 18-monatige Frist Veröffentlichung EU-Ablauf Nationale Umsetzung Dezember Terminplan zur Gültigkeit der neuen Maschinenrichtlinie

4 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 3 Die neue Maschinenrichtlinie 2006/42/EG Neuerungen aus der Richtlinie selbst Regelung für Teilmaschinen CE Kennzeichen Sicherheitsbauteile Kennzeichnung bei Geräuschentwicklung Ergonomieanforderungen Dokumentationsbeauftragter Sprachen der Betriebsanleitung Unverlierbarkeit von Befestigungen fester Schutzeinrichtungen Ersatzteilregelung für Sicherheitsbauteile CE Kennzeichnung für Laborgeräte vorübergehender Verwendung Umfassende Qualitätssicherung für Anhang IV Maschinen Begrifflichkeiten 3 Zusammenfassung der wesentlichen Neuerungen aus der Richtlinie selbst resultierend.

5 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 4 Die neue Maschinenrichtlinie 2006/42/EG Neuerungen aufgrund der Normung Definition und Bedeutung harmonisierter Normen: Seit: (Beginn der Anwendbarkeit) Richtlinie 98/37/EG (Alte Maschinenrichtlinie) Artikel 5 Ab Richtlinie 2006/42/EG (Neue Maschinenrichtlinie) Artikel 7 Konformitätsvermutung und harmonisierte Normen Wird eine Maschine nach harmonisierten Normen hergestellt, wird davon ausgegangen... 4 Mittelbare Neuerungen, die durch den Bezug zu harmonisierten Normen entstehen. Artikel 7 (2) Ist eine Maschine nach einer harmonisierten Norm hergestellt worden, deren Fundstellen im Amtsblatt der Europäischen Union veröffentlicht worden sind, so wird davon ausgegangen, dass sie den von dieser harmonisierten Norm erfassten grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen entspricht.

6 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 5 Auswirkungen der neuen Maschinenrichtlinie auf Sicherheitssteuerungen 5 Im Amtsblatt der europäischen Union werden die gültigen harmonisierten Normen veröffentlicht. Dieses ist die einzig verbindliche Quelle für diese Angaben. Andere Veröffentlichungen sind evtl. leichter lesbar und durchsuchbar, haben aber keine Verbindlichkeit. Im Amtsblatt ist der Bezug der harmonisierten Normen zur konkreten Richtlinie zu sehen (hier 98/37/EG). Damit ist klar, dass bei Ablösung einer Richtlinie diese Auflistung harmonisierter Normen gegenstandslos wird. Die Verwendung solcher Normen bringt dann nicht mehr die gewollte Rechtssicherheit in Bezug auf die Erfüllung der dann geltenden Richtlinie.

7 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 6 Auswirkungen der neuen Maschinenrichtlinie auf Sicherheitssteuerungen 6 Das Amtsblatt der europäischen Union mit Auflistung harmonisierter Normen in Bezug auf die neue Maschinenrichtlinie 2006/42/EG existiert seit dem Es enthält insbesondere neue Normen für die Sicherheit von steuerungstechnischen Funktionen.

8 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 7 Auswirkungen der neuen Maschinenrichtlinie auf Sicherheitssteuerungen Derzeit keine Nennung von EN 954 und EN 62061! 7 Aktuell läuft die Diskussion: Bekommt die EN 954 in irgendeiner Form eine verlängerte Anwendbarkeit als harmonisierte Norm? Das müsste dann in einem Amtsblatt der europäischen Union so genannt werden. Die nächste Ausgabe wird Anfang Dezember erwartet.

9 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 8 Auswirkungen der neuen Maschinenrichtlinie auf Sicherheitssteuerungen EN ISO , neue Anforderungen alt neu 1. Schwere der Verletzung (S) 2. Häufigkeit und Dauer der Gefährdungsexposition (F) 3. Möglichkeit zur Vermeidung der Gefährdung (P) 4. Kategorie (Architektur) 5. Diagnosedeckungsgrad (DC) 6. Quantifizierung von Fehlern gemeinsamer Ursache (CCF) 7. Zeit bis zum gefährlichen Ausfall (MTTFd) 8. Ausfallwahrscheinlichkeit (PFHd bzw. PL) 8 Die EN ISO bringt inhaltliche Neuigkeiten in Bezug auf die funktionale Sicherheit von Steuerungsfunktionen mit sich. Neu ist insbesondere die Einführung von Ausfallwahrscheinlichkeiten in bestimmten Zeitintervallen. Damit wird der Alterung von Komponenten Rechnung getragen. Dieser Faktor wurde früher nicht berücksichtigt. Damit gibt es einen Übergang von deterministischen Ausfallmodellen zu stochastischen Modellen.

