Niveau de performance : la clé de la sécurité des machines

Introduction au concept de performence level

Dans le monde actuel de l’automatisation industrielle, en constante évolution, le performence level joue un rôle essentiel pour garantir la sécurité des machines et des équipements. Le performence level correspond au degré de capacité d’un système à atteindre un niveau de sécurité défini, en réduisant au minimum le risque de défaillance et d’accident. Dans le contexte de la Directive Machines 2006/42/CE, les normes harmonisées de type B, telles que la NF EN ISO 13849-1, définissent les principes généraux de conception à respecter pour que les machines puissent obtenir le marquage CE. Le performence level est l’un des éléments clés de ces normes et influe sur tous les aspects de la conception, de l’audit et de la gestion de la sécurité des machines ainsi que des lignes de production.

Introduction à la norme NF EN ISO 13849-1

La norme NF EN ISO 13849-1 est un document de référence en matière de sécurité des machines. Elle définit les exigences relatives à la conception, à la mise en œuvre et à l’évaluation des systèmes de commande liés à la sécurité. Son objectif principal est de garantir que ces systèmes atteignent les niveaux requis de fiabilité et de fonctionnalité, en réduisant le risque de défaillances susceptibles de créer des dangers pour les opérateurs et l’environnement de travail. Cette norme est harmonisée avec la Directive Machines 2006/42/CE, ce qui signifie que son respect est déterminant pour l’obtention du marquage CE des machines et équipements mis sur le marché européen.

Notions de base et champ d’application de la norme

La norme NF EN ISO 13849-1 définit le performence level (PL) comme le degré de capacité d’un système à atteindre un niveau de sécurité déterminé, mesuré selon cinq catégories allant de PL a à PL e, où PL e représente le niveau de sécurité le plus élevé. Le performence level dépend de plusieurs facteurs, notamment l’architecture du système, le diagnostic et la fiabilité des composants.

La norme couvre un large éventail d’aspects liés à la conception et à l’évaluation des systèmes de commande liés à la sécurité, notamment :

• Analyse des risques : identification et évaluation des dangers potentiels liés au fonctionnement de la machine.
• Spécification des exigences de sécurité : définition des exigences applicables aux fonctions de sécurité que le système de commande doit assurer.
• Conception des systèmes de commande : création et mise en œuvre de systèmes conformes au performence level défini.
• Évaluation et vérification : réalisation d’essais et d’analyses afin de confirmer que les systèmes satisfont aux exigences de la norme.

Analyse des risques et définition des exigences de sécurité

La première étape du processus de conformité à la norme NF EN ISO 13849-1 consiste à réaliser une analyse des risques détaillée. Cette analyse vise à identifier les dangers potentiels et à évaluer le risque associé à chacun d’eux. Sur la base des résultats de cette analyse, les exigences de sécurité applicables aux systèmes de commande sont définies.

L’outil clé de cette démarche est l’analyse des risques selon la NF EN ISO 12100, qui fournit une méthodologie pour une évaluation systématique du risque. Cette méthodologie comprend l’identification des dangers, l’évaluation du risque ainsi que la définition des mesures de maîtrise destinées à ramener le risque à un niveau acceptable.

Conception des systèmes de commande

La conception de systèmes de commande conformes à la NF EN ISO 13849-1 comprend plusieurs étapes clés, notamment :

• Définition des fonctions de sécurité : déterminer quelles fonctions de commande sont critiques pour la sécurité et quelles sont les exigences qui leur sont applicables.
• Sélection des composants : choisir les composants appropriés répondant aux exigences de fiabilité et de diagnostic.
• Architecture du système : concevoir la structure du système de commande en tenant compte de la redondance et du diagnostic.
• Calculs de fiabilité : effectuer des calculs de fiabilité, tels que le Temps moyen avant défaillance (MTTF) et le Temps moyen de réparation (MTTR), afin de déterminer le performence level global du système.

Mise en œuvre et intégration

Une fois le système de commande conçu, l’étape suivante consiste à le mettre en œuvre et à l’intégrer à la machine. Cette phase comprend :

• Installation des composants : montage des composants sélectionnés conformément au projet.
• Intégration des systèmes : raccordement des différentes parties du système de commande afin d’assurer leur coopération et leur compatibilité.
• Essais fonctionnels : réalisation d’essais fonctionnels pour vérifier que le système fonctionne conformément aux hypothèses de conception.

Vérification et validation

Un élément essentiel de la conformité à la norme NF EN ISO 13849-1 est le processus de vérification et de validation, qui comprend :

• Vérification de la conception : contrôle visant à confirmer que la conception du système de commande satisfait à toutes les exigences définies.
• Essais de validation : réalisation d’essais de validation, comprenant des simulations et des tests pratiques, afin de vérifier que le système fonctionne conformément aux exigences du performence level.
• Documentation : établissement d’une documentation détaillée regroupant les résultats des essais et des analyses, attestant la conformité du système à la norme.

Exemple de calcul pour PL e et PL c

Les calculs des niveaux de performance PL e et PL c sont essentiels pour garantir que les systèmes de commande liés à la sécurité respectent les niveaux de fiabilité requis. Vous trouverez ci-dessous des exemples de calcul pour chacun de ces deux niveaux de performance.

Exemple 1 : calcul pour PL e

Description du système :

• Système de commande d’une machine de production avec fonction d’arrêt d’urgence (E-Stop).
• Architecture : catégorie 4, avec double canal et surveillance.
• Le niveau PL e doit être atteint.

Étapes du calcul :

1. Détermination des composants du système :
   • Deux boutons E-Stop (double canal).
   • Deux relais de sécurité.
   • Automate PLC avec fonctions de sécurité.
2. Temps moyen avant défaillance dangereuse (MTTF_d) :
   • Chaque bouton E-Stop a un MTTF_d = 100 ans.
   • Chaque relais de sécurité a un MTTF_d = 50 ans.
   • L’automate PLC a un MTTF_d = 30 ans.
3. Couverture diagnostique (DC) :
   • La couverture diagnostique pour la catégorie 4 est de 99% (0.99).
4. Facteur de défaillances de cause commune (CCF) :
   • La valeur CCF pour la catégorie 4 est d’au moins 65%.
5. Calcul du MTTF_d de l’ensemble du système :
   • Boutons E-Stop (double canal) : 1 / (1 / 100 + 1 / 100) = 50 ans.
   • Relais de sécurité : 1 / (1 / 50 + 1 / 50) = 25 ans.
   • Automate PLC : 1 / (1 / 30 + 1 / 30) = 15 ans.
6. Calcul du MTTF_d du système :
   • Combinaison de tous les éléments : 1 / (1 / 50 + 1 / 25 + 1 / 15) = 9.68 ans.
7. Calcul du PFH (Probability of dangerous Failure per Hour) :
   • Pour PL e, le PFH doit être inférieur à 10^-8 par heure.
   • En utilisant les valeurs de MTTF_d et de DC : PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (9.68 * 365 * 24) * (1 – 0.99) = 1.18 * 10^-8

Conclusion : le système n’atteint pas le niveau PL e, car le PFH calculé ne se situe pas dans la plage requise pour PL e.

Exemple 2 : calcul pour PL c

Description du système :

• Système de commande d’une machine avec fonction de surveillance d’un protecteur de sécurité.
• Architecture : catégorie 2, avec surveillance périodique.
• Le niveau PL c doit être atteint.

Étapes du calcul :

1. Détermination des composants du système :
   • Protecteur de sécurité avec capteur de position.
   • Relais de sécurité.
   • Automate PLC avec fonctions de sécurité.
2. Temps moyen avant défaillance dangereuse (MTTF_d) :
   • Protecteur de sécurité : MTTF_d = 20 ans.
   • Relais de sécurité : MTTF_d = 50 ans.
   • Automate PLC : MTTF_d = 30 ans.
3. Couverture diagnostique (DC) :
   • La couverture diagnostique pour la catégorie 2 est de 90% (0.90).
4. Calcul du MTTF_d de l’ensemble du système :
   • Protecteur de sécurité : MTTF_d = 20 ans.
   • Relais de sécurité : MTTF_d = 50 ans.
   • Automate PLC : MTTF_d = 30 ans.
5. Calcul du MTTF_d du système :
   • Combinaison de tous les éléments : 1 / (1 / 20 + 1 / 50 + 1 / 30) = 10.64 ans.
6. Calcul du PFH (Probability of dangerous Failure per Hour) :
   • Pour PL c, le PFH doit être inférieur à 10^-6 par heure.
   • En utilisant les valeurs de MTTF_d et de DC : PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (10.64 * 365 * 24) * (1 – 0.90) = 1.08 * 10^-6

Conclusion : le système n’atteint pas le niveau PL c, car le PFH calculé ne se situe pas dans la plage requise pour PL c.

Comparaison avec la norme NF EN IEC 62061

La norme NF EN 62061, relative à la sécurité fonctionnelle des systèmes de commande électriques, électroniques et électroniques programmables liés à la sécurité, est souvent comparée à la NF EN ISO 13849-1. Ces deux normes visent à garantir la sécurité des machines, mais elles diffèrent par leur approche et leur champ d’application.

• Champ d’application : la NF EN IEC 62061 se concentre principalement sur les systèmes électriques, électroniques et programmables, tandis que la NF EN ISO 13849-1 couvre un éventail technologique plus large, incluant les systèmes mécaniques et hydrauliques.
• Niveau de détail : la NF EN 62061 est plus détaillée en ce qui concerne les exigences techniques applicables aux systèmes électroniques, alors que la NF EN ISO 13849-1 propose une approche plus générale, pouvant être appliquée à différentes technologies.
• Évaluation des risques : les deux normes imposent la réalisation d’une analyse des risques, mais la NF EN IEC 62061 met davantage l’accent sur une évaluation détaillée des risques et sur la mise en œuvre de mesures de maîtrise dans les systèmes programmables.

Rôle du performence level dans l’automatisation industrielle

Le performence level est un élément indispensable de l’automatisation des processus de production, où la précision et la fiabilité sont essentielles. La mise en œuvre d’un performence level approprié dans les systèmes de commande des machines influe directement sur leur efficacité ainsi que sur la sécurité d’exploitation. Un exemple d’application du performence level est la conception de lignes de production, où chaque machine doit satisfaire à des exigences de sécurité définies afin de garantir la continuité et la fiabilité de l’ensemble du processus de production. L’automatisation des processus de production exige non seulement de la performance, mais aussi la conformité aux normes de sécurité, ce qui est rendu possible grâce à un performence level correctement défini.

Audit de sécurité et performence level

L’audit de sécurité est un processus qui évalue la conformité des machines aux exigences des normes de sécurité, y compris le performence level. Les intégrateurs en automatisation industrielle jouent un rôle clé dans la réalisation de ces audits, en veillant à ce que les systèmes respectent les standards de sécurité les plus élevés. Le performence level est évalué sur la base d’une analyse des risques selon ISO 12100 et d’essais fonctionnels permettant de vérifier que les systèmes de commande fonctionnent conformément aux hypothèses de conception et aux normes applicables. L’audit de sécurité peut également inclure l’analyse de la documentation technique, la réalisation d’essais de contrôle ainsi que l’inspection des machines afin d’identifier les dangers potentiels.

Conception des machines conformément aux exigences du performence level

La conception des machines exige de prendre en compte différents aspects mécaniques et électroniques afin de satisfaire aux exigences du performence level. Les systèmes mécaniques, tels que les systèmes pneumatiques et hydrauliques, doivent faire l’objet de calculs rigoureux de résistance pour garantir leur fiabilité et leur sécurité dans différentes conditions de fonctionnement. Quant aux systèmes électroniques, ils doivent assurer la fiabilité et la sécurité fonctionnelle, ce qui est particulièrement important pour les systèmes de commande. Le performence level définit les exigences minimales auxquelles les systèmes de commande doivent répondre afin de réduire au minimum le risque de défaillance. Dans le cadre de la conception, le bureau d’études prend également en compte les exigences des normes harmonisées, telles que NF EN ISO 13849-1 et NF EN 62061, qui précisent les exigences applicables aux deux types de systèmes, garantissant ainsi une approche globale de la sécurité des machines.

Certification CE des machines et performence level

La norme NF EN ISO 13849-1 définit les exigences relatives à la certification CE des machines, en mettant l’accent sur les aspects de sécurité liés au performence level. La certification CE est indispensable pour que les machines puissent être légalement mises sur le marché dans l’Union européenne. La norme NF EN 62061, qui concerne elle aussi la sécurité fonctionnelle, introduit des exigences supplémentaires pour les systèmes électroniques et programmables, ce qui accroît la complexité du processus de certification. Ces deux normes sont harmonisées avec la Directive Machines 2006/42/CE, ce qui signifie que le respect de leurs exigences équivaut à assurer la conformité avec la réglementation européenne en matière de sécurité.

Performence level et adaptation des machines aux exigences minimales

L’adaptation des machines aux exigences minimales conformes au performence level nécessite des procédures rigoureuses et des audits réguliers. Des exemples pratiques montrent comment ces procédures sont appliquées dans différents secteurs, afin de garantir la sécurité et la conformité réglementaire. Le performence level constitue un élément essentiel du processus de modernisation des machines, dans lequel les équipements existants sont adaptés à de nouveaux standards de sécurité. Ce processus comprend notamment l’analyse des risques, l’adaptation des systèmes de commande existants ainsi que la réalisation d’essais et de vérifications pour s’assurer que les machines répondent aux exigences de sécurité en vigueur. L’adaptation des machines aux exigences minimales conformément au performence level est essentielle pour garantir un fonctionnement sûr et efficace.

Importance pour l’Industrie 4.0

La norme NF EN ISO 13849-1 revêt une importance majeure dans le contexte de l’Industrie 4.0, qui se caractérise par un haut niveau d’automatisation et d’intégration des systèmes. Dans le cadre de l’Industrie 4.0, les systèmes de commande doivent être non seulement fiables, mais aussi flexibles et évolutifs, afin de répondre aux exigences de production en constante évolution. Le performence level défini dans la norme NF EN ISO 13849-1 garantit que les systèmes de commande sont conçus selon les standards de sécurité les plus élevés, ce qui est indispensable dans des environnements de production complexes et automatisés.

Performence Level : résumé

La norme NF EN ISO 13849-1 est un document clé pour garantir la sécurité des machines et des systèmes de commande. En la respectant, les entreprises peuvent avoir l’assurance que leurs systèmes de commande sont conformes aux exigences de sécurité les plus récentes, tout en réduisant le risque de défaillances et d’accidents. Le performence level est l’élément central de cette norme, puisqu’il définit les exigences relatives à la fiabilité et à la fonctionnalité des systèmes de commande. Le respect de la norme NF EN ISO 13849-1 est indispensable pour obtenir le marquage CE et garantir que les machines mises sur le marché européen sont sûres pour les utilisateurs et l’environnement de travail.