Nivel de prestaciones: la clave para la seguridad de las máquinas

Introducción al concepto de performence level

En el dinámico mundo actual de la automatización industrial, el performence level desempeña un papel clave para garantizar la seguridad de máquinas y equipos. El performence level es el grado de capacidad de un sistema para alcanzar un nivel de seguridad determinado, minimizando el riesgo de fallos y accidentes. En el contexto de la Directiva de Máquinas 2006/42/CE, las normas armonizadas de tipo B, como la UNE-EN ISO 13849-1, definen los principios generales de diseño que deben cumplirse para que las máquinas puedan obtener el marcado CE. El performence level es uno de los elementos clave de estas normas y afecta a todos los aspectos del diseño, la auditoría y la gestión de la seguridad de las máquinas y de las líneas de producción.

Introducción a la norma UNE-EN ISO 13849-1

La norma UNE-EN ISO 13849-1 es un documento fundamental en el ámbito de la seguridad de las máquinas, ya que establece los requisitos para el diseño, la implementación y la evaluación de los sistemas de mando relacionados con la seguridad. Su objetivo principal es garantizar que estos sistemas cumplan los niveles adecuados de fiabilidad y funcionalidad, minimizando el riesgo de fallos que puedan dar lugar a peligros para los operarios y el entorno de trabajo. Esta norma está armonizada con la Directiva de Máquinas 2006/42/CE, lo que significa que su cumplimiento es esencial para obtener el marcado CE de las máquinas y equipos comercializados en el mercado europeo.

Conceptos básicos y alcance de la norma

La norma UNE-EN ISO 13849-1 define el performence level (PL) como el grado de capacidad de un sistema para alcanzar un nivel de seguridad determinado, medido en cinco categorías, desde PL a hasta PL e, donde PL e es el nivel de seguridad más alto. El performence level depende de varios factores, como la arquitectura del sistema, el diagnóstico y la fiabilidad de los componentes.

La norma abarca un amplio conjunto de aspectos relacionados con el diseño y la evaluación de los sistemas de mando vinculados a la seguridad, entre ellos:

• Análisis de riesgos: determinación y evaluación de los peligros potenciales asociados al funcionamiento de la máquina.
• Especificación de los requisitos de seguridad: definición de los requisitos relativos a las funciones de seguridad que debe cumplir el sistema de mando.
• Diseño de los sistemas de mando: creación e implementación de sistemas conformes con el performence level especificado.
• Evaluación y verificación: realización de ensayos y análisis para confirmar que los sistemas cumplen los requisitos de la norma.

Análisis de riesgos y determinación de los requisitos de seguridad

El primer paso en el proceso de conformidad con la norma UNE-EN ISO 13849-1 es realizar un análisis de riesgos detallado. Este análisis tiene por objeto identificar los peligros potenciales y evaluar el riesgo asociado a cada uno de ellos. A partir de los resultados del análisis de riesgos, se determinan los requisitos de seguridad para los sistemas de mando.

Una herramienta clave en el análisis de riesgos es el Análisis de Riesgos según UNE-EN ISO 12100, que proporciona una metodología para la evaluación sistemática del riesgo. Esta metodología incluye la identificación de peligros, la evaluación del riesgo y la determinación de las medidas de control destinadas a reducir el riesgo hasta un nivel aceptable.

Diseño de sistemas de mando

El diseño de sistemas de mando conformes con la UNE-EN ISO 13849-1 incluye varias etapas clave, entre ellas:

• Definición de las funciones de seguridad: determinar qué funciones de mando son críticas para la seguridad y cuáles son sus requisitos.
• Selección de componentes: elección de los componentes adecuados que cumplan los requisitos de fiabilidad y diagnóstico.
• Arquitectura del sistema: diseño de la estructura del sistema de mando, teniendo en cuenta la redundancia y el diagnóstico.
• Cálculos de fiabilidad: realización de cálculos de fiabilidad, como el Tiempo Medio hasta el Fallo (MTTF) y el Tiempo Medio de Reparación (MTTR), para determinar el performence level global del sistema.

Implementación e integración

Una vez diseñado el sistema de mando, el siguiente paso es su implementación e integración con la máquina. Esta etapa incluye:

• Instalación de componentes: montaje de los componentes seleccionados conforme al diseño.
• Integración de sistemas: conexión de las distintas partes del sistema de mando, garantizando su cooperación y compatibilidad.
• Pruebas funcionales: realización de pruebas funcionales para comprobar que el sistema funciona de acuerdo con las premisas de diseño.

Verificación y validación

Un elemento clave de la conformidad con la norma UNE-EN ISO 13849-1 es el proceso de verificación y validación, que incluye:

• Verificación del diseño: Comprobación de que el diseño del sistema de control cumple todos los requisitos especificados.
• Ensayos de validación: Realización de ensayos de validación, que incluyen simulaciones y pruebas prácticas, para asegurarse de que el sistema funciona de acuerdo con los requisitos del performence level.
• Documentación: Elaboración de documentación detallada que incluya los resultados de los ensayos y los análisis, confirmando la conformidad del sistema con la norma.

