Performance Level: de sleutel tot machineveiligheid

Inleiding tot het concept performence level

In de huidige, snel evoluerende wereld van de industriële automatisering speelt performence level een sleutelrol bij het waarborgen van de veiligheid van machines en installaties. Performence level is de mate waarin een systeem in staat is een bepaald veiligheidsniveau te bereiken en zo het risico op storingen en ongevallen te minimaliseren. In de context van de Machinerichtlijn 2006/42/EC definiëren geharmoniseerde normen van type B, zoals NEN-EN-ISO ISO 13849-1, de algemene ontwerpprincipes waaraan moet worden voldaan zodat machines CE-certificering van machines kunnen verkrijgen. Performence level is een van de kernelementen van deze normen en heeft invloed op elk aspect van het ontwerp, de audit en het veiligheidsbeheer van machines en productielijnen.

Inleiding tot de norm NEN-EN-ISO ISO 13849-1

De norm NEN-EN-ISO ISO 13849-1 is een essentieel document op het gebied van machineveiligheid en stelt eisen aan het ontwerp, de implementatie en de beoordeling van veiligheidsgerelateerde besturingssystemen. Het hoofddoel ervan is te waarborgen dat deze systemen voldoen aan de vereiste niveaus van betrouwbaarheid en functionaliteit, zodat het risico op storingen die kunnen leiden tot gevaren voor operators en de werkomgeving tot een minimum wordt beperkt. Deze norm is geharmoniseerd met de Machinerichtlijn 2006/42/EC, wat betekent dat naleving ervan van cruciaal belang is voor het verkrijgen van CE-markering voor machines en installaties die op de Europese markt worden gebracht.

Basisbegrippen en toepassingsgebied van de norm

De norm NEN-EN-ISO ISO 13849-1 definieert performence level (PL) als de mate waarin een systeem een bepaald veiligheidsniveau kan bereiken, uitgedrukt in vijf categorieën van PL a tot PL e, waarbij PL e het hoogste veiligheidsniveau is. Performence level hangt af van verschillende factoren, zoals de systeemarchitectuur, diagnostiek en de betrouwbaarheid van componenten.

De norm omvat een breed scala aan aspecten die verband houden met het ontwerp en de beoordeling van veiligheidsgerelateerde besturingssystemen, waaronder:

• Risicoanalyse: Het bepalen en beoordelen van potentiële gevaren die samenhangen met de werking van de machine.
• Specificatie van veiligheidseisen: Het vastleggen van de eisen voor veiligheidsfuncties waaraan het besturingssysteem moet voldoen.
• Ontwerp van besturingssystemen: Het ontwikkelen en implementeren van systemen die voldoen aan het vereiste performence level.
• Beoordeling en verificatie: Het uitvoeren van tests en analyses om te bevestigen dat de systemen aan de eisen van de norm voldoen.

Risicoanalyse en vaststelling van veiligheidseisen

De eerste stap in het proces om te voldoen aan NEN-EN-ISO ISO 13849-1 is het uitvoeren van een gedetailleerde risicoanalyse. Deze analyse heeft tot doel potentiële gevaren te identificeren en het risico dat met elk van deze gevaren samenhangt te beoordelen. Op basis van de resultaten van de risicoanalyse worden de veiligheidseisen voor de besturingssystemen vastgesteld.

Een belangrijk hulpmiddel bij de risicoanalyse is de risicoanalyse volgens NEN-EN-ISO ISO 12100, die een methodiek biedt voor een systematische risicobeoordeling. Deze methodiek omvat de identificatie van gevaren volgens ISO 12100, risicobeoordeling en het bepalen van beheersmaatregelen die erop gericht zijn het risico terug te brengen tot een aanvaardbaar niveau.

Ontwerp van besturingssystemen

Het ontwerpen van besturingssystemen conform NEN-EN-ISO ISO 13849-1 omvat verschillende belangrijke fasen, waaronder:

• Definitie van veiligheidsfuncties: Vaststellen welke besturingsfuncties veiligheidskritisch zijn en welke eisen daarvoor gelden.
• Selectie van componenten: Het kiezen van geschikte componenten die voldoen aan de eisen op het gebied van betrouwbaarheid en diagnostiek.
• Systeemarchitectuur: Het ontwerpen van de structuur van het besturingssysteem, met inachtneming van redundantie en diagnostiek.
• Betrouwbaarheidsberekeningen: Het uitvoeren van betrouwbaarheidsberekeningen, zoals de gemiddelde tijd tot uitval (MTTF) en de gemiddelde reparatietijd (MTTR), om het algemene performence level van het systeem te bepalen.

Implementatie en integratie

Na het ontwerpen van het besturingssysteem is de volgende stap de implementatie en integratie ervan in de machine. Deze fase omvat:

• Installatie van componenten: Montage van de geselecteerde componenten volgens het ontwerp.
• Integratie van systemen: Het koppelen van de verschillende delen van het besturingssysteem, zodat samenwerking en compatibiliteit gewaarborgd zijn.
• Functionele tests: Het uitvoeren van functionele tests om te verifiëren dat het systeem werkt volgens de ontwerpuitgangspunten.

Verificatie en validatie

Een essentieel onderdeel van de naleving van NEN-EN-ISO ISO 13849-1 is het proces van verificatie en validatie, dat het volgende omvat:

• Verificatie van het ontwerp: Controleren of het ontwerp van het besturingssysteem aan alle vastgestelde eisen voldoet.
• Validatietests: Uitvoeren van validatietests, waaronder simulaties en praktijktests, om te bevestigen dat het systeem werkt overeenkomstig de eisen voor het performence level.
• Documentatie: Opstellen van gedetailleerde documentatie met de testresultaten en analyses, ter bevestiging dat het systeem aan de norm voldoet.

Voorbeeldberekeningen voor PL e en PL c

Berekeningen voor de prestatieniveaus PL e en PL c zijn essentieel om te waarborgen dat veiligheidsgerelateerde besturingssystemen voldoen aan de vereiste betrouwbaarheidsnormen. Hieronder geef ik voorbeelden van berekeningen voor beide prestatieniveaus.

Voorbeeld 1: Berekeningen voor PL e

Systeembeschrijving:

• Besturingssysteem van een productiemachine met een noodstopfunctie (E-Stop).
• Architectuur: categorie 4, met twee kanalen en bewaking.
• Het vereiste prestatieniveau is PL e.

Berekeningsstappen:

1. Bepalen van de systeemcomponenten:
   • Twee E-Stop-knoppen (tweekanaals).
   • Twee veiligheidsrelais.
   • PLC-besturing met veiligheidsfuncties.
2. Gemiddelde tijd tot een gevaarlijke storing (MTTF_d):
   • Elke E-Stop-knop heeft MTTF_d = 100 jaar.
   • Elk veiligheidsrelais heeft MTTF_d = 50 jaar.
   • De PLC-besturing heeft MTTF_d = 30 jaar.
3. Diagnostische dekