Funktionale Sicherheit von Maschinen und Anlagen

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1 Funktionale Sicherheit von Maschinen und Anlagen Umsetzung der europäischen Maschinenrichtlinie in der Praxis von Patrick Gehlen 2. überarbeitete Auflage, 2010 Publicis Publishing

2 Einleitung 15 1 Die europäische Gesetzgebung Das technische Regelwerk in Europa Die Maschinenrichtlinie Rechtsgrundlage der aktuellen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG Verfügung und Umsetzung Grundlegende Anforderungen Definition einer Maschine Grundlegende Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen bei Konzipierung und Bau von Maschinen Juristische Forderungen Maschinen, die nicht unter die Maschinenrichtlinie fallen Gefährliche und weniger gefährliche Maschinen nach Anhang IV Prüf- und Bescheinigungsverfahren EG-Baumusterprüfung nach Anhang IX EG-Konformitätserklärung EG-Konformitätserklärung nach Anhang VII Relevante Inhalte Sprachen (Anleitungen) Der Entwurf einer Maschine Forderungen nach Anhang I Gefährdungen Technische Dokumentation Allgemeines Inhalt Montageanleitung und Einbauerklärung bei unvollständigen Maschinen Musterdarstellung einer Einbauerklärung Betriebsanleitung Die CE-Kennzeichnung Grundsätzliche Vorgehensweise 59 7

3 Hochrüsten/Modernisieren einer Maschine Fallunterscheidung zu Modernisierungsmaßnahmen Praktisches Vorgehen Übersicht zur Anwendung der Maschinenrichtlinie Überarbeitung der Maschinenrichtlinie 98/3 7/EG Gründe für die Überarbeitung Die Konformitätsbewertung Anforderungen an das Inverkehrbringen von unvollständigen Maschinen Abgrenzung zur Niederspannungsrichtlinie Wichtige Adressen 73 2 Die Sicherheitsgrundnormen Klassifizierung Risikoanalyse und Risikobeurteilung EN ISO Grundbegriffe, Allgemeines Gefährdung Strategie zur Risikominderung Risikoeinschätzung Risikobeurteilung Maßnahmen zur Risikominderung Lebensphasen einer Maschine EN ISO Risikobeurteilung Die Gefahr Die Risikoelemente Iterativer Prozess Restrisiko Bestimmung notwendiger Maßnahmen zur Risikominderung Risikominderung Validierung Beispiele zur Dokumentation Risikomindernde Maßnahmen Überblick der grundlegenden Schutzmaßnahmen Schutzmaßnahmen für Betriebsarten gemäß der VDI Trennende Schutzeinrichtung Berührungswirkende Schutzeinrichtung Berührungslos wirkende Schutzeinrichtung (BWS) Ortsgebundene Schutzeinrichtungen Farbkodierung von Drucktastern 116 8

4 2.4.8 Farbkodierung von Leuchtmeldern und Warnleuchten Not-Halt-Befehlsgeräte Sicherheitsgerichtete Auswertung ( Steuerung") Elektrische Sicherheit nach EN Allgemeines Steuerstromkreise und Steuerfunktionen (Abschnitt 9) Stopp-Kategorien (Abschnitt 9) Not-Aus ist nicht Not-Halt Geräte für Not-Aus (Abschnitt 10) Geräte für Not-Halt (Abschnitt 10) Geräte zur Freigabesteuerung (Abschnitt 10) Aufhebung von Sicherheitsfunktionen bzw. Schutzmaßnahmen (Abschnitt 9) Checkliste nach EN Die ISO Zielsetzung Anwendungsbereich Gestaltungsverfahren der Maschine Bestimmung des Performance Level (PL) Erforderlicher Performance Level PL r und neuer Risikograf Gestaltung einer Sicherheitsfunktion Performance Level PL Mittlere Zeit bis zum gefahrbringenden Ausfall (M7TF d ) Diagnosedeckungsgrad (DC) Vereinfachte Abschätzung des erreichbaren PL Normative Einschränkung Eigenschaften der Sicherheitsfunktionen Vorgesehene Architekturen Kategorien nach ISO Kategorie В nach ISO Kategorie 1 nach ISO Kategorie 2 nach ISO Kategorie 3 nach ISO Kategorie 4 nach ISO Zusammenfassung der Kategorien nach ISO Berücksichtigung von Fehlern, Fehlerausschluss Dokumentation CCFnachlSO