Ejemplo de cálculos para PL e y PL c

Los cálculos para los niveles de prestaciones PL e y PL c son fundamentales para garantizar que los sistemas de control relacionados con la seguridad cumplen los estándares de fiabilidad exigidos. A continuación se presentan ejemplos de cálculo para ambos niveles de prestaciones.

Ejemplo 1: Cálculos para PL e

Descripción del sistema:

• Sistema de control de una máquina de producción con función de parada de emergencia (E-Stop).
• Arquitectura: categoría 4, con doble canal y supervisión.
• Se requiere alcanzar el nivel PL e.

Pasos del cálculo:

1. Determinación de los componentes del sistema:
   • Dos pulsadores E-Stop (doble canal).
   • Dos relés de seguridad.
   • PLC con funciones de seguridad.
2. Tiempo medio hasta un fallo peligroso (MTTF_d):
   • Cada pulsador E-Stop tiene un MTTF_d = 100 años.
   • Cada relé de seguridad tiene un MTTF_d = 50 años.
   • El PLC tiene un MTTF_d = 30 años.
3. Cobertura diagnóstica (DC):
   • La cobertura diagnóstica para la categoría 4 es del 99% (0.99).
4. Factor de fallos por causa común (CCF):
   • El valor de CCF para la categoría 4 es de al menos 65%.
5. Cálculo del MTTF_d del sistema completo:
   • Pulsadores E-Stop (doble canal): 1 / (1 / 100 + 1 / 100) = 50 años.
   • Relés de seguridad: 1 / (1 / 50 + 1 / 50) = 25 años.
   • PLC: 1 / (1 / 30 + 1 / 30) = 15 años.
6. Cálculo del MTTF_d del sistema:
   • Combinación de todos los elementos: 1 / (1 / 50 + 1 / 25 + 1 / 15) = 9.68 años.
7. Cálculo del PFH (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • El PFH para PL e debe ser inferior a 10^-8 por hora.
   • Utilizando los valores de MTTF_d y DC: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (9.68 * 365 * 24) * (1 – 0.99) = 1.18 * 10^-8

Conclusión: El sistema no alcanza PL e, porque el PFH calculado no se encuentra dentro del valor exigido para PL e.

Ejemplo 2: Cálculos para PL c

Descripción del sistema:

• Sistema de control de una máquina con función de supervisión del resguardo de seguridad.
• Arquitectura: categoría 2, con supervisión periódica.
• Se requiere alcanzar el nivel PL c.

Pasos del cálculo:

1. Determinación de los componentes del sistema:
   • Resguardo de seguridad con sensor de posición.
   • Relé de seguridad.
   • PLC con funciones de seguridad.
2. Tiempo medio hasta un fallo peligroso (MTTF_d):
   • Resguardo de seguridad: MTTF_d = 20 años.
   • Relé de seguridad: MTTF_d = 50 años.
   • PLC: MTTF_d = 30 años.
3. Cobertura diagnóstica (DC):
   • La cobertura diagnóstica para la categoría 2 es del 90% (0.90).
4. Cálculo del MTTF_d del sistema completo:
   • Resguardo de seguridad: MTTF_d = 20 años.
   • Relé de seguridad: MTTF_d = 50 años.
   • PLC: MTTF_d = 30 años.
5. Cálculo del MTTF_d del sistema:
   • Combinación de todos los elementos: 1 / (1 / 20 + 1 / 50 + 1 / 30) = 10.64 años.
6. Cálculo del PFH (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • El PFH para PL c debe ser inferior a 10^-6 por hora.
   • Utilizando los valores de MTTF_d y DC: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (10.64 * 365 * 24) * (1 – 0.90) = 1.08 * 10^-6

Conclusión: El sistema no alcanza PL c, porque el PFH calculado no se encuentra dentro del valor exigido para PL c.

Comparación con la norma UNE-EN IEC 62061

La norma UNE-EN 62061, relativa a la seguridad funcional de los sistemas de control eléctricos, electrónicos y electrónicos programables relacionados con la seguridad, se compara con frecuencia con UNE-EN ISO 13849-1. Ambas normas tienen como objetivo garantizar la seguridad de las máquinas, pero difieren en su enfoque y alcance.

• Alcance: UNE-EN IEC 62061 se centra principalmente en los sistemas eléctricos, electrónicos y programables, mientras que UNE-EN ISO 13849-1 abarca un espectro tecnológico más amplio, incluidas las tecnologías mecánicas e hidráulicas.
• Nivel de detalle: UNE-EN 62061 es más específica en cuanto a los requisitos técnicos aplicables a los sistemas electrónicos, mientras que UNE-EN ISO 13849-1 ofrece un enfoque más general que puede aplicarse a distintas tecnologías.
• Evaluación del riesgo: Ambas normas exigen realizar un análisis de riesgos, pero UNE-EN IEC 62061 pone mayor énfasis en la evaluación detallada del riesgo y en la implantación de medidas de control en los sistemas programables.

Papel del performence level en la automatización industrial

El performence level es un elemento indispensable en la automatización industrial de los procesos de producción, donde la precisión y la fiabilidad son fundamentales. La implantación del performence level adecuado en los sistemas de mando de las máquinas influye directamente en su eficiencia y en la seguridad operativa. Un ejemplo de aplicación del performence level es el diseño de líneas de producción, en las que cada máquina debe cumplir unos requisitos de seguridad determinados para garantizar la continuidad y el funcionamiento sin fallos de todo el proceso productivo. La automatización de los procesos de producción exige no solo eficiencia, sino también conformidad con las normas de seguridad, algo que se consigue mediante un performence level correctamente definido.

Auditoría de seguridad y performence level

La auditoría de seguridad es un proceso que evalúa la conformidad de las máquinas con los requisitos de las normas de seguridad, incluido el performence level. Los integradores de automatización industrial desempeñan un papel clave en la realización de estas auditorías, garantizando que los sistemas cumplan los más altos estándares de seguridad. El performence level se evalúa a partir del análisis de riesgos y de pruebas funcionales que verifican si los sistemas de control funcionan de acuerdo con los supuestos de diseño y las normas aplicables. La auditoría de seguridad también puede incluir el análisis de la documentación técnica, la realización de pruebas de comprobación y la inspección de las máquinas para identificar posibles peligros.

Diseño de máquinas conforme a los requisitos de performence level

El diseño de máquinas exige tener en cuenta distintos aspectos mecánicos y electrónicos para cumplir los requisitos de performence level. Los sistemas mecánicos, como los neumáticos e hidráulicos, deben calcularse cuidadosamente en términos de resistencia para garantizar su fiabilidad y seguridad en diferentes condiciones de funcionamiento. Por su parte, los sistemas electrónicos deben asegurar la fiabilidad y la seguridad funcional, algo especialmente importante en el caso de los sistemas de control. El performence level define los requisitos mínimos que deben cumplir los sistemas de control para minimizar el riesgo de fallo. En el marco del diseño, la oficina técnica también tiene en cuenta los requisitos de las normas armonizadas, como UNE-EN ISO 13849-1 y UNE-EN 62061, que especifican los requisitos para ambos tipos de sistemas y garantizan un enfoque integral de la seguridad de las máquinas.

Certificación CE de máquinas y performence level

La norma UNE-EN ISO 13849-1 establece los requisitos relativos a la certificación CE de máquinas, centrándose en los aspectos de seguridad vinculados al performence level. La certificación CE es necesaria para que las máquinas puedan comercializarse legalmente en la Unión Europea. La norma UNE-EN 62061, que también se refiere a la seguridad funcional, introduce requisitos adicionales para los sistemas electrónicos y programables, lo que incrementa la complejidad del proceso de certificación. Ambas normas están armonizadas con la Directiva de Máquinas 2006/42/CE, lo que significa que cumplir sus requisitos equivale a garantizar la conformidad con la normativa europea de seguridad.

Performence level y adaptación de las máquinas a los requisitos mínimos

La adaptación de las máquinas a los requisitos mínimos conforme al performence level requiere procedimientos precisos y auditorías periódicas. Los ejemplos prácticos muestran cómo se aplican estos procedimientos en distintos sectores, garantizando la seguridad y el cumplimiento normativo. El performence level es un elemento clave en el proceso de modernización de máquinas, en el que los equipos existentes se adaptan a los nuevos estándares de seguridad. Este proceso incluye, entre otros aspectos, el análisis de riesgos, la adaptación de los sistemas de control existentes y la realización de ensayos y verificaciones para asegurar que las máquinas cumplen los requisitos de seguridad vigentes. La adaptación de las máquinas a los requisitos mínimos conforme al performence level es fundamental para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente.

Importancia para la Industria 4.0

La norma UNE-EN ISO 13849-1 tiene una importancia clave en el contexto de la Industria 4.0, caracterizada por un alto grado de automatización e integración de sistemas. En el marco de la Industria 4.0, los sistemas de control no solo deben ser fiables, sino también flexibles y escalables para responder a las exigencias cambiantes de la producción. El performence level definido en la norma UNE-EN ISO 13849-1 garantiza que los sistemas de control se diseñen conforme a los más altos estándares de seguridad, lo cual es indispensable en entornos de producción complejos y automatizados.

Performence Level: Resumen

La norma UNE-EN ISO 13849-1 es un documento clave para garantizar la seguridad de las máquinas y de los sistemas de control. Gracias a su cumplimiento, las empresas pueden tener la certeza de que sus sistemas de control se ajustan a los requisitos de seguridad más recientes, minimizando el riesgo de fallos y accidentes. El performence level es el elemento central de esta norma, ya que define los requisitos relativos a la fiabilidad y la funcionalidad de los sistemas de control. El cumplimiento de la norma UNE-EN ISO 13849-1 es indispensable para obtener el marcado CE y garantizar que las máquinas introducidas en el mercado europeo sean seguras para los usuarios y el entorno de trabajo.