Ниво на ефективност: ключът към безопасността на машините

Въведение в концепцията performence level

В днешния динамично развиващ се свят на индустриалната автоматизация performence level играе ключова роля за осигуряване на безопасността на машините и оборудването. Performence level представлява степента на способност на системата да постигне определено ниво на безопасност, като минимизира риска от откази и инциденти. В контекста на Директива 2006/42/EC относно машините хармонизираните стандарти тип B, като БДС EN ISO 13849-1, определят общите принципи за проектиране, които трябва да бъдат изпълнени, за да могат машините да получат CE маркировка. Performence level е един от ключовите елементи на тези стандарти и влияе върху всеки аспект от проектирането, одита и управлението на безопасността на машините и производствените линии.

Въведение в стандарта БДС EN ISO 13849-1

Стандартът БДС EN ISO 13849-1 е ключов документ в областта на безопасността на машините, който определя изискванията за проектиране, внедряване и оценяване на системи за управление, свързани с безопасността. Основната му цел е да гарантира, че тези системи отговарят на съответните нива на надеждност и функционалност, като свеждат до минимум риска от откази, които биха могли да доведат до опасности за операторите и работната среда. Този стандарт е хармонизиран с Директива 2006/42/EC относно машините, което означава, че спазването му е от съществено значение за получаване на CE маркировка за машини и съоръжения, пускани на европейския пазар.

Основни понятия и обхват на стандарта

Стандартът БДС EN ISO 13849-1 определя performence level (PL) като степен на способност на системата да постигне определено ниво на безопасност, измервано в пет категории от PL a до PL e, като PL e е най-високото ниво на безопасност. Performence level зависи от няколко фактора, като архитектурата на системата, диагностиката и надеждността на компонентите.

Стандартът обхваща широк кръг от аспекти, свързани с проектирането и оценяването на системи за управление, свързани с безопасността, включително:

• Анализ на риска: Определяне и оценка на потенциалните опасности, свързани с работата на машината.
• Спецификация на изискванията за безопасност: Определяне на изискванията към функциите за безопасност, които системата за управление трябва да изпълнява.
• Проектиране на системи за управление: Създаване и внедряване на системи, съответстващи на определено performence level.
• Оценка и верификация: Провеждане на изпитвания и анализи с цел потвърждение, че системите отговарят на изискванията на стандарта.

Анализ на риска и определяне на изискванията за безопасност

Първата стъпка в процеса на съответствие със стандарта БДС EN ISO 13849-1 е извършването на подробен анализ на риска. Целта на този анализ е да се идентифицират потенциалните опасности и да се оцени рискът, свързан с всяка от тях. Въз основа на резултатите от анализа на риска се определят изискванията за безопасност към системите за управление.

Ключов инструмент при анализа на риска е анализът на риска съгласно БДС EN ISO 12100, който предоставя методика за систематична оценка на риска. Тази методика включва идентифициране на опасностите, оценка на риска и определяне на мерки за контрол, чиято цел е да намалят риска до приемливо ниво.

Проектиране на системи за управление

Проектирането на системи за управление в съответствие с БДС EN ISO 13849-1 включва няколко ключови етапа, сред които:

• Определяне на функциите за безопасност: Уточняване кои функции на управлението са критични за безопасността и какви са изискванията към тях.
• Избор на компоненти: Подбор на подходящи компоненти, които отговарят на изискванията за надеждност и диагностика.
• Архитектура на системата: Проектиране на структурата на системата за управление с отчитане на резервираност и диагностика.
• Изчисления на надеждността: Извършване на изчисления за надеждност, като Средно време до отказ (MTTF) и Средно време за ремонт (MTTR), с цел определяне на общото performence level на системата.

Внедряване и интеграция

След проектирането на системата за управление следващата стъпка е нейното внедряване и интеграция с машината. Този етап включва:

• Монтаж на компонентите: Инсталиране на избраните компоненти в съответствие с проекта.
• Интеграция на системите: Свързване на различните части на системата за управление, като се осигуряват тяхното съвместно функциониране и съвместимост.
• Функционални изпитвания: Провеждане на функционални изпитвания, за да се потвърди, че системата работи в съответствие с проектните предпоставки.

Верификация и валидиране

Ключов елемент от съответствието със стандарта БДС EN ISO 13849-1 е процесът на верификация и валидиране, който включва:

• Проверка на проекта: Проверка дали проектът на системата за управление отговаря на всички зададени изисквания.
• Валидиращи изпитвания: Провеждане на валидиращи изпитвания, включително симулации и практически тестове, за да се потвърди, че системата работи в съответствие с изискванията за performence level.
• Документация: Изготвяне на подробна документация, която съдържа резултатите от изпитванията и анализите и потвърждава съответствието на системата със стандарта.

