Die sichere Anlage Ausbildungsunterlage MPS Mit CD-ROM Festo Didactic 574143 de
Bestell-Nr.: 574143 Stand: 02/2011 Autoren: Jürgen Hasel, Andrea Meles Redaktion: Frank Ebel Grafik: Frank Ebel Layout: 06/2014, Frank Ebel Festo Didactic SE, 73770 Denkendorf, Deutschland, 2014 Internet: www.festo-didactic.com E-Mail: did@de.festo.com Der Käufer erhält ein einfaches, nicht-ausschließliches, zeitlich unbeschränktes und geografisch nur auf die Nutzung innerhalb des Standortes/Sitz des Käufers beschränktes Nutzungsrecht wie folgt. Der Käufer ist berechtigt, die Inhalte des Werkes zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, des Standortes zu nutzen und hierzu auch Teile der Inhalte zur Erstellung eigener Fortbildungsunterlagen zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Standortes unter Angabe der Quelle zu verwenden und für die Fortbildung am Standort zu kopieren. Bei Schulen/Hochschulen und Ausbildungsstätten umfasst das Nutzungsrecht auch die Nutzung für deren Schüler, Lehrgangsteilnehmer und Studenten des Standortes für den Unterricht. Ausgeschlossen ist in jedem Fall das Recht zur Veröffentlichung sowie zur Einstellung und Nutzung in Intranet- und Internet- sowie LMS-Plattformen und Datenbanken wie z. B. Moodle, die den Zugriff einer Vielzahl von Nutzern auch außerhalb des Standortes des Käufers ermöglichen. Weitere Rechte zu Weitergabe, Vervielfältigungen, Kopien, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen sowie die Übertragung, Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen, unabhängig ob ganz oder in Teilen, bedürfen der vorherigen Zustimmung der Festo Didactic SE. Hinweis Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem besseren Verständnis der Formulierungen. Sicherheitshinweis Diese Ausbildungsunterlage dient dem Lernenden, sich das Gebiet der Sicherheit zu erschließen. Die Ausbildungsunterlage bietet Hinweise und zeigt ein mögliches Vorgehen vereinfacht auf. Bei der Umsetzung einer konkreten Maschine ist es jedoch zwingend erforderlich, alle für die Maschine geltenden Richtlinien und Normen zu beachten und einzuhalten. Dazu muss mehr mit diesen Richtlinien und Normen gearbeitet werden, als es in dieser Ausbildungsunterlage der Fall ist.
Inhalt Bestimmungsgemäße Verwendung V Didaktische Hinweise VI Einführung VIII Projektaufgaben und Lösungen Projektaufgabe 1: FMEA Station Handhaben 3 Projektaufgabe 2: Risikobeurteilung Station Handhaben 15 Projektaufgabe 3: Sicherheitseinrichtungen Station Handhaben 33 Projektaufgabe 4: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Not-Halt-Schlagtaster) 39 Projektaufgabe 5: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Tür) 45 Projektaufgabe 6: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Tür mit Zuhaltung) 49 Projektaufgabe 7: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Lichtvorhang) 53 Projektaufgabe 8: Zweikanaligkeit betrachten und dokumentieren 57 Projektaufgabe 9: Sichere Eingänge und Ausgänge für eine SPS 61 Projektaufgaben und Arbeitsblätter Projektaufgabe 1: FMEA Station Handhaben 3 Projektaufgabe 2: Risikobeurteilung Station Handhaben 15 Projektaufgabe 3: Sicherheitseinrichtungen Station Handhaben 33 Projektaufgabe 4: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Not-Halt-Schlagtaster) 39 Projektaufgabe 5: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Tür) 45 Projektaufgabe 6: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Tür mit Zuhaltung) 49 Projektaufgabe 7: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Lichtvorhang) 53 Projektaufgabe 8: Zweikanaligkeit betrachten und dokumentieren 57 Projektaufgabe 9: Sichere Eingänge und Ausgänge für eine SPS 61 Festo Didactic 574143 III
Inhalt Anhang 1 FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) I-3 2 Inhärente sichere Konstruktion (mechanische Konstruktion) I-6 3 Die Risikobeurteilung I-7 4 Grenzen der Maschine I-9 5 Die Betriebsarten I-10 6 Bestimmungsgemäßer Gebrauch, vorhersehbarer Missbrauch I-13 7 Gefährdungen I-14 8 Risikoeinschätzung Der Risikograph I-15 9 Ermittlung von MTTFd I-16 10 Steuerungskategorie nach EN ISO 13849-1:2006 I-20 11 Common Cause Failure I-22 12 Diagnostic Coverage I-24 13 Schutzeinrichtungen I-26 14 Sicherheitsrelais I-31 15 Zweikanaligkeit I-33 16 Sicherheits-SPS und sichere Ein- und Ausgänge I-34 Normen I-36 Glossar I-38 IV Festo Didactic 574143
Bestimmungsgemäße Verwendung Das Arbeitsbuch Die sichere Anlage ist nur zu benutzen: für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb Die Komponenten der Station Handhaben sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen. Das Arbeitsbuch Die sichere Anlage von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten. Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht. Festo Didactic 574143 V
Didaktische Hinweise Dieses Arbeitsbuch Die sichere Anlage beschäftigt sich mit der Sicherheit von Anlagen bzw. Maschinen und richtet sich nach der neuen Maschinenrichtlinie. Weiter orientieren sich die Aufgaben an die Station Handhaben. Da viele sich mit der neuen Maschinenrichtlinie auf Neuland begeben, ist dieses Arbeitsbuch gerade ideal in diese Materie einzusteigen und einen Einblick zu bekommen. Die Sicherheit von Anlagen ist ein wichtiges Spektrum in der Ausbildung, damit die Schüler sicher an der Anlage bzw. der Maschine arbeiten können. Die Arbeitsblätter dieses Arbeitsbuches sind hierarchisch aufgebaut. Zuerst bekommen die Schüler einen Einblick, wie eine Anlage von einem Maschinenhersteller nach der neuen Maschinenrichtlinie entwickelt wird. Anschließend sollen die Schüler eine fertige Anlage die Station Handhaben nach deren Sicherheit beurteilen. Dabei lernen sie unter anderem, wie eine FMEA abläuft, wie sie das Verfahren anwenden und auch welche Arten es bei einer FMEA gibt. Im Weiteren wird den Schülern es dann möglich sein, eine Risikobeurteilung einer Anlage hier die Station Handhaben durchzuführen. Damit die Schüler eine Risikobeurteilung durchführen können, erhalten sie die notwendigen Grundlagen über: Den Performance Level PL Den Mean Time to Failure MTTF Die Steuerungskategorien Den Common Cause Failure CCF Den Diagnostic Coverage DC Die Betriebsarten einer Anlage bzw. Maschine Mit diesen Grundlagen können die Schüler dann eine Anlage nach ihrem Risiko beurteilen. Danach ist es sinnvoll sich mit zusätzlichen Sicherheitseinrichtungen zu beschäftigen, da der erforderliche Performance Level nicht bei jeder Anlage sofort erreicht wird. Eine sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais der Sicherheitseinrichtungen ist für die Sicherheit einer Anlage bzw. Maschine ein sehr wichtiger Faktor. Daher lernen die Schüler erst theoretisch eine sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais einer Sicherheitseinrichtung durchzuführen und anschließend soll diese in der Praxis an der Station Handhaben durchgeführt werden. Dabei wird die sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais eines Not-Halt- Schlagtasters, einer Tür, einer Tür mit Zuhaltung und eines Lichtvorhanges betrachtet. Die Sicherheitskomponenten in den Aufgaben sind von der Firma Sick und Pilz gewählt. In einer weiteren Aufgabe geht es darum, die Zweikanaligkeit zu betrachten und zu dokumentieren. Dabei lernen die Schüler unter anderem den Unterschied zwischen eines einkanaligen Systems und eines zweikanaligen Systems in Bezug auf die Sicherheit kennen. Auch der Aufbau und der Anschluss eines zweikanaligen Systems sind dabei sehr von Bedeutung. VI Festo Didactic 574143
Didaktische Hinweise Die letzte Aufgabe bezieht sich auf die sicheren Ein- und Ausgänge einer SPS. Die Aufgaben 8 und 9 werden in diesem Arbeitsbuch hauptsächlich theoretisch abgehandelt und nicht direkt auf die Station Handhaben bezogen. Dies hat den Hintergrund, dass die Station Handhaben nicht zweikanalig aufgebaut ist und keine fehlersichere SPS eingebaut ist. Jedoch beinhaltet die neue Maschinenrichtlinie diese zwei Themen und die Schüler sollen die Zweikanaligkeit und die fehlersichere SPS kennenlernen. Dieses Arbeitsbuch enthält auch einen Theorieteil im Anhang. Jede Aufgabe wird eingeführt durch die zugehörigen Lernziele sowie einen Hinweis, welches Arbeitsblatt zum Kapitel gehört. Diese Lösungen haben oft nur Vorschlagscharakter, denn oft gibt es mehrere Möglichkeiten, ein technisches Problem zu lösen. Wenn die Lösung der Schüler die Aufgabe erfüllt, ist diese richtig! Die Arbeitsblätter ohne Lösung sind am Ende des Arbeitsbuches und zum Ausdrucken auf der CD zu finden. Die Arbeitsblätter enthalten Verständnisfragen, welche dazu dienen, Wissen abzufragen und einzuüben, und Aufgaben, die mit der Station Handhaben gelöst werden müssen. Die Informationen sind Basisinformationen zum Thema Sicherheitstechnik. Auf der mitgelieferten CD finden Sie zusätzliche Informationen unter anderem über die Gefahrenanalyse der Station PicAlpha und Datenblätter der Sicherheitsrelais. Die Datenblätter können auch im Internet von den Schülern gesucht werden lassen. Ob sie die Theorieteile des Arbeitsbuches komplett oder teilweise ausdrucken und den Schülern zur Verfügung stellen, bleibt Ihnen überlassen. Sie können die Schüler auch mit der pdf-datei des Buches arbeiten lassen. Allerdings ist es nicht erlaubt, die Copyrightvermerke zu entfernen! Ob die Schüler sich die Inhalte aus dem Buch selbst erarbeiten oder Sie als Lehrer diese vortragen, obliegt ebenfalls Ihrer Entscheidung. Die Arbeitsblätter enthalten auf der ersten Seite immer einen sehr kurz gefassten Abriss des notwendigen Theoriewissens, auf der zweiten Seite die Aufgaben. Festo Didactic 574143 VII
Einführung Ziel der Sicherheitstechnik Ziel der Sicherheitstechnik ist den Menschen, die Umwelt und die Maschine vor Gefährdungen zu schützen. Dazu müssen Gefährdungen auf ein akzeptables Maß reduziert werden oder im besten Fall ganz beseitigt werden. Die Bedienbarkeit von Produktionsanlagen soll jedoch wenn möglich dadurch kaum eingeschränkt werden. Mit der Anwendung der Sicherheitstechnik sollen Unfälle infolge von Fehlverhalten der Maschine oder des Menschen ganz oder weit gehend vermieden werden. In Bezug auf den Arbeitsplatz soll die Sicherheitstechnik einen vorbeugenden Gesundheitsschutz für die dort arbeitenden Menschen bieten. Auch die Ausfallzeiten sollen durch den Einsatz von Sicherheitstechnik verringert werden. Weiter soll dank der Sicherheitstechnik Kosten eingespart werden, die direkt oder indirekt durch das Fehlverhalten der Maschine oder deren Bediener entstehen können. Dazu zählen unter anderem die Zerstörung von Maschinenteilen, Werkzeugen aber auch die Entschädigungsleistungen, die für eine verunglückte Person geleistet werden müssen. VIII Festo Didactic 574143
Projektaufgaben und Lösungen Projektaufgabe 1: FMEA Station Handhaben 3 Projektaufgabe 2: Risikobeurteilung Station Handhaben 15 Projektaufgabe 3: Sicherheitseinrichtungen Station Handhaben 33 Projektaufgabe 4: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Not-Halt-Schlagtaster) 39 Projektaufgabe 5: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Tür) 45 Projektaufgabe 6: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Tür mit Zuhaltung) 49 Projektaufgabe 7: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Lichtvorhang) 53 Projektaufgabe 8: Zweikanaligkeit betrachten und dokumentieren 57 Projektaufgabe 9: Sichere Eingänge und Ausgänge für eine SPS 61 Festo Didactic 574143 1
Projektaufgaben 2 Festo Didactic 574143
Projektaufgabe 1 FMEA Station Handhaben Lernziele Wenn Sie dieses Projekt bearbeitet haben, kennen Sie den Ablauf einer FMEA. können Sie das FMEA-Verfahren anwenden. können Sie FMEA mechanisch, elektrisch, steuerungstechnisch, einzelne Bewegungen und einzelne Positionen durchführen. kennen Sie die verschiedenen Arten einer FMEA. Problemstellung Die Konstruktion der Station Handhaben ist fertig und stellt die Ausgangsposition dar. Ein paar Stationen sind schon fertig gebaut und sollen bald dem Kunden geliefert werden. Die Sicherheit der Station Handhaben wurde zwar schon bei der Konstruktion von den Konstrukteuren betrachtet. Da Kundenreklamationen jedoch sehr kostspielig werden können, soll die Station nochmals von mindestens einem FMEA-Team auf ihre potenziellen Gefährdungen überprüft werden. Dabei soll die Station Handhaben im Folgenden ohne eine Sicherheitseinrichtung betrachtet werden. Die Station soll weiter als eine Einheit betrachtet werden, also die Maschine als Ganzes. Lageplan Festo Didactic 574143 3
Projektaufträge 1. Bearbeiten Sie das Arbeitsblatt 1 2. Führen Sie das FMEA-Verfahren für die Station Handhaben durch. 3. Präsentieren Sie Ihre Ergebnisse im Klassenverbund. 4. Lösen Sie zur Ergebnissicherung die zweite Aufgabe. Durchführung Ein oder mehrere Teams von Auszubildenden erhalten die Aufgabe, das FMEA-Verfahren an der Station Handhaben durchzuführen. Dazu steht Ihnen das Handbuch der Station Handhaben und im Anhang das Kapitel 1 FMEA zu Verfügung. Vorbereitung, Planung und Durchführung der Aufgabe liegt in der Verantwortung des Teams. Hilfsmittel Handbuch Station Handhaben Anhang Kapitel 1 FMEA Gefahrenanalyse der Station PicAlfa (auf CD zu finden) Liste der Gefährdungen (auf CD zu finden) Anmerkungen Arbeitsblatt 2 Randbedingungen Sie haben Zugriff auf die Station Handhaben. Die technischen Beschreibungen stehen Ihnen zur Verfügung. 4 Festo Didactic 574143
1. Das FMEA-Verfahren a) Wann sollten bestehende Gefahren bzw. Risiken in einer technischen Dokumentation aufgenommen werden? Bevor ein Hinweis in der technischen Dokumentation über bestehende Risiken bzw. Gefahren aufgenommen werden, sollte versucht werden die Gefahr ganz zu beseitigen. Dies kann eventuell durch weitere Schutzmaßnahmen erlangt werden. Das Vorgehen ist dabei wie folgt: Gefahr bzw. Risiko einsäumen. Gefahrenstelle in diesem Fall polstern. Gefahrenstelle farblich kennzeichnen und dadurch hervorheben. Erst wenn alles versucht wurde die Gefahr zu beseitigen, ist diese in der technischen Dokumentation aufzunehmen. b) Wie kann eine Quetschgefahr verhindert werden? Eine Quetschgefahr kann durch Änderung der Mechanik (abweisende Schrägen) vermieden werden. c) Welche Geschwindigkeit des Antriebes und der Masse sind bei einer Berechnung für eine Quetschkraft zu verwenden? Bei der Berechnung sind die maximale mögliche Geschwindigkeit und die maximale Masse zu verwenden. d) Wann werden Stoßdämpfer eingesetzt? Stoßdämpfer werden eingesetzt, um im Gefahrenfall (Fehler in der Steuerung) den Antrieb vor Beschädigungen und Zerstörung zu schützen. e) Darf ein Stoßdämpfer abgedeckt werden, um eine Gefahr durch ihn zu beseitigen? Begründen Sie. Nein, da sonst eine neue Gefahrenstelle Scheren entstehen würde. Also muss ein Warnhinweis gegeben werden bzw. der Antrieb eingezäunt werden. Festo Didactic 574143 5
f) Muss ein Energieausfall und ein Wiederkehr von der Maschine erkannt werden? Ja, ein Energieausfall und Wiederkehr aller verwendeten Energiearten muss erkannt und steuerungstechnisch darauf reagiert werden, um die Maschine sicher zu machen. DIN EN 1088 Unerwarteter Wiederanlauf g) Wie kann ein unerwarteter Anlauf eines Steuerungssystems verhindert werden? Steuerelemente (Ventile, Relais,...) sind so auszuwählen, dass sie bei Energieausfall und vor allem bei Energiewiederkehr keine gefährliche Bewegung erzeugen. 2. Ausfüllen des FMEA Formblatts a) Füllen Sie das Formblatt FMEA im Team aus. Gehen Sie dabei wie folgt vor: 1. Füllen Sie den Kopf des Formblattes aus. 2. Beschreiben Sie funktionsrelevante Merkmale. 3. Geben Sie mögliche Fehler, Fehlerursachen und die Folgen an. 4. Im derzeitigen Stand geben Sie z.b. die vorgesehene Prüfmaßnahme an. 5. Bewerten Sie das Risiko und berechnen Sie die Risiko-Prioritätszahl. 6 Festo Didactic 574143
RPZ Entdeckung Bedeutung Auftreten Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse Konstruktions-FMEA Prozess-FMEA Derzeitiger Zustand Teil: Station Handhaben Teile-Nr.: Datum: Name: Empfohlene Abstellmaßnahme Verantwortlich Verbesserter Zustand Getroffene Maßnahme RPZ 18 18 Entdeckung Bedeutung Auftreten Firma Systeme/ Merkmale Modul PicAlfa Modul PicAlfa Zuständige Abteilung: Potenzielle Fehler Potenzielle Folgen des Fehlers Potenzielle Fehlerursache Elektrische Linearachse (mechanische Gefährdung) Es besteht die Möglichkeit, einen Stoß von der elektrischen Linearachse abzubekommen. Ist die überstehende elektrische Linearachse. (Gefährdung durch Stoß) Greifer (mechanische Gefährdung) Es besteht die Möglichkeit sich die Finger einzuklemmen. (Gefährdung durch Quetschen) Ist der bewegte Zylinder, der aus- und einfährt. Vorgesehene Prüfmaßnahme Die Station, wenn möglich, nicht frei in den Raum stellen. Warnhinweise in der technischen Dokumentation. Siehe Anmerkung 1 (Arbeitsblatt 3) Die Quetschkraft ist zu berechnen, damit festgestellt werden kann, ob das Quetschen ungefährlich ist. Siehe Anmerkung 2 (Arbeitsblatt 3) 1 2 9 2 1 9 Festo Didactic 574143 7
RPZ Entdeckung Bedeutung Auftreten Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse Konstruktions-FMEA Prozess-FMEA Derzeitiger Zustand Teil: Station Handhaben Teile-Nr.: Datum: Name: Empfohlene Abstellmaßnahme Verantwortlich Verbesserter Zustand Getroffene Maßnahme RPZ 10 9 Entdeckung 10 9 Bedeutung Auftreten Firma Systeme/ Merkmale Modul PicAlfa Modul PicAlfa Zuständige Abteilung: Potenzielle Fehler Potenzielle Folgen des Fehlers Potenzielle Fehlerursache Greifer (mechanische Gefährdung) Es besteht die Möglichkeit den Arm zu verhaken. (Gefährdung durch Scheren) Ist zwischen dem Profil und Greifer oder Flachzylinder möglich, wenn die Linearachse unerwartet losfährt. Es besteht die Möglichkeit durch Zugreifen sich einzuklemmen. (Gefährdung durch Quetschen) Stoßdämpferhalter mit Festanschlag (mechanische Gefährdung) Ist zwischen dem Schlitten und dem Stoßdämpfer möglich. Vorgesehene Prüfmaßnahme Hinweis über die Gefährdung in der technischen Dokumentation aufnehmen. Wartungskombination darf nicht von vorn bedient werden. Siehe Anmerkung 3 (Arbeitsblatt 3) Die Quetschkraft ist zu berechnen, damit festgestellt werden kann, ob das Quetschen ungefährlich ist. Siehe Anmerkung 4 (Arbeitsblatt 3) 1 1 1 1 8 Festo Didactic 574143
RPZ Entdeckung Bedeutung Auftreten Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse Konstruktions-FMEA Prozess-FMEA Derzeitiger Zustand Teil: Station Handhaben Teile-Nr.: Datum: Name: Empfohlene Abstellmaßnahme Verantwortlich Verbesserter Zustand Getroffene Maßnahme RPZ 18 18 12 Entdeckung Bedeutung Auftreten Firma Systeme/ Merkmale Modul PicAlfa Modul PicAlfa Modul PicAlfa Zuständige Abteilung: Potenzielle Fehler Potenzielle Folgen des Fehlers Potenzielle Fehlerursache Z-Achse (mechanische Gefährdung) Es besteht die Möglichkeit sich die Finger einzuklemmen. (Gefährdung durch Quetschen) Programmierfehler Steuerungssystem unerwarteter Anlauf des Moduls PicAlfa Ist die Z-Achse bei Abwärtsbewegung. Schnittstelle Es besteht die Möglichkeit sich die Finger einzuklemmen. (Gefährdung durch Quetschen) Schnittstelle zwischen PicAlfa und dem Modul Rutsche. Vorgesehene Prüfmaßnahme Hinweis über die Gefährdung in der technischen Dokumentation. Programm vor Ablauf noch einmal durchgehen. Siehe Anmerkung 5 (Arbeitsblatt 3) Hinweis über die Gefährdung in der technischen Dokumentation. 2 1 9 3 3 2 2 2 3 Festo Didactic 574143 9
RPZ = Risiko- Prioritätszahl Wahrscheinlichkeit des Auftretens Bedeutung (Auswirkung auf den Kunden) Entdeckungswahrscheinlichkeit vor Auslieferung an den Kunden hoch = 1000 unwahrscheinlich = 1 kaum wahrnehmbar = 1 hoch =1 mittel = 125 sehr gering =2-3 unbedeutend, geringe Belästigung = 2-3 mäßig = 2-5 keine = 1 gering = 4-6 mäßig schwerer Fehler = 4-6 gering = 6-8 mäßig = 7-8 schwerer Fehler, Kunde verärgert = 7-8 sehr gering = 9 hoch = 9-10 äußerst schwerwiegend = 9-10 unwahrscheinlich = 10 Anmerkungen (ergänzende fachliche Hinweise) 1. Ein Hinweis in der Dokumentation ist erst der letzte Schritt in einer solchen Maßnahme. Vorher sollte folgendes erfolgen: Ggf. einzäunen, Gefahrenstelle in diesem Fall polstern und farblich kennzeichnen und dadurch hervorheben. 2. Durch Änderung der Mechanik (abweisende Schräge) kann eine Quetschgefahr ebenfalls verhindert werden. 3. Manometer zwar von der eigentlichen Arbeitsseite her sichtbar und damit ablesbar. Durch eine mechanische Absperrung (Gitter) Wartungsarbeiten nur von der ungefährlichen Seite her zulassen oder Wartungseinheit nach vorne setzen. Wartungseinheit vorne ist beste Lösung, da preisgünstig. 4. Zunächst einmal besteht durch die Schlittenbewegung ebenfalls seine Stoßgefahr wie unter Punkt 1 der FMEA. Hier etwas zu berechnen kann dazu verleiten, Gefahren mit Stoßdämpfern zu unterschätzen. Bei der Berechnung sind die maximale mögliche Geschwindigkeit des Antriebs und der Masse anzusetzen. Stoßdämpfer werden eingesetzt, um im Gefahrenfall (Fehler in der Steuerung) den Antrieb vor Beschädigung und Zerstörung zu schützen. Der Stoßdämpfer kann nicht abgedeckt werden, denn dann entsteht eine neue Gefahrenstelle "Scheren". Also Warnhinweis bzw. Antrieb Einzäunen. 5. Die ist zwar auch eine Gefahr, die jedoch durch folgende Maßnahmen möglichst ausgeschaltet werden sollte. Hierzu gibt es übrigens eine Norm DIN EN 1088 Unerwarteter Wiederanlauf. Energieausfall und Wiederkehr aller verwendeten Energiearten muss erkannt und steuerungstechnisch darauf reagiert werden, um die Maschine sicher zu machen. Steuerelemente (Ventile, Relais,...) sind so auszuwählen, dass sie bei Energieausfall und vor allem bei Energiewiederkehr keine gefährliche Bewegung erzeugen. 10 Festo Didactic 574143
3. Überprüfen Sie Ihre FMEA-Kenntnisse FMEA mechanisch, elektrisch, steuerungstechnisch a) Welche Arten von FMEA gibt es und wodurch unterscheiden Sie sich? System-FMEA: In einem übergeordneten Systemverbund wird das Zusammenspiel von Teilsystemen untersucht. Ziel: Es sollen hauptsächlich an den Schnittstellen die potenziellen Schwachstellen identifiziert werden, welche in einem komplexen System durch Zusammenspiel einzelner Komponenten entstehen können. Konstruktions-FMEA: Aufgabe der Konstruktions-FMEA ist es, einzelne Bauteile und Produkte auf Ausfallmöglichkeiten und potenzielle Schwachstellen zu untersuchen. Dabei wird eine bereits vorhandene Maschine oder Bereiche davon untersucht. Prozess-FMEA: Die Prozess-FMEA baut auf die Ergebnisse und Untersuchungen der Konstruktions- FMEA auf. Diese FMEA beschäftigt sich mit möglichen Schwachstellen im Leistungs- und Fertigungsprozess. Dabei werden die Abläufe auf mögliche Fehlerpotenziale untersucht. Die Arten der FMEA unterscheiden sich also in den Zielen und den Zeitpunkten der Durchführung. b) Zerlegen Sie die die Station Handhaben in Teilsysteme. Teilsysteme der Station Handhaben sind das Modul Aufnahme, das Modul PicAlfa und das Modul Rutsche. c) Welche Teilsysteme sind in der Station Handhaben für die mechanische Gefährdung zu betrachten? Für die mechanische Gefährdung der Station Handhaben ist vor allem das Modul PicAlfa, also der Greifer, die Linearachse und die Achse, zu betrachten. Die Schnittstelle zwischen dem Greifer und Modul Aufnahme und zwischen dem Greifer und dem Modul Rutsche (Quetschgefahr durch den Greifer). Die anderen Teilsysteme sind für das FMEA-Verfahren nicht relevant, da von ihnen keine Gefährdung ausgeht. Festo Didactic 574143 11
d) Nennen Sie die beweglichen Teile des Moduls PicAlfa. Die beweglichen Teile des Moduls PicAlfa sind die elektrische Linearachse, der Greifer und der pneumatische Hubzylinder (Z-Achse). e) Ist die Z-Achse auch aufwärts gefährlich? Begründen Sie. Ja, die Z-Achse ist aufwärts gefährlich, da die Flächen des Greifers nicht abweisend sind. Es besteht die Gefahr sich die Finger einzuklemmen (Quetschgefahr). Die Konstruktion des Greifers an der Stelle ändern durch abweisende Flächen. f) Was kann bei plötzlichem Druckabfall der Station Handhaben am Greifer passieren? Der Greifer kann bei plötzlichem Druckabfall das gegriffene Werkstück fallen lassen. Dadurch kann die Maschine wie die bedienende Person gefährdet werden. g) Welches Bauteil muss bei der Sicherheitsbetrachtung in Bezug auf den Greifer mit berücksichtigt werden, wenn dieser seinen Zustand beibehalten soll? Warum? Mit zu beachten ist das 5/3-Wegeventil, da dieses in der Mittelstellung gesperrt ist. Das 5/3- Wegeventil ist aufgrund der erforderlichen Schutzmaßnahme und des Verhaltens bei Energieausfall gewählt worden. Dies gilt auch für die anderen Achsen der Station Handhaben. h) Was macht die Z-Achse bei Druckluftausfall und bei Stromausfall? Die Z-Achse muss sowohl bei einem Druckluft- wie auch bei einem Stromausfall in einem sicheren Zustand bleiben. Die Z-Achse darf nicht unkontrolliert nach unten fallen. Dazu muss der eingesperrte Druck des 5/3-Wegeventil die Z-Achse halten. 12 Festo Didactic 574143
i) Der Greifer soll seinen Zustand beim Stillsetzen der Station beibehalten. Was ist zu beachten? Es sind zwei Punkte zu beachten. Erstens, ist das Teil gegriffen ja oder nein. Zweitens, was macht der Greifer bei Druckluftausfall. j) Welchen Zylinder soll bei dem Greifer verwendet werden? Einfachwirkender Zylinder Doppelwirkender Zylinder k) Begründen Sie ihre Entscheidung. Ein einfachwirkender Zylinder öffnet bei Druck und schließt mit Federkraft. Hinweis Durch eine Feder kann das Teil noch gehalten werden. Solche Federn gehören zu den bewährten Konstruktionsprinzipien in der Mechanik (siehe DIN EN ISO 13 849-2). l) Muss der elektrischen Linearachse eine Schutzmaßnahme und eine Stopp Kategorie zugewiesen werden? ja nein m) Begründen Sie Ihre Entscheidung. Da die Stopp-Funktion die elektrische Linearachse im Notfall ausschaltet oder stillsetzt. Die Linearachse stellt eine Gefahr durch ihre Bewegung dar. Folglich ist ihr Verhalten im Notfall (Betätigen des Not-Halt-Schalters) festzulegen. Die Schutzmaßnahme legt fest, wie sich ein gefahrbringender Antrieb verhalten soll und die Stopp Kategorie legt fest, wann die Energie zu dem Antrieb abgeschaltet wird. Festo Didactic 574143 13
n) Warum ist eine elektrische Gefährdung durch das Modul PicAlfa nicht zu erwarten? Das Netzteil ist mindestens in Schutzart IP 2X ausgeführt. Alle frei verlegten Leitungen sind basisisoliert. Die Stromversorgung ist eine Stromquelle mit sicherer Trennung vom Versorgungsnetz. Das Modul ist mit einer Netzsteckvorrichtung zum Trennen der Netzversorgung versehen. 14 Festo Didactic 574143
Projektaufgaben und Arbeitsblätter Projektaufgabe 1: FMEA Station Handhaben 3 Projektaufgabe 2: Risikobeurteilung Station Handhaben 15 Projektaufgabe 3: Sicherheitseinrichtungen Station Handhaben 33 Projektaufgabe 4: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Not-Halt-Schlagtaster) 39 Projektaufgabe 5: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Tür) 45 Projektaufgabe 6: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Tür mit Zuhaltung) 49 Projektaufgabe 7: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Lichtvorhang) 53 Projektaufgabe 8: Zweikanaligkeit betrachten und dokumentieren 57 Projektaufgabe 9: Sichere Eingänge und Ausgänge für eine SPS 61 Festo Didactic 574143 1
Projektaufgaben 2 Festo Didactic 574143
Projektaufgabe 1 FMEA Station Handhaben Lernziele Wenn Sie dieses Projekt bearbeitet haben, kennen Sie den Ablauf einer FMEA können Sie das FMEA-Verfahren anwenden können Sie FMEA mechanisch, elektrisch, steuerungstechnisch, einzelne Bewegungen und einzelne Positionen durchführen. kennen Sie die verschiedenen Arten einer FMEA Problemstellung Die Konstruktion der Station Handhaben ist fertig und stellt die Ausgangsposition dar. Ein paar Stationen sind schon fertig gebaut und sollen bald dem Kunden geliefert werden. Die Sicherheit der Station Handhaben wurde zwar schon bei der Konstruktion von den Konstrukteuren betrachtet. Da Kundenreklamationen jedoch sehr kostspielig werden können, soll die Station nochmals von mindestens einem FMEA-Team auf ihre potenziellen Gefährdungen überprüft werden. Dabei soll die Station Handhaben im Folgenden ohne eine Sicherheitseinrichtung betrachtet werden. Die Station soll weiter als eine Einheit betrachtet werden, also die Maschine als Ganzes. Lageplan Festo Didactic 574143 Name: Datum: 3
Projektaufträge 1. Bearbeiten Sie das Arbeitsblatt 1 2. Führen Sie das FMEA-Verfahren für die Station Handhaben durch (Aufgabe 1). 3. Präsentieren Sie Ihre Ergebnisse im Klassenverbund. 4. Lösen Sie zur Ergebnissicherung die zweite Aufgabe. Durchführung Ein oder mehrere Teams von Auszubildenden erhalten die Aufgabe, das FMEA-Verfahren an der Station Handhaben durchzuführen. Dazu steht Ihnen das Handbuch der Station Handhaben und das Kapitel 3 FMEA zu Verfügung. Vorbereitung, Planung und Durchführung der Aufgabe liegt in der Verantwortung des Teams. Hilfsmittel Handbuch Station Handhaben Anhang Kapitel 1 FMEA Gefahrenanalyse der Station PicAlfa (auf CD zu finden) Liste der Gefährdungen (auf CD zu finden) Anmerkungen Arbeitsblatt 2 (Blatt 3) Randbedingungen Sie haben Zugriff auf die Station Handhaben. Die technischen Beschreibungen stehen Ihnen zur Verfügung. 4 Name: Datum: Festo Didactic 574143
1. Das FMEA-Verfahren a) Wann sollten bestehende Gefahren bzw. Risiken in einer technischen Dokumentation aufgenommen werden? b) Wie kann eine Quetschgefahr verhindert werden? c) Welche Geschwindigkeit des Antriebes und der Masse sind bei einer Berechnung für eine Quetschkraft zu verwenden? d) Wann werden Stoßdämpfer eingesetzt? e) Darf ein Stoßdämpfer abgedeckt werden, um eine Gefahr durch ihn zu beseitigen? Begründen Sie. Festo Didactic 574143 Name: Datum: 5
f) Muss ein Energieausfall und ein Wiederkehr von der Maschine erkannt werden? g) Wie kann ein unerwarteter Anlauf eines Steuerungssystems verhindert werden? 2. Ausfüllen des FMEA Formblatts a) Füllen Sie das Formblatt FMEA im Team aus. Gehen Sie dabei wie folgt vor: 1. Füllen Sie den Kopf des Formblattes aus. 2. Beschreiben Sie funktionsrelevante Merkmale. 3. Geben Sie mögliche Fehler, Fehlerursachen und die Folgen an. 4. Im derzeitigen Stand geben Sie z.b. die vorgesehene Prüfmaßnahme an. 5. Bewerten Sie das Risiko und berechnen Sie die Risiko-Prioritätszahl. 6 Name: Datum: Festo Didactic 574143
RPZ Entdeckung Bedeutung Auftreten Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse Konstruktions-FMEA Prozess-FMEA Derzeitiger Zustand Teil: Station Handhaben Teile-Nr.: Datum: Name: Empfohlene Abstellmaßnahme Verantwortlich Verbesserter Zustand Getroffene Maßnahme RPZ Entdeckung Bedeutung Auftreten Firma Systeme/ Merkmale Zuständige Abteilung: Potenzielle Fehler Potenzielle Folgen des Fehlers Potenzielle Fehlerursache Vorgesehene Prüfmaßnahme Festo Didactic 574143 Name: Datum: 7
RPZ Entdeckung Bedeutung Auftreten Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse Konstruktions-FMEA Prozess-FMEA Derzeitiger Zustand Teil: Station Handhaben Teile-Nr.: Datum: Name: Empfohlene Abstellmaßnahme Verantwortlich Verbesserter Zustand Getroffene Maßnahme RPZ Entdeckung Bedeutung Auftreten Firma Systeme/ Merkmale Zuständige Abteilung: Potenzielle Fehler Potenzielle Folgen des Fehlers Potenzielle Fehlerursache Vorgesehene Prüfmaßnahme 8 Name: Datum: Festo Didactic 574143
RPZ Entdeckung Bedeutung Auftreten Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse Konstruktions-FMEA Prozess-FMEA Derzeitiger Zustand Teil: Station Handhaben Teile-Nr.: Datum: Name: Empfohlene Abstellmaßnahme Verantwortlich Verbesserter Zustand Getroffene Maßnahme RPZ Entdeckung Bedeutung Auftreten Firma Systeme/ Merkmale Zuständige Abteilung: Potenzielle Fehler Potenzielle Folgen des Fehlers Potenzielle Fehlerursache Vorgesehene Prüfmaßnahme Festo Didactic 574143 Name: Datum: 9
RPZ = Risiko- Prioritätszahl Wahrscheinlichkeit des Auftretens Bedeutung (Auswirkung auf den Kunden) Entdeckungswahrscheinlichkeit vor Auslieferung an den Kunden hoch = 1000 unwahrscheinlich = 1 kaum wahrnehmbar = 1 hoch =1 mittel = 125 sehr gering =2-3 unbedeutend, geringe Belästigung = 2-3 mäßig = 2-5 keine = 1 gering = 4-6 mäßig schwerer Fehler = 4-6 gering = 6-8 mäßig = 7-8 schwerer Fehler, Kunde verärgert = 7-8 sehr gering = 9 hoch = 9-10 äußerst schwerwiegend = 9-10 unwahrscheinlich = 10 Anmerkungen (ergänzende fachliche Hinweise) 1. Ein Hinweis in der Dokumentation ist erst der letzte Schritt in einer solchen Maßnahme. Vorher sollte folgendes erfolgen: Ggf. einzäunen, Gefahrenstelle in diesem Fall polstern und farblich kennzeichnen und dadurch hervorheben. 2. Durch Änderung der Mechanik (abweisende Schräge) kann eine Quetschgefahr ebenfalls verhindert werden. 3. Manometer zwar von der eigentlichen Arbeitsseite her sichtbar und damit ablesbar. Durch eine mechanische Absperrung (Gitter) Wartungsarbeiten nur von der ungefährlichen Seite her zulassen oder Wartungseinheit nach vorne setzen. Wartungseinheit vorne ist beste Lösung, da preisgünstig. 4. Zunächst einmal besteht durch die Schlittenbewegung ebenfalls seine Stoßgefahr wie unter Punkt 1 der FMEA. Hier etwas zu berechnen kann dazu verleiten, Gefahren mit Stoßdämpfern zu unterschätzen. Bei der Berechnung sind die maximale mögliche Geschwindigkeit des Antriebs und der Masse anzusetzen. Stoßdämpfer werden eingesetzt, um im Gefahrenfall (Fehler in der Steuerung) den Antrieb vor Beschädigung und Zerstörung zu schützen. Der Stoßdämpfer kann nicht abgedeckt werden, denn dann entsteht eine neue Gefahrenstelle "Scheren". Also Warnhinweis bzw. Antrieb Einzäunen. 5. Die ist zwar auch eine Gefahr, die jedoch durch folgende Maßnahmen möglichst ausgeschaltet werden sollte. Hierzu gibt es übrigens eine Norm DIN EN 1088 Unerwarteter Wiederanlauf. Energieausfall und Wiederkehr aller verwendeten Energiearten muss erkannt und steuerungstechnisch darauf reagiert werden, um die Maschine sicher zu machen. Steuerelemente (Ventile, Relais,...) sind so auszuwählen, dass sie bei Energieausfall und vor allem bei Energiewiederkehr keine gefährliche Bewegung erzeugen. 10 Name: Datum: Festo Didactic 574143
3. Überprüfen Sie Ihre FMEA-Kenntnisse FMEA mechanisch, elektrisch, steuerungstechnisch a) Welche Arten von FMEA gibt es und wodurch unterscheiden Sie sich? b) Zerlegen Sie die die Station Handhaben in Teilsysteme. c) Welche Teilsysteme sind in der Station Handhaben für die mechanische Gefährdung zu betrachten? Festo Didactic 574143 Name: Datum: 11
d) Nennen Sie die beweglichen Teile des Moduls PicAlfa. e) Ist die Z-Achse auch aufwärts gefährlich? Begründen Sie. f) Was kann bei plötzlichem Druckabfall der Station Handhaben am Greifer passieren? g) Welches Bauteil muss bei der Sicherheitsbetrachtung in Bezug auf den Greifer mit berücksichtigt werden, wenn dieser seinen Zustand beibehalten soll? Warum? h) Was macht die Z-Achse bei Druckluftausfall und bei Stromausfall? 12 Name: Datum: Festo Didactic 574143
i) Der Greifer soll seinen Zustand beim Stillsetzen der Station beibehalten. Was ist zu beachten? j) Welchen Zylinder soll bei dem Greifer verwendet werden? Einfachwirkender Zylinder Doppelwirkender Zylinder k) Begründen Sie ihre Entscheidung. Hinweis Durch eine Feder kann das Teil noch gehalten werden. Solche Federn gehören zu den bewährten Konstruktionsprinzipien in der Mechanik (siehe DIN EN ISO 13 849-2). l) Muss der elektrischen Linearachse eine Schutzmaßnahme und eine Stopp Kategorie zugewiesen werden? ja nein m) Begründen Sie Ihre Entscheidung. Festo Didactic 574143 Name: Datum: 13
n) Warum ist eine elektrische Gefährdung durch das Modul PicAlfa nicht zu erwarten? 14 Name: Datum: Festo Didactic 574143