10 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 9 Verhinderung unerwarteten Anlaufs mittels abgefragter Schutztür (einkanalig) Standard SPS Kat B? Kat 1? 9 Diese Schaltung erfüllt Kategorie B, denn es werden grundlegende Sicherheitsprinzipien verwendet, wie richtige Dimensionierung und Formgebung, richtige Schutzleiterverbindung sowie Beständigkeit gegen Umgebungsbeanspruchungen usw. Um Kategorie 1 zu erreichen, wären bewährte Komponenten erforderlich. Eine hier angedeutete Standard SPS enthält komplexe programmierbare Schaltkreise. Diese gelten nach EN aber nicht als bewährte Komponenten. Die Komponenten Schalter mit zwangsbetätigtem Schaltelement und Schütz könnten als bewährte Bauteile gelten. Da aber das schwächste Glied der Kette die sicherheitstechnische Integrität begrenzt, ist auch insgesamt max. Kategorie B erreichbar.

11 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 10 Verhinderung unerwarteten Anlaufs mittels abgefragter Schutztür (einkanalig) Standard SPS Kat B Welcher PL entsteht daraus? 10 Um den PL (Performance Level) zu ermitteln, sind die anderen genannten Einflussfaktoren zu bestimmen (MTTFd, DC, evtl. CCF ab Kat 2).

12 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 11 Verhinderung unerwarteten Anlaufs mittels abgefragter Schutztür (einkanalig) Standard SPS Kat B MTTFd= Herstellerangabe oder MTTFd=10 Jahre DC nicht erforderlich CCF nicht erforderlich 11

13 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 12 Verhinderung unerwarteten Anlaufs mittels abgefragter Schutztür (einkanalig) Standard SPS Ergebnis: MTTFd=10a Kat B PL gesamt=> PL (PFHd) -> PL a 12 Aus den Darstellungen und Formeln in der EN ergibt sich für diese Situation ein Gesamt Pl = a.

14 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 13 Verhinderung unerwarteten Anlaufs mittels abgefragter Schutztür (zweikanalig) Standard SPS Rückführkreis Rückführkreis Kat 2? Kat 3? Kat 4? 13 Kategorie 2 erfordert einen Kanal, der die Sicherheitsfunktion ausführt. Daneben einen zweiten Kanal, der die Funktionsfähigkeit des ersten in geeigneten Zeitabständen überprüft. Das ist hier erfüllt. Der untere Kanal könnte die Sicherheitsfunktion ausführen, der obere Zweig überprüft über die rückgeführten Schützkontakte und den zweiten Schalter, ob der Zustand des unteren Schützes plausibel ist. Außerdem besitzt diese Testeinrichtung einen eigenen Abschaltweg über das obere Schütz. Der Rückführkreis des oberen Schützes ist dann optional und nicht zur Erreichung von Kategorie 2 notwendig. Die Wahl geeigneter Testzeitpunkte muss hier durch die Applikation gegeben sein, da kein aktiver Test durch die Sicherheitseinrichtungen selbst möglich ist. Zu beachten ist, dass nach der Definition der Kategorien nach EN ISO heute ein Verhältnis von Testrate zu Anforderungsrate von 100>1 nötig ist. In der Praxis bedeutet dies die mechanische Überlastung aller Komponenten mit mindestens teilweiser mechanischer Ausführung (Schütze, Ventile pneumatisch/elektrisch). Lediglich für Komponenten in rein elektronischer Ausführung ist die Kategorie 2 in Zukunft denkbar. Damit ist hier keine Kategorie 2 gegeben! Ist es Kategorie 3? Es existieren zwei Kanäle, die unabhängig voneinander den Antrieb abschalten können. Außerdem werden einige, aber nicht alle anzunehmenden Fehler erkannt und beherrscht. Damit sind die strukturellen Voraussetzungen für Kategorie 3 erfüllt. Ein Fehler im oberen Schütz ( Hängenbleiben in angezogener Position ) wird zwar erkannt aber nicht beherrscht, das verhindert die Einstufung in Kategorie 4. Die Schaltung bleibt daher in Kategorie 3.

15 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 14 Verhinderung unerwarteten Anlaufs mittels abgefragter Schutztür (zweikanalig) Standard SPS Rückführkreis Rückführkreis Kat 3 PL? 14 Um den PL (Performance Level) zu ermitteln, werden üblicherweise Teilsysteme gebildet und für jedes dieser Systeme die Ausfallwahrscheinlichkeit ermittelt. Für jedes dieser Teilsysteme werden die Größen Kategorie, MTTFd, DC benötigt. (Daneben ist noch die Bewertung der Maßnahmen gegen Fehler gemeinsamer Ursache nötig ).

16 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 15 Verhinderung unerwarteten Anlaufs mittels abgefragter Schutztür (zweikanalig) Schalter Kat 3 MTTFd= 100a DC=99% CCF OK! SPS Kat B MTTFd= 10a DC=??% CCF OK! Schütze Kat 3 MTTFd= 100a DC=99% CCF OK! Kat 3 PL? 15

17 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 16 Verhinderung unerwarteten Anlaufs mittels abgefragter Schutztür (zweikanalig) Schalter Kat 3 MTTFd= 100a DC=99% CCF OK! SPS Kat B MTTFd= 10a DC=??% CCF OK! Schütze Kat 3 MTTFd= 100a DC=99% CCF OK! Kat 3 PL? Gesamtergebnis abhängig von DC DC SPS 60% -> PL gesamt d DC SPS <60% -> PL gesamt c 16

18 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 17 Diagnosedeckungsgrad komplexer Komponenten Fehlerannahmen komplexer integrierter Komponenten nach EN Das ist die Begründung zu Annahmen des Fehlerkennungsgrades in einer Standard SPS ohne weitere Maßnahmen.

19 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 18 Konsequenzen Parallele Strukturen erreichen z.t. nur PL c Einsetzbarkeit dann <> der Kategorie 3 nach EN 954 Startpunkt Abschätzung der Risikobeurteilung Kategorien B S1 S2 F1 F2 P1 P2 P1 Kategorien P2 18 Hier zeigt sich eine Neuerung bei der Verwendung paralleler Strukturen zum Erreichen des jeweils zweithöchsten Gefährdungsniveaus nach den beiden Normen EN 954 und EN ISO Es kann nicht automatisch bei Verwendung solcher Strukturen vom Erreichen des PLd ausgegangen werden. Immer ist der vollständige Betrachtungsweg nötig. Dazu sind regelmäßig Werte für MTTFd, DD und CCF erforderlich. Diese liegen oft bei lange bewährten Schaltungen nicht vor, was zu eigentlich ungewollten Änderungsmaßnahmen führen kann.

20 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 19 Konsequenzen und Einsetzbarkeit von Kategorie 2 -> bis PL d Standard SPS Achtung: Testhäufigkeit min. 100 x Anforderungshäufigkeit 19 Kategorie 2 erfordert einen Kanal, der die Sicherheitsfunktion ausführt. Daneben ist ein Testkanal erforderlich, der die Funktionsfähigkeit des ersten in geeigneten Zeitabständen überprüft. Das ist hier erfüllt. Zu beachten ist, dass nach der Definition der Kategorien nach EN ISO ist heute ein Verhältnis von Testrate zu Anforderungsrate von 100>1 nötig ist. In Praxis bedeutet dies die mechanische Überlastung aller Komponenten mit mindestens teilweiser mechanischer Ausführung (Schütze, Ventile pneumatisch/elektrisch). Lediglich für Komponenten in rein elektronischer Ausführung ist die Kategorie 2 in Zukunft denkbar.

21 VDMA-INFOTAG SICHERHEITSSTEUERUNGEN - AUSWIRKUNGEN DER NEUEN MRL 20 Komponenten+Steuerung+Maschine müssen die Maschinenrichtlinie erfüllen Wie können Anbieter von Sicherheitssteuerungen dabei helfen? Sicherheitssteuerungen sind im Vergleich zu eigenen Architekturen einfacher in Engineering, Montage und Wartung Sicherheitssteuerungen liefern die Zuverlässigkeitskennwerte von Haus aus Pilz bietet neben den Produkten auch Beratung und Schulungen zum Thema an. Berechnungstool Safety Calculator PAScal hilft bei Nachweisen 20

22 Pilz GmbH & Co. KG Das Unternehmen 1948 gegründetes, unabhängiges Unternehmen der Automatisierungstechnik Hauptsitz in Ostfildern bei Stuttgart Mitarbeiter, 735 Mitarbeiter in Deutschland Mit 24 Tochtergesellschaften weltweit vertreten Umsatz 2008: 163 Millionen Euro, 62 % Export Pilz GmbH & Co. KG Komplette Lösungen für die sichere Automation Pilz ist ein führendes Unternehmen der Automatisierungstechnik. Als Experte für die Sicherheit von Mensch, Maschine und Umwelt bietet Pilz weltweit kundenorientierte Lösungen für alle Industrien. Dazu gehören innovative Produkte und Systeme aus den Bereichen Sensorik, Steuerungstechnik und Antriebstechnik sowie umfangreiche Dienstleistungen rund um die Maschinensicherheit.