Пример за изчисления за PL e и PL c

Изчисленията за нивата на изпълнение PL e и PL c са от ключово значение, за да се гарантира, че свързаните с безопасността системи за управление отговарят на изискваните стандарти за надеждност. По-долу представям примери за изчисления и за двете нива на изпълнение.

Пример 1: Изчисления за PL e

Описание на системата:

• Система за управление на производствена машина с функция за аварийно спиране (E-Stop).
• Архитектура: категория 4, с двуканална структура и мониторинг.
• Изисква се постигане на ниво PL e.

Стъпки на изчислението:

1. Определяне на компонентите на системата:
   • Два бутона E-Stop (двуканално изпълнение).
   • Два предпазни релета.
   • PLC контролер с функции за безопасност.
2. Средно време до опасен отказ (MTTF_d):
   • Всеки бутон E-Stop има MTTF_d = 100 години.
   • Всяко предпазно реле има MTTF_d = 50 години.
   • PLC контролерът има MTTF_d = 30 години.
3. Диагностично покритие (DC):
   • Диагностичното покритие за категория 4 е 99% (0.99).
4. Коефициент на откази по обща причина (CCF):
   • Стойността на CCF за категория 4 е най-малко 65%.
5. Изчисляване на MTTF_d за цялата система:
   • Бутони E-Stop (двуканално изпълнение): 1 / (1 / 100 + 1 / 100) = 50 години.
   • Предпазни релета: 1 / (1 / 50 + 1 / 50) = 25 години.
   • PLC контролер: 1 / (1 / 30 + 1 / 30) = 15 години.
6. Изчисляване на MTTF_d на системата:
   • Комбинация от всички елементи: 1 / (1 / 50 + 1 / 25 + 1 / 15) = 9.68 години.
7. Изчисляване на PFH (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • PFH за PL e трябва да бъде под 10^-8 на час.
   • При използване на стойностите за MTTF_d и DC: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (9.68 * 365 * 24) * (1 – 0.99) = 1.18 * 10^-8

Заключение: Системата не достига PL e, тъй като изчислената стойност на PFH не попада в изисквания диапазон за PL e.

Пример 2: Изчисления за PL c

Описание на системата:

• Система за управление на машина с функция за контрол на предпазен защитен кожух.
• Архитектура: категория 2, с периодичен мониторинг.
• Изисква се постигане на ниво PL c.

Стъпки на изчислението:

1. Определяне на компонентите на системата:
   • Предпазен защитен кожух с датчик за положение.
   • Предпазно реле.
   • PLC контролер с функции за безопасност.
2. Средно време до опасен отказ (MTTF_d):
   • Предпазен защитен кожух: MTTF_d = 20 години.
   • Предпазно реле: MTTF_d = 50 години.
   • PLC контролер: MTTF_d = 30 години.
3. Диагностично покритие (DC):
   • Диагностичното покритие за категория 2 е 90% (0.90).
4. Изчисляване на MTTF_d за цялата система:
   • Предпазен защитен кожух: MTTF_d = 20 години.
   • Предпазно реле: MTTF_d = 50 години.
   • PLC контролер: MTTF_d = 30 години.
5. Изчисляване на MTTF_d на системата:
   • Комбинация от всички елементи: 1 / (1 / 20 + 1 / 50 + 1 / 30) = 10.64 години.
6. Изчисляване на PFH (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • PFH за PL c трябва да бъде под 10^-6 на час.
   • При използване на стойностите за MTTF_d и DC: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (10.64 * 365 * 24) * (1 – 0.90) = 1.08 * 10^-6

Заключение: Системата не достига PL c, тъй като изчислената стойност на PFH не попада в изисквания диапазон за PL c.

Сравнение със стандарта БДС EN IEC 62061

Стандартът БДС EN 62061, който се отнася до функционалната безопасност на електрически, електронни и програмируеми системи за управление, свързани с безопасността, често се сравнява с БДС EN ISO 13849-1. И двата стандарта имат за цел да осигурят безопасност на машините, но се различават по подход и обхват.

• Обхват: БДС EN IEC 62061 е насочен основно към електрически, електронни и програмируеми системи, докато БДС EN ISO 13849-1 обхваща по-широк спектър от технологии, включително механични и хидравлични.
• Степен на детайлност: БДС EN 62061 е по-подробен по отношение на техническите изисквания за електронни системи, докато БДС EN ISO 13849-1 предлага по-общ подход, който може да се прилага при различни технологии.
• Оценка на риска: И двата стандарта изискват извършване на анализ на риска, но БДС EN IEC 62061 поставя по-силен акцент върху подробната оценка на риска и прилагането на контролни мерки в програмируемите системи.

Ролята на performence level в индустриалната автоматизация

Performence level е неразделна част от автоматизацията на производствените процеси, при която прецизността и надеждността са от ключово значение. Внедряването на подходящ performence level в системите за управление на машини оказва пряко влияние върху тяхната ефективност и експлоатационна безопасност. Пример за приложение на performence level е проектирането на производствени линии, при което всяка машина трябва да отговаря на определени изисквания за безопасност, за да се осигурят непрекъснатост и безаварийна работа на целия производствен процес. Автоматизацията на производствените процеси изисква не само висока производителност, но и съответствие със стандартите за безопасност, което се постига чрез правилно определен performence level.

Одитът на безопасността и performence level

Одитът на безопасността е процес за оценка на съответствието на машините с изискванията на стандартите за безопасност, включително performence level. Интеграторите на индустриална автоматизация играят ключова роля при провеждането на такива одити, като гарантират, че системите отговарят на най-високите стандарти за безопасност. Performence level се оценява въз основа на анализ на риска и функционални изпитвания, които проверяват дали системите за управление работят в съответствие с проектните допускания и стандартите. Одитът на безопасността може също да включва анализ на техническата документация, провеждане на контролни изпитвания и инспекция на машините с цел идентифициране на потенциални опасности.

Проектиране на машини в съответствие с изискванията за performence level

Проектирането на машини изисква да се вземат предвид различни механични и електронни аспекти, за да бъдат изпълнени изискванията за performence level. Механичните системи, като пневматични и хидравлични системи, трябва да бъдат внимателно оразмерени по отношение на якостта, за да се гарантират тяхната надеждност и безопасност при различни експлоатационни условия. От своя страна електронните системи трябва да осигуряват надеждност и функционална безопасност, което е особено важно при системите за управление. Performence level определя минималните изисквания, на които трябва да отговарят системите за управление, за да се сведе до минимум рискът от отказ. В рамките на проектирането конструкторското бюро отчита и изискванията на хармонизираните стандарти, като БДС EN ISO 13849-1 и БДС EN 62061, които конкретизират изискванията и за двата типа системи, осигурявайки цялостен подход към безопасността на машините.

CE сертифициране на машини и performence level

Стандартът БДС EN ISO 13849-1 определя изискванията относно CE сертифицирането на машини, като се фокусира върху аспектите на безопасността, свързани с performence level. CE сертифицирането е необходимо, за да могат машините законно да бъдат пуснати на пазара в Европейския съюз. Стандартът БДС EN 62061, който също се отнася до функционалната безопасност, въвежда допълнителни изисквания за електронните и програмируемите системи, което увеличава сложността на процеса по сертифициране. И двата стандарта са хармонизирани с Директивата за машините 2006/42/EC, което означава, че изпълнението на техните изисквания е равнозначно на осигуряване на съответствие с европейските разпоредби за безопасност.

Performence level и привеждане на машините в съответствие с минималните изисквания

Привеждането на машините в съответствие с минималните изисквания според performence level изисква прецизни процедури и редовни одити. Практическите примери показват как тези процедури се прилагат в различни отрасли, като осигуряват безопасност и съответствие с нормативните изисквания. Performence level е ключов елемент в процеса на модернизация на машините, при който съществуващото оборудване се адаптира към новите стандарти за безопасност. Този процес включва, наред с другото, анализ на риска, адаптиране на съществуващите системи за управление и провеждане на изпитвания и верификация, за да се гарантира, че машините отговарят на актуалните изисквания за безопасност. Привеждането на машините в съответствие с минималните изисквания според performence level е от ключово значение за осигуряване на тяхната безопасна и ефективна работа.

Значение за Индустрия 4.0

Стандартът БДС EN ISO 13849-1 има ключово значение в контекста на Индустрия 4.0, която се характеризира с висока степен на автоматизация и интеграция на системите. В рамките на Индустрия 4.0 системите за управление трябва да бъдат не само надеждни, но и гъвкави и мащабируеми, за да отговорят на динамично променящите се изисквания на производството. Performence level, дефиниран в стандарта БДС EN ISO 13849-1, гарантира, че системите за управление се проектират с оглед на най-високите стандарти за безопасност, което е необходимо в сложни и автоматизирани производствени среди.

Performence Level: Обобщение

Стандартът БДС EN ISO 13849-1 е ключов документ за осигуряване на безопасността на машините и системите за управление. Благодарение на спазването му компаниите могат да бъдат уверени, че техните системи за управление са в съответствие с най-новите изисквания за безопасност, като се свежда до минимум рискът от откази и инциденти. Performence level е централният елемент на този стандарт, който определя изискванията за надеждност и функционалност на системите за управление. Спазването на стандарта БДС EN ISO 13849-1 е необходимо за получаване на маркировката CE и за гарантиране, че машините, пускани на европейския пазар, са безопасни за потребителите и работната среда.