Úroveň vlastností: klíč k bezpečnosti strojních zařízení

Úvod do koncepce performence level

V dnešním dynamicky se rozvíjejícím světě průmyslové automatizace hraje performence level klíčovou roli při zajištění bezpečnosti strojů a zařízení. Performence level vyjadřuje míru schopnosti systému dosáhnout stanovené úrovně bezpečnosti a minimalizovat riziko poruch a nehod. V kontextu směrnice o strojních zařízeních 2006/42/EC definují harmonizované normy typu B, jako je ČSN EN ISO 13849-1, obecné zásady navrhování, které musí být splněny, aby stroje mohly získat označení CE. Performence level je jedním z klíčových prvků těchto norem a ovlivňuje každý aspekt návrhu, auditu bezpečnosti strojů a výrobních linek i řízení bezpečnosti strojů a výrobních linek.

Úvod do normy ČSN EN ISO 13849-1

Norma ČSN EN ISO 13849-1 je klíčovým dokumentem v oblasti bezpečnosti strojních zařízení, který stanovuje požadavky na navrhování, zavádění a posuzování bezpečnostních částí řídicích systémů. Jejím hlavním cílem je zajistit, aby tyto systémy splňovaly odpovídající úrovně spolehlivosti a funkčnosti a minimalizovaly riziko poruch, které by mohly vést k ohrožení obsluhy a pracovního prostředí. Tato norma je harmonizována se směrnicí o strojních zařízeních 2006/42/EC, což znamená, že její splnění je zásadní pro získání označení CE pro stroje a zařízení uváděné na evropský trh.

Základní pojmy a rozsah normy

Norma ČSN EN ISO 13849-1 definuje performence level (PL) jako míru schopnosti systému dosáhnout stanovené úrovně bezpečnosti, měřenou v pěti kategoriích od PL a do PL e, přičemž PL e představuje nejvyšší úroveň bezpečnosti. Performence level závisí na několika faktorech, jako jsou architektura systému, diagnostika a spolehlivost komponent.

Norma zahrnuje široké spektrum aspektů souvisejících s navrhováním a posuzováním bezpečnostních částí řídicích systémů, včetně:

• Analýza rizik: Určení a posouzení potenciálních nebezpečí spojených s provozem stroje.
• Specifikace bezpečnostních požadavků: Definování požadavků na bezpečnostní funkce, které musí řídicí systém splňovat.
• Návrh řídicích systémů: Vytváření a implementace systémů v souladu s určeným performence level.
• Posouzení a ověření: Provádění zkoušek a analýz za účelem potvrzení, že systémy splňují požadavky normy.

Analýza rizik a stanovení bezpečnostních požadavků

Prvním krokem v procesu souladu s normou ČSN EN ISO 13849-1 je provedení podrobné analýzy rizik. Cílem této analýzy je identifikovat potenciální nebezpečí a vyhodnotit riziko spojené s každým z nich. Na základě výsledků analýzy rizik se stanovují bezpečnostní požadavky na řídicí systémy.

Klíčovým nástrojem při analýze rizik je analýza rizik podle ČSN EN ISO 12100, která poskytuje metodiku pro systematické posuzování rizik. Tato metodika zahrnuje identifikaci nebezpečí, hodnocení rizik a stanovení kontrolních opatření, jejichž cílem je snížit riziko na přijatelnou úroveň.

Návrh řídicích systémů

Návrh řídicích systémů v souladu s ČSN EN ISO 13849-1 zahrnuje několik klíčových etap, mezi které patří:

• Definice bezpečnostních funkcí: Určení, které řídicí funkce jsou z hlediska bezpečnosti kritické a jaké jsou jejich požadavky.
• Volba komponent: Výběr vhodných komponent, které splňují požadavky na spolehlivost a diagnostiku.
• Architektura systému: Návrh struktury řídicího systému s ohledem na redundanci a diagnostiku.
• Výpočty spolehlivosti: Provádění výpočtů spolehlivosti, jako je střední doba do poruchy (MTTF) a střední doba opravy (MTTR), za účelem stanovení celkového performence level systému.

Implementace a integrace

Po navržení řídicího systému následuje jeho implementace a integrace se strojem. Tato etapa zahrnuje:

• Instalace komponent: Montáž vybraných komponent v souladu s návrhem.
• Integrace systémů: Propojení jednotlivých částí řídicího systému tak, aby byla zajištěna jejich spolupráce a kompatibilita.
• Funkční zkoušky: Provedení funkčních zkoušek s cílem ověřit, že systém pracuje v souladu s předpoklady návrhu.

Verifikace a validace

Klíčovým prvkem souladu s normou ČSN EN ISO 13849-1 je proces verifikace a validace, který zahrnuje:

• Ověření návrhu: Kontrola, zda návrh řídicího systému splňuje všechny stanovené požadavky.
• Validační zkoušky: Provedení validačních zkoušek, které zahrnují simulace i praktické testy, aby bylo zajištěno, že systém pracuje v souladu s požadavky na performance level.
• Dokumentace: Vypracování podrobné dokumentace obsahující výsledky zkoušek a analýz, která potvrzuje shodu systému s normou.

