Suorituskykytaso: avain koneiden turvallisuuteen

Johdatus käsitteeseen performence level

Nykypäivän nopeasti kehittyvässä teollisuusautomaation maailmassa performence level on keskeisessä roolissa koneiden ja laitteiden turvallisuuden varmistamisessa. Performence level tarkoittaa järjestelmän kykyä saavuttaa määritetty turvallisuustaso siten, että vikojen ja onnettomuuksien riski minimoidaan. Konedirektiivin 2006/42/EC näkökulmasta tyypin B yhdenmukaistetut standardit, kuten SFS-EN ISO 13849-1, määrittelevät yleiset suunnitteluperiaatteet, jotka koneiden on täytettävä saadakseen CE-merkinnän. Performence level on yksi näiden standardien keskeisistä osa-alueista, ja se vaikuttaa koneiden sekä tuotantolinjojen turvallisuuden suunnitteluun, auditointiin ja hallintaan kaikilla tasoilla.

Johdatus standardiin SFS-EN ISO 13849-1

SFS-EN ISO 13849-1 on koneiden turvallisuuden kannalta keskeinen standardi, jossa määritellään turvallisuuteen liittyvien ohjausjärjestelmien suunnittelua, toteutusta ja arviointia koskevat vaatimukset. Sen päätavoitteena on varmistaa, että nämä järjestelmät täyttävät asianmukaiset luotettavuus- ja toiminnallisuusvaatimukset ja että sellaisten vikojen riski, jotka voisivat aiheuttaa vaaratilanteita käyttäjille ja työympäristölle, minimoidaan. Tämä standardi on yhdenmukaistettu konedirektiivin 2006/42/EC kanssa, mikä tarkoittaa, että sen vaatimusten täyttäminen on olennaista, jotta Euroopan markkinoille saatettaville koneille ja laitteille voidaan saada CE-merkintä.

Peruskäsitteet ja standardin soveltamisala

SFS-EN ISO 13849-1 määrittelee performence levelin (PL) järjestelmän kykynä saavuttaa määritetty turvallisuustaso. Tätä mitataan viidessä luokassa PL a:sta PL e:hen, joista PL e on korkein turvallisuustaso. Performence level riippuu useista tekijöistä, kuten järjestelmän arkkitehtuurista, diagnostiikasta ja komponenttien luotettavuudesta.

Standardi kattaa laajan joukon turvallisuuteen liittyvien ohjausjärjestelmien suunnitteluun ja arviointiin liittyviä osa-alueita, kuten:

• Riskianalyysi: koneen toimintaan liittyvien mahdollisten vaarojen tunnistaminen ja riskien arviointi.
• Turvallisuusvaatimusten määrittely: niiden turvallisuustoimintojen vaatimusten määrittäminen, jotka ohjausjärjestelmän on täytettävä.
• Ohjausjärjestelmien suunnittelu: määritettyä performence leveliä vastaavien järjestelmien suunnittelu ja toteutus.
• Arviointi ja todentaminen: testien ja analyysien suorittaminen sen varmistamiseksi, että järjestelmät täyttävät standardin vaatimukset.

Riskianalyysi ja turvallisuusvaatimusten määrittäminen

Ensimmäinen vaihe SFS-EN ISO 13849-1 -standardin mukaisuuden saavuttamisessa on yksityiskohtaisen riskianalyysin tekeminen. Tämän analyysin tarkoituksena on tunnistaa mahdolliset vaarat ja arvioida kuhunkin niistä liittyvä riski. Riskianalyysin tulosten perusteella määritetään ohjausjärjestelmiä koskevat turvallisuusvaatimukset.

Riskianalyysin keskeinen työkalu on riskianalyysi standardin SFS-EN ISO 12100 mukaisesti, joka tarjoaa menetelmän riskien järjestelmälliseen arviointiin. Tämä menetelmä sisältää vaarojen tunnistamisen, riskien arvioinnin sekä niiden hallintatoimenpiteiden määrittämisen, joiden tarkoituksena on pienentää riski hyväksyttävälle tasolle.

Ohjausjärjestelmien suunnittelu

SFS-EN ISO 13849-1 -standardin mukaisten ohjausjärjestelmien suunnittelu sisältää useita keskeisiä vaiheita, kuten:

• Turvallisuustoimintojen määrittely: sen määrittäminen, mitkä ohjaustoiminnot ovat turvallisuuden kannalta kriittisiä ja mitä vaatimuksia niihin kohdistuu.
• Komponenttien valinta: sellaisten komponenttien valitseminen, jotka täyttävät luotettavuutta ja diagnostiikkaa koskevat vaatimukset.
• Järjestelmäarkkitehtuuri: ohjausjärjestelmän rakenteen suunnittelu ottaen huomioon redundanssi ja diagnostiikka.
• Luotettavuuslaskelmat: luotettavuuslaskelmien, kuten keskimääräisen vikaan saakka kuluvan ajan (MTTF) ja keskimääräisen korjausajan (MTTR), tekeminen järjestelmän kokonais-performence levelin määrittämiseksi.

Toteutus ja integrointi

Kun ohjausjärjestelmä on suunniteltu, seuraava vaihe on sen toteutus ja integrointi koneeseen. Tämä vaihe sisältää:

• Komponenttien asennus: valittujen komponenttien asentaminen suunnitelman mukaisesti.
• Järjestelmien integrointi: ohjausjärjestelmän eri osien yhdistäminen siten, että niiden yhteistoiminta ja yhteensopivuus varmistetaan.
• Toiminnallinen testaus: toiminnallisten testien suorittaminen sen varmistamiseksi, että järjestelmä toimii suunnitteluoletusten mukaisesti.

Verifiointi ja validointi

SFS-EN ISO 13849-1 -standardin mukaisuuden keskeinen osa on verifiointi- ja validointiprosessi, joka sisältää:

• Suunnitelman verifiointi: Tarkistetaan, että ohjausjärjestelmän suunnitelma täyttää kaikki määritellyt vaatimukset.
• Validointitestit: Suoritetaan validointitestit, joihin sisältyvät simulaatiot ja käytännön testit, jotta voidaan varmistaa, että järjestelmä toimii vaaditun performence level -tason mukaisesti.
• Dokumentaatio: Laaditaan yksityiskohtainen dokumentaatio, joka sisältää testien tulokset ja analyysit sekä vahvistaa järjestelmän standardinmukaisuuden.

Esimerkkilaskelma tasoille PL e ja PL c

Suorituskykytasojen PL e ja PL c laskenta on keskeistä sen varmistamisessa, että turvallisuuteen liittyvät ohjausjärjestelmät täyttävät vaaditut luotettavuusstandardit. Alla on esitetty esimerkkilaskelmat molemmille suorituskykytasoille.

Esimerkki 1: Laskelmat tasolle PL e

Järjestelmän kuvaus:

• Tuotantokoneen ohjausjärjestelmä, jossa on hätäpysäytystoiminto (E-Stop).
• Arkkitehtuuri: kategoria 4, kaksikanavainen rakenne ja valvonta.
• Vaatimuksena on saavuttaa taso PL e.

Laskennan vaiheet:

1. Järjestelmän komponenttien määrittäminen:
   • Kaksi E-Stop-painiketta (kaksikanavainen rakenne).
   • Kaksi turvarelettä.
   • PLC-ohjain, jossa on turvatoiminnot.
2. Keskimääräinen aika vaaralliseen vikaan (MTTF_d):
   • Kunkin E-Stop-painikkeen MTTF_d = 100 vuotta.
   • Kunkin turvareleen MTTF_d = 50 vuotta.
   • PLC-ohjaimen MTTF_d = 30 vuotta.
3. Diagnostiikan kattavuus (DC):
   • Kategorian 4 diagnostiikan kattavuus on 99 % (0.99).
4. Yhteisvikojen kerroin (CCF):
   • Kategorian 4 CCF-arvo on vähintään 65 %.
5. Koko järjestelmän MTTF_d-arvon laskenta:
   • E-Stop-painikkeet (kaksikanavainen rakenne): 1 / (1 / 100 + 1 / 100) = 50 vuotta.
   • Turvareleet: 1 / (1 / 50 + 1 / 50) = 25 vuotta.
   • PLC-ohjain: 1 / (1 / 30 + 1 / 30) = 15 vuotta.
6. Järjestelmän MTTF_d-arvon laskenta:
   • Kaikkien elementtien yhdistelmä: 1 / (1 / 50 + 1 / 25 + 1 / 15) = 9.68 vuotta.
7. PFH:n laskenta (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • Tason PL e PFH:n on oltava alle 10^-8 tunnissa.
   • Käyttämällä MTTF_d– ja DC-arvoja: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (9.68 * 365 * 24) * (1 – 0.99) = 1.18 * 10^-8

Johtopäätös: Järjestelmä ei saavuta tasoa PL e, koska laskettu PFH ei ole PL e -tasolle vaaditun arvon rajoissa.

Esimerkki 2: Laskelmat tasolle PL c

Järjestelmän kuvaus:

• Koneen ohjausjärjestelmä, jossa on turvasuojuksen valvontatoiminto.
• Arkkitehtuuri: kategoria 2, jossa on määräaikainen valvonta.
• Vaatimuksena on saavuttaa taso PL c.

Laskennan vaiheet:

1. Järjestelmän komponenttien määrittäminen:
   • Turvasuojus, jossa on asentoanturi.
   • Turvarele.
   • PLC-ohjain, jossa on turvatoiminnot.
2. Keskimääräinen aika vaaralliseen vikaan (MTTF_d):
   • Turvasuojus: MTTF_d = 20 vuotta.
   • Turvarele: MTTF_d = 50 vuotta.
   • PLC-ohjain: MTTF_d = 30 vuotta.
3. Diagnostiikan kattavuus (DC):
   • Kategorian 2 diagnostiikan kattavuus on 90 % (0.90).
4. Koko järjestelmän MTTF_d-arvon laskenta:
   • Turvasuojus: MTTF_d = 20 vuotta.
   • Turvarele: MTTF_d = 50 vuotta.
   • PLC-ohjain: MTTF_d = 30 vuotta.
5. Järjestelmän MTTF_d-arvon laskenta:
   • Kaikkien elementtien yhdistelmä: 1 / (1 / 20 + 1 / 50 + 1 / 30) = 10.64 vuotta.
6. PFH:n laskenta (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • Tason PL c PFH:n on oltava alle 10^-6 tunnissa.
   • Käyttämällä MTTF_d– ja DC-arvoja: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (10.64 * 365 * 24) * (1 – 0.90) = 1.08 * 10^-6

Johtopäätös: Järjestelmä ei saavuta tasoa PL c, koska laskettu PFH ei ole PL c -tasolle vaaditun arvon rajoissa.

Vertailu standardiin SFS-EN IEC 62061

Standardia SFS-EN 62061, joka koskee turvallisuuteen liittyvien sähköisten, elektronisten ja ohjelmoitavien ohjausjärjestelmien toiminnallista turvallisuutta, verrataan usein standardiin SFS-EN ISO 13849-1. Molempien standardien tavoitteena on varmistaa koneiden turvallisuus, mutta niiden lähestymistapa ja soveltamisala eroavat toisistaan.

• Soveltamisala: SFS-EN IEC 62061 keskittyy pääasiassa sähköisiin, elektronisiin ja ohjelmoitaviin järjestelmiin, kun taas SFS-EN ISO 13849-1 kattaa laajemman teknologia-alueen, mukaan lukien mekaaniset ja hydrauliset ratkaisut.
• Yksityiskohtaisuuden taso: SFS-EN 62061 on yksityiskohtaisempi elektronisten järjestelmien teknisten vaatimusten osalta, kun taas SFS-EN ISO 13849-1 tarjoaa yleisemmän lähestymistavan, jota voidaan soveltaa eri teknologioihin.
• Riskin arviointi: Molemmat standardit edellyttävät riskianalyysin tekemistä, mutta SFS-EN IEC 62061 painottaa enemmän yksityiskohtaista riskin arviointia ja hallintatoimenpiteiden käyttöönottoa ohjelmoitavissa järjestelmissä.

Performence levelin rooli teollisuusautomaatiossa

Performence level on olennainen osa tuotantoprosessien automatisointia, jossa tarkkuus ja luotettavuus ovat ratkaisevan tärkeitä. Asianmukaisen performence levelin toteuttaminen koneiden ohjausjärjestelmissä vaikuttaa suoraan niiden tehokkuuteen ja käyttöturvallisuuteen. Esimerkki performence levelin soveltamisesta on tuotantolinjojen suunnittelu, jossa jokaisen koneen on täytettävä tietyt turvallisuusvaatimukset koko tuotantoprosessin sujuvuuden ja häiriöttömyyden varmistamiseksi. Tuotantoprosessien automatisointi edellyttää tehokkuuden lisäksi myös turvallisuusstandardien noudattamista, mikä saavutetaan asianmukaisesti määritellyn performence levelin avulla.

Turvallisuusauditointi ja performence level

Turvallisuusauditointi on prosessi, jossa arvioidaan koneiden vaatimustenmukaisuutta turvallisuusstandardien vaatimuksiin nähden, mukaan lukien performence level. Teollisuusautomaation integraattoreilla on keskeinen rooli tällaisten auditointien toteuttamisessa, sillä ne varmistavat, että järjestelmät täyttävät korkeimmat turvallisuusvaatimukset. Performence level arvioidaan riskianalyysin ja toimintatestien perusteella, joilla varmistetaan, että ohjausjärjestelmät toimivat suunnitteluoletusten ja standardien mukaisesti. Turvallisuusauditointi voi sisältää myös teknisen dokumentaation analysoinnin, tarkastustestien suorittamisen sekä koneiden tarkastuksen mahdollisten vaarojen tunnistamiseksi.

Koneiden suunnittelu performence level -vaatimusten mukaisesti

Koneiden suunnittelussa on otettava huomioon erilaiset mekaaniset ja elektroniset näkökohdat, jotta performence level -vaatimukset täyttyvät. Mekaaniset järjestelmät, kuten pneumaattiset ja hydrauliset järjestelmät, on mitoitettava huolellisesti lujuuden kannalta niiden luotettavuuden ja turvallisuuden varmistamiseksi erilaisissa käyttöolosuhteissa. Elektronisten järjestelmien puolestaan on taattava luotettavuus ja toiminnallinen turvallisuus, mikä on erityisen tärkeää ohjausjärjestelmissä. Performence level määrittää vähimmäisvaatimukset, jotka ohjausjärjestelmien on täytettävä vikojen riskin minimoimiseksi. Suunnittelussa suunnittelutoimisto ottaa huomioon myös yhdenmukaistettujen standardien, kuten SFS-EN ISO 13849-1 ja SFS-EN 62061, vaatimukset, jotka täsmentävät molempien järjestelmätyyppien vaatimukset ja varmistavat kokonaisvaltaisen lähestymistavan koneturvallisuuteen.

Koneiden CE-sertifiointi ja performence level

Standardi SFS-EN ISO 13849-1 määrittää koneiden CE-sertifiointia koskevat vaatimukset keskittyen performence level -tasoon liittyviin turvallisuusnäkökohtiin. CE-sertifiointi on välttämätön, jotta koneet voidaan saattaa laillisesti markkinoille Euroopan unionin alueella. Myös toiminnallista turvallisuutta koskeva standardi SFS-EN 62061 tuo lisävaatimuksia elektronisille ja ohjelmoitaville järjestelmille, mikä lisää sertifiointiprosessin monimutkaisuutta. Molemmat standardit on yhdenmukaistettu konedirektiivin 2006/42/EC kanssa, mikä tarkoittaa, että niiden vaatimusten täyttäminen vastaa eurooppalaisten turvallisuusmääräysten mukaisuuden varmistamista.

Performence level ja koneiden saattaminen vähimmäisvaatimusten mukaisiksi

Koneiden saattaminen vähimmäisvaatimusten mukaisiksi performence level -vaatimusten mukaisesti edellyttää tarkkoja menettelyjä ja säännöllisiä auditointeja. Käytännön esimerkit osoittavat, miten näitä menettelyjä sovelletaan eri toimialoilla turvallisuuden ja määräystenmukaisuuden varmistamiseksi. Performence level on keskeinen osa koneiden modernisointiprosessia, jossa olemassa olevat laitteet mukautetaan uusiin turvallisuusstandardeihin. Prosessi sisältää muun muassa riskianalyysin, olemassa olevien ohjausjärjestelmien mukauttamisen sekä testauksen ja varmennuksen, jotta voidaan varmistaa koneiden täyttävän ajantasaiset turvallisuusvaatimukset. Koneiden saattaminen vähimmäisvaatimusten mukaisiksi performence level -vaatimusten mukaisesti on ratkaisevan tärkeää niiden turvallisen ja tehokkaan toiminnan varmistamiseksi.

Merkitys Teollisuus 4.0:lle

Standardilla SFS-EN ISO 13849-1 on keskeinen merkitys Teollisuus 4.0:n yhteydessä, jolle on ominaista korkea automaatioaste ja järjestelmien integraatio. Teollisuus 4.0:ssa ohjausjärjestelmien on oltava paitsi luotettavia myös joustavia ja skaalautuvia, jotta ne vastaavat tuotannon nopeasti muuttuviin vaatimuksiin. Standardissa SFS-EN ISO 13849-1 määritelty performence level varmistaa, että ohjausjärjestelmät suunnitellaan korkeimpien turvallisuusvaatimusten mukaisesti, mikä on välttämätöntä monimutkaisissa ja automatisoiduissa tuotantoympäristöissä.

Performence Level: Yhteenveto

Standardi SFS-EN ISO 13849-1 on keskeinen asiakirja koneiden ja ohjausjärjestelmien turvallisuuden varmistamisessa. Sen vaatimusten täyttämisen ansiosta yritykset voivat varmistua siitä, että niiden ohjausjärjestelmät ovat uusimpien turvallisuusvaatimusten mukaisia, mikä minimoi vikojen ja onnettomuuksien riskin. Performence level on tämän standardin keskeinen osa, joka määrittää ohjausjärjestelmien luotettavuutta ja toimivuutta koskevat vaatimukset. Standardin SFS-EN ISO 13849-1 noudattaminen on välttämätöntä CE-merkinnän saamiseksi ja sen varmistamiseksi, että Euroopan markkinoille saatettavat koneet ovat turvallisia käyttäjille ja työympäristölle.