5 3.12 Neues Berechnungsverfahren Einschätzung des durchschnittlichen DC (DC avg ) (informativ) Mittlere Zeit bis zum gefahrbringenden Ausfall (M7TF d ) (informativ) Das parts count" Verfahren nach IEC Die M7TF d für unterschiedliche Kanäle (informativ) DerB10 d -Wert für elektromechanische Komponenten (informativ) Kombination von SRP/CS (normativ) Validierung nach ISO Validierungsverfahren Dokumente Sicherheitsprinzipien für elektrische Systeme Kriterien für Fehlerausschlüsse Analyse und Prüfung Validierung der Performance Level und der Kategorien Leitfaden für den Entwurf der sicherheitsbezogenen Teile von Steuerungen SRP/CS Anwendungsbeispiel Spezifikation der Anforderungen der Sicherheitsfunktion [5.1] Die Sicherheitsfunktion in sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen aufteilen [4.4] Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen in einer Kategorie abbilden [6.] Bestimmung des erreichbaren Performance Level [6.] Bestimmung des erreichten Performance Level [4.5] Berechnungsbeispiele Schutztür-Überwachung mit einem Sicherheitsschaltgerät 3TK Mehrere Schutzhauben-Überwachungen mit einem Sicherheitsschaltgerät 3TK Mehrere Schutzhauben-Überwachungen mit dem ASIsafe Die IEC Zielsetzung Anwendungsbereich Welche Norm ist anzuwenden: ISO oder IEC 62061? Definitionen und Begriffe Der Begriff Ausfallrate

6 4.4 Plan der funktionalen Sicherheit Spezifikation der Anforderungen für sicherheitsbezogene Steuerungsfunktionen Spezifikation der funktionalen Anforderungen für sicherheitsbezogene Steuerungsfunktionen Spezifikation der Anforderungen zur Sicherheitsintegrität für sicherheitsbezogene Steuerungsfunktionen Anforderungen an das sicherheitsbezogene elektrische Steuerungssystem (SRECS) Anforderungen zum Verhalten bei Erkennen eines Fehlers im SRECS Anforderungen zur systematischen Sicherheitsintegrität Entwurf des sicherheitsbezogenen elektrischen Steuerungssystems (SRECS) Entwurf der Systemarchitektur Entwurf des Teilsystems Entwurf des Teilsystem-Elements Ein exemplarisches System Bestimmung des Sicherheits-Integmitätslevels (SIL) des SRECS Realisierung von Teilsystemen Anforderungen für den Entwurf Sicherheitsparameter des Teilsystems Auswahl geeigneter Komponenten und Geräte Bestimmung der sicherheitsbezogenen Leistungsfähigkeit des Teilsystems Strukturelle Einschränkungen der Sicherheitsintegrität der Hardware von Teilsystemen Abschätzung des Anteils sicherer Ausfälle (SFF) Anforderungen zur Wahrscheinlichkeit gefahrbringender zufälliger Hardwareausfälle von Teilsystemen Abschätzung der Wahrscheinlichkeit gefahrbringender zufälliger Hardwareausfälle von Teilsystemen Ausfallrate für elektromechanische Komponenten Empfehlung für ВЗО-Werte unter Standardbedingungen Basis-Teilsystemarchitekturen A bis D Bestimmung erforderlicher Sicherheits-Integritätslevel Vorgehensweise der Risikoabschätzung bis zur SIL-Zuordnung Faktor der Ausfälle in Folge gemeinsamer Ursache (ß) Benutzerinformationen des sicherheitsbezogenen elektrischen Steuerungssystems (SRECS) 246

7 4.13 Validierung des SRECS Modifikation Dokumentation eines SRECS Leitfaden für den Entwurf eines SRECS Anwendungsbeispiel Spezifikation der Anforderungen der Sicherheitsfunktion [5.2] Funktionsblöcke (FB) der Sicherheitsfunktion [ ] Architekturentwurf [ ] Spezifizierung der Sicherheitsanforderungen jedes Funktionsblocks [ ] Zuordnung der Funktionsblöcke zu den sicherheitsbezogenen Teilsystemen [ und ] Auswahl eines Gerätes für ein Teilsystem [6.7.3] oder Entwurf und Entwicklung der Teilsysteme [6.7.4] Bestimmung des erreichten SIL [6.6.3] Berechnungsbeispiele Eine Schutztür-Überwachung mit einer SIMATIC S Mehrere Schutztür-Überwachungen mit einer SIMATIC S Mehrere Schutztür-Überwachungen mit dem ASIsafe Häufig gestellte Fragen (FAQ) Verlegen von Leitungen Allgemeine Fragestellungen Zwangsgeführte Kontaktelemente von Hilfsschützen und Spiegelkontakte von Leistungsschützen 274 Dürfen Hilfs- oder Leistungsschütze durch nicht-sicherheitsgerichtete Eingangsbaugruppen (als Rückführkreis) überwacht werden? 277 Wie kann eine Sicherheitsfunktion definiert werden? 277 Muss ein Antrieb (Motor) in einer Sicherheits funktion berücksichtigt werden? 279 Wird jedes NOT-HALT-Befehlsgerät in einer eigenen ergänzenden"sicherheitsfunktion bewertet? 280 Me muss die Ansteuerung der Zuhaltung eines Positionsschalters mit getrenntem Betätiger (Bauart 2) bewertet werden? 281 Ist die Ansteuerung der Zuhaltung eine Sicherheits funktion oder ein Merkmal der Betriebsart? 282 Muss ein Zustimmtaster (oder -Schalter) als Teil einer Sicherheitsfunktion berücksichtigt werden? 284

8 Welcher Diagnosedeckungsgrad kann typischerweise für Teilsysteme bzw. SRP/CS mit elektromechanischen Komponenten festgelegt werden und welche Sicherheitsintegrität ist dann erreichbar? 286 Welche Sicherheitsintegrität kann mit einem einzelnen Leistungsschütz erreicht werden? 287 Me können SIMATIC-S7- Standard-Ausgangsbaugruppen", die über die Lastspannung abgeschaltet werden, in einer Sicherheitsfunktion bewertet werden? 288 Me können SIRIUS-Hilfsschütze oder Koppelrelais in einer Sicherheitsfunktion bewertet werden? 291 Me kann eine Stern-Dreieck-Schaltung sicherheitsgerichtet bewertet werden? IEC Warum dürfen auch mit der IEC nicht-elektromechanische Komponenten" wie z. B. Ventile berechnet werden? 295 Me geht man mit den Kategorien der C-Normen um? 296 Die Berechnungsmethode der IEC ist normativ" (Abschnitt ), die der ISO dagegen ist informativ" (Anhang C) 296 Ist mit einer 1-kanaligen Architektur ein SILCL 1 erreichbar? 296 Warum ist der Anteil sicherer Ausfälle (SFF) gleich Null bei verschleißbehafteten Komponenten ohne Diagnose? ISO Was ist bei der Verwendung von programmierbar elektronischen Steuerungskomponenten, wie z. B. einer Standard-SPS oder einem Standard-AS-i zu beachten? 301 Me sind die PFH-Q-Werte im informativen Anhang K, TabelleK.1 zu verstehen? 309 Kann ein PFH B -Wert in einen MTTF d -Wert umgerechnet werden?.311 Ist die Kategorie 2 für verschleißbehaftete Komponenten noch anwendbar? Berechnungsbeispiele - Sicherheitsfunktionen Not-Halt-Abschaltung (Stillsetzen im Notfall) Zugangsüberwachung mit einer trennenden Schutzeinrichtung (Schutztür, Schutzklappen,...) Zugangsüberwachung mit einer nichttrennenden Schutzeinrichtung (Lichtgitter, Lichtvorhang, Laserscanner,...) 343

9 7 Mathematische Betrachtungen und Hintergründe Definitionen der Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen Ausfallraten Ausfallwahrscheinlichkeit und Markov Einkanalige Architektur Annahmen Markov-Modell Vereinfachte Berechnung des PFH D nach IEC Zweikanalige Architektur Annahmen Markov-Modell Vereinfachte Berechnung des PFH V nach IEC Schlussbetrachtung 359 Abbildungsverzeichnis 367 Quellen 371 Glossar 374 Fachbegriffe Deutsch - Englisch 418 Index