Příklad výpočtů pro PL e a PL c

Výpočty pro úrovně vlastností PL e a PL c jsou zásadní pro zajištění toho, aby bezpečnostní řídicí systémy splňovaly požadované standardy spolehlivosti. Níže uvádím příklady výpočtů pro obě úrovně.

Příklad 1: Výpočty pro PL e

Popis systému:

• Řídicí systém výrobního stroje s funkcí nouzového zastavení (E-Stop).
• Architektura: kategorie 4, se dvěma kanály a monitorováním.
• Je požadováno dosažení úrovně PL e.

Kroky výpočtu:

1. Určení komponent systému:
   • Dvě tlačítka E-Stop (dvoukanálové zapojení).
   • Dvě bezpečnostní relé.
   • PLC s bezpečnostními funkcemi.
2. Střední doba do nebezpečné poruchy (MTTF_d):
   • Každé tlačítko E-Stop má MTTF_d = 100 let.
   • Každé bezpečnostní relé má MTTF_d = 50 let.
   • PLC má MTTF_d = 30 let.
3. Diagnostické pokrytí (DC):
   • Diagnostické pokrytí pro kategorii 4 činí 99 % (0.99).
4. Koeficient poruch ze společné příčiny (CCF):
   • Hodnota CCF pro kategorii 4 je nejméně 65 %.
5. Výpočet MTTF_d celého systému:
   • Tlačítka E-Stop (dvoukanálové zapojení): 1 / (1 / 100 + 1 / 100) = 50 let.
   • Bezpečnostní relé: 1 / (1 / 50 + 1 / 50) = 25 let.
   • PLC: 1 / (1 / 30 + 1 / 30) = 15 let.
6. Výpočet MTTF_d systému:
   • Kombinace všech prvků: 1 / (1 / 50 + 1 / 25 + 1 / 15) = 9.68 let.
7. Výpočet PFH (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • PFH pro PL e musí být nižší než 10^-8 za hodinu.
   • Při použití hodnot MTTF_d a DC: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (9.68 * 365 * 24) * (1 – 0.99) = 1.18 * 10^-8

Závěr: Systém nedosahuje PL e, protože vypočtené PFH nespadá do požadované hodnoty pro PL e.

Příklad 2: Výpočty pro PL c

Popis systému:

• Řídicí systém stroje s funkcí kontroly bezpečnostního krytu.
• Architektura: kategorie 2, s periodickým monitorováním.
• Je požadováno dosažení úrovně PL c.

Kroky výpočtu:

1. Určení komponent systému:
   • Bezpečnostní kryt se snímačem polohy.
   • Bezpečnostní relé.
   • PLC s bezpečnostními funkcemi.
2. Střední doba do nebezpečné poruchy (MTTF_d):
   • Bezpečnostní kryt: MTTF_d = 20 let.
   • Bezpečnostní relé: MTTF_d = 50 let.
   • PLC: MTTF_d = 30 let.
3. Diagnostické pokrytí (DC):
   • Diagnostické pokrytí pro kategorii 2 činí 90 % (0.90).
4. Výpočet MTTF_d celého systému:
   • Bezpečnostní kryt: MTTF_d = 20 let.
   • Bezpečnostní relé: MTTF_d = 50 let.
   • PLC: MTTF_d = 30 let.
5. Výpočet MTTF_d systému:
   • Kombinace všech prvků: 1 / (1 / 20 + 1 / 50 + 1 / 30) = 10.64 let.
6. Výpočet PFH (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • PFH pro PL c musí být nižší než 10^-6 za hodinu.
   • Při použití hodnot MTTF_d a DC: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (10.64 * 365 * 24) * (1 – 0.90) = 1.08 * 10^-6

Závěr: Systém nedosahuje PL c, protože vypočtené PFH nespadá do požadované hodnoty pro PL c.

Srovnání s normou ČSN EN IEC 62061

Norma ČSN EN 62061, která se týká funkční bezpečnosti elektrických, elektronických a programovatelných elektronických řídicích systémů souvisejících s bezpečností, je často porovnávána s ČSN EN ISO 13849-1. Obě normy mají za cíl zajistit bezpečnost strojů, liší se však svým přístupem i rozsahem.

• Rozsah: ČSN EN IEC 62061 se zaměřuje především na elektrické, elektronické a programovatelné systémy, zatímco ČSN EN ISO 13849-1 pokrývá širší spektrum technologií, včetně mechanických a hydraulických.
• Úroveň podrobnosti: ČSN EN 62061 je podrobnější z hlediska technických požadavků na elektronické systémy, zatímco ČSN EN ISO 13849-1 nabízí obecnější přístup, který lze uplatnit v různých technologiích.
• Posouzení rizik: Obě normy vyžadují provedení analýzy rizik, ale ČSN EN IEC 62061 klade větší důraz na podrobné hodnocení rizik a zavedení kontrolních opatření v programovatelných systémech.

