Konsequenzen und Umsetzung der neuen Maschinenrichtlinie mit LabVIEW am Beispiel eines Hochdruckprüfstandes Firmenlogo
Einleitung Welche Anforderungen stellt der Gesetzgeber mit der neuen Maschinenrichtlinie an die Sicherheit einer Maschine? Wie baut man Anlagen, die trotz Gefährdungspotential sicher zu betreiben sind? Wie lässt sich LabVIEW in einer Anlage mit Gefährdungspotential konform zur neuen Maschinenrichtlinie einsetzen?
Kurzdarstellung MS2 & Festo AG MS2 Engineering & Anlagenbau GmbH Festo AG & Co. KG Gegründet im Jahr 2002 akt. Mitarbeiterzahl 25 (2002: 2) Leistungen: Engineering o Technologiestudien o Infrastruktur / Sicherheitstechnik o Softwareentwicklung (Prüf-)Anlagenbau o Konzepterstellung o Aufbau / Montage o Inbetriebnahme / Schulung o Wartung / Kalibrierung Gegründet im Jahr 1925 akt. Mitarbeiterzahl 13500, in 58 Landesgesellschaften Leistungen: Automation o rund 30.000 Katalogprodukte in mehreren hunderttausend Varianten o pneumatische, servopneumatische und elektrische Automatisierungstechnik Didactic o o Lernsysteme Training/ Consulting
Aufgabenstellung Aufgabenstellung des Prüfstands: Durchflussprüfung bei Drücken von bis zu 40 bar und 6000 m³/h unterschiedliche Prüflinge (Ventile, Regler, Filter ) und unterschiedliche Lastprofile bzw. Prüfaufgaben einfache Umrüstung und Parametrierung für neue Prüflinge / Aufgaben Visualisierung während der Prüfung Messdatenspeicherung
Prüfstand: Verfahrensschema ~ 1000l Mögliche Gefahren: Drucktanks speichern große Energiemengen bis 40 bar Bersten des Prüflings ~ 1000l bis 6000 m³/h Lärm
Prüfstand: 3D-CAD-Ansicht
Prüfstand: Anlagenraum Kompressor mit 130 kw-anschlussleistung
Prüfstand: Prüfraum typischer Anwendungsfall: Filtervermessung
Maschinenrichtlinie 2006/42/EG Ende 2009 in Kraft getreten Richtlinien sind Gesetze ohne unmittelbare Wirkung müssen in nationales Recht umgesetzt werden in Deutschland: Geräte- und Produktsicherheitsgesetz Ziel: Grundlegende Sicherheitsanforderungen für Bau/Konstruktion von Maschinen festlegen Kennzeichnung durch CE-Kennzeichen Einhaltung kann durch Anwendung harmonisierter Normen erfolgen (s. EU Amtsblatt) Vermutungswirkung zur Verstärkung der Rechtssicherheit
Harmonisierte Normen Anwendung ist keine Pflicht spiegeln den Stand der Technik wider dienen der Reduzierung von Sicherheitsrisiken auf ein akzeptables Minimum im Sinne der Maschinenrichtlinie Wichtige Normen: DIN EN ISO 12100-1 Sicherheit von Maschinen Grundbegriffe, allgemeine Gestaltungsleitsätze DIN EN ISO 13849-1 Sicherheit von Maschinen Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen
Risikobeurteilung Start Risikoanalyse Grenzen der Maschine bestimmen Gefährdungssituation ermitteln Risikoeinschätzung Risikobewertung Konstruktive Schutzmaßnahmen Technische Schutzmaßnahmen Ende Maschine sicher Maschine sicher Instruktive Maßnahmen ausgeschöpft Maschine nicht sicher Maschine nicht sicher nicht ausgeschöpft Konstruktive Maßnahmen z.b. inhärente Sicherheit Technische Schutzmaßnahmen Benutzerinformationen an der Maschine & im Handbuch Risikominderung
Risikoanalyse: Grenzen bestimmen
Risikoanalyse: Grenzen bestimmen
Risikoanalyse: Gefährdungssituation ermitteln Risiken ergeben sich aus Gefährdungen Definition: Risiko = f (E, S) E = Eintrittswahrscheinlichkeit des Schadens S = Schwere des möglichen Schadens Eintrittswahrscheinlichkeit des Schadens Häufigkeit der Gefährdungsexposition (z.b.: stündlich, täglich, jährlich ) Dauer der Gefährdungsexposition (z.b.: 1 min, 5 min, 1 h ) Möglichkeiten zur Vermeidung oder Begrenzung des Schadens Wahrscheinlichkeit des Eintritts eines Gefährdungsereignisses
Risikoanalyse: Risikoeinschätzung Bestimmung des erforderlichen Performance-Levels (PL r )
Risikominderung: techn. Schutzmaßnahmen 1. Auswahl einer technischen Schutzmaßnahme 2. Bestimmung des erreichten Performance Level falls PL PL r weiter zu Punkt 3, ansonsten zurück zu Punkt 1 3. Umsetzung der technischen Schutzmaßnahme
Softwareunterstützte Bestimmung von PL SISTEMA (Sicherheit von Steuerungen an Maschinen) Software-Assistent der BGIA zur sicherheitstechnischen Bewertung von Steuerungen an Maschinen und Anlagen. Bestimmung des erreichten PL einer technischen Sicherheitsmaßnahme Daten sicherheitsrelevanter Bauteile div. Hersteller sind in SISTEMA hinterlegt kostenlos & frei verfügbar
Möglichkeiten der sicheren Steuerung Sicherheitsgerichtete SPS & Aktoren Hardware + hoher Performance Level möglich (herstellerzertifiziert) LVL (Sprache mit eingeschränktem Funktionsumfang) + vereinfacht Erreichen des PL (s. DIN EN ISO 13849-1; 4.6.2 & 4.6.3) - Visualisierung (fast) nicht möglich - schlechte Bedienbarkeit - schränkt Prüfablauf ein - Datenspeicherung (fast) nicht mögl. - Parametrierung nicht möglich PC mit LabVIEW & Feldbus Hardware - kein herstellerzertifizierter PL FVL (Sprache mit vollem Funktionsumfang) + Visualisierung + einfache Bedienung + komplexe Prüfaufgaben möglich + Datenspeicherung + Parametrierung - systematische Ausfälle müssen beherrscht werden (s. DIN EN ISO 13849-1; 4.6.2 & G2) - Validierung der Prüfstandssoftware (inkl. Sicherheitsfunktionen)
Steuerungskette: Systemübersicht
Steuerungskette: elektr. Verschaltung Hardwarekonzept - schematisch normale SPS normale Messkarte normales Bussystem Ausgänge Eingänge Energieabschaltung Sensor 1 Sensor 2 Sicherheits-SPS Sicherheitsrelais Hartverdrahtung Eingänge Ausgänge Spule 1 Spule 2 Voraussetzung: Die Anlage ist energielos im sicheren Zustand!
Steuerungskette: Bild (1) LabVIEW und Festo CPX-Feldbussystem
Steuerungskette: Bild (2) Sicherheits-SPS & Festo MS6-SV Einschaltventil
Steuerungskette: Bild (3) federrückstellender Kugelhahn
Steuerungskette: LabVIEW & SPS
Prüfstandssoftware im täglichen Betrieb soll die Sicherheitstechnik nicht eingreifen müssen Eine gute Prüfstandssoftware muss kritische Zustände möglichst vermeiden
Anforderungen an SW-Entwicklung anlagenunabhängige, universelle Vorgehensweise schnelle Inbetriebnahme einer Anlage einfache Erweiterbarkeit & Änderung der Funktionen ohne LabVIEW-Entwicklungsumgebung ohne Neuerstellung einer EXE nur durch Konfiguration bzw. Parametrierung Fehler minimieren & Aufwand reduzieren durch: Automatisierung von Abläufen wie z.b. das Ausfüllen von Tabellen Arbeitsteilung nach Fachwissen ( Schuster bleib bei deinen Leisten! ) Verfahrenstechnik-Ingenieure sollen keine Programmierkenntnisse benötigen um die Anlagenfunktionen umzusetzen (und umgekehrt) Einsatz von standardisierten, geprüften Modulen Simulation
Ablauf der Softwareentwicklung in LabVIEW Visio automatisiertes Erstellen von Kanalnamen Stückliste Benutzereingabe Excel Kanalbelegungen Alarmtabellen Übergangsbedingungen Zustandstabellen LabVIEW Datenimport
Softwarestruktur Alarmverarbeitung Alarmmeldung endlicher Zustandsautomat Start / Stop GUI Prozesssollwerte Software-Regler 1 n Sensorwerte Aktorwerte Hardware-Treiber (CAN, PXI, SCXI, Modbus, Fieldpoint etc.)
Zusammenfassung Unfälle sind keine Zufälle Der Weg zu einer sicheren Maschine: Berücksichtigung der Anlagensicherheit in der Konzeption verringerter Aufwand für techn. Sicherheitsmaßnahmen Trennung von Anlagenfunktion & Sicherheitstechnik Erweiterung der Anlagenfunktionen mit LabVIEW unabhängig vom Sicherheitskonzept (und vice versa) keineerneute Validierung der Sicherheitstechnik bei Erweiterung der Anlagenfunktionen Möglichkeit verfügbare, bewährte Technologie einzusetzen (LabVIEW, Feldbus usw.)