Role performence level v průmyslové automatizaci

Performence level je nepostradatelnou součástí automatizace výrobních procesů, kde jsou klíčové přesnost a spolehlivost. Zavedení odpovídajícího performence level v řídicích systémech strojů přímo ovlivňuje jejich efektivitu i provozní bezpečnost. Příkladem využití performence level je návrh výrobních linek, kde každý stroj musí splňovat stanovené bezpečnostní požadavky, aby byla zajištěna plynulost a bezporuchový chod celého výrobního procesu. Automatizace výrobních procesů vyžaduje nejen vysoký výkon, ale také soulad s bezpečnostními normami, čehož je dosaženo díky správně stanovenému performence level.

Audit bezpečnosti a performence level

Audit bezpečnosti je proces, při němž se posuzuje shoda strojů s požadavky bezpečnostních norem, včetně performence level. Integrátoři průmyslové automatizace hrají při provádění těchto auditů klíčovou roli, protože zajišťují, aby systémy splňovaly nejvyšší bezpečnostní standardy. Performence level se hodnotí na základě analýzy rizik a funkčních zkoušek, které ověřují, zda řídicí systémy pracují v souladu s projektovými předpoklady a normami. Audit bezpečnosti může zahrnovat také analýzu technické dokumentace, provádění ověřovacích zkoušek a inspekci strojů za účelem identifikace potenciálních nebezpečí.

Navrhování strojů v souladu s požadavky performence level

Navrhování strojů vyžaduje zohlednění různých mechanických a elektronických aspektů, aby byly splněny požadavky performence level. Mechanické soustavy, jako jsou pneumatické a hydraulické systémy, musí být pečlivě pevnostně dimenzovány, aby byla zajištěna jejich spolehlivost a bezpečnost v různých provozních podmínkách. Elektronické systémy pak musí zajišťovat spolehlivost a funkční bezpečnost, což je zvlášť důležité u řídicích systémů. Performence level stanovuje minimální požadavky, které musí řídicí systémy splnit, aby se minimalizovalo riziko poruchy. V rámci návrhu konstrukční kancelář zohledňuje také požadavky harmonizovaných norem, jako jsou ČSN EN ISO 13849-1 a ČSN EN 62061, které upřesňují požadavky pro oba typy soustav a zajišťují komplexní přístup k bezpečnosti strojů.

CE certifikace strojů a performence level

Norma ČSN EN ISO 13849-1 stanovuje požadavky týkající se CE certifikace strojů se zaměřením na bezpečnostní aspekty spojené s performence level. CE certifikace je nezbytná, aby stroje mohly být legálně uvedeny na trh v Evropské unii. Norma ČSN EN 62061, která se rovněž týká funkční bezpečnosti, zavádí další požadavky pro elektronické a programovatelné systémy, čímž zvyšuje komplexnost certifikačního procesu. Obě normy jsou harmonizovány se směrnicí o strojních zařízeních 2006/42/EC, což znamená, že splnění jejich požadavků je rovnocenné zajištění souladu s evropskými bezpečnostními předpisy.

Performence level a přizpůsobení strojů minimálním požadavkům

Přizpůsobení strojů minimálním požadavkům v souladu s performence level vyžaduje přesně stanovené postupy a pravidelné audity. Praktické příklady ukazují, jak se tyto postupy uplatňují v různých odvětvích a zajišťují bezpečnost i soulad s předpisy. Performence level je klíčovým prvkem v procesu modernizace strojů, kdy se stávající zařízení přizpůsobují novým bezpečnostním standardům. Tento proces zahrnuje mimo jiné analýzu rizik, úpravu stávajících řídicích systémů a provedení zkoušek a ověření, aby bylo zajištěno, že stroje splňují aktuální bezpečnostní požadavky. Přizpůsobení strojů minimálním požadavkům v souladu s performence level je zásadní pro zajištění jejich bezpečného a efektivního provozu.

Význam pro Průmysl 4.0

Norma ČSN EN ISO 13849-1 má zásadní význam v kontextu Průmyslu 4.0, který se vyznačuje vysokou mírou automatizace a integrace systémů. V rámci Průmyslu 4.0 musí být řídicí systémy nejen spolehlivé, ale také flexibilní a škálovatelné, aby dokázaly reagovat na dynamicky se měnící požadavky výroby. Performence level definovaný v normě ČSN EN ISO 13849-1 zajišťuje, že řídicí systémy jsou navrhovány s ohledem na nejvyšší bezpečnostní standardy, což je v komplexních a automatizovaných výrobních prostředích nezbytné.

Performence Level: Shrnutí

Norma ČSN EN ISO 13849-1 je klíčovým dokumentem pro zajištění bezpečnosti strojů a řídicích systémů. Díky jejímu splnění si mohou firmy být jisté, že jejich řídicí systémy odpovídají nejnovějším bezpečnostním požadavkům, a tím minimalizují riziko poruch a nehod. Performence level je ústředním prvkem této normy a definuje požadavky na spolehlivost a funkčnost řídicích systémů. Dodržování normy ČSN EN ISO 13849-1 je nezbytné pro získání označení CE a pro zajištění toho, aby stroje uváděné na evropský trh byly bezpečné pro uživatele i pracovní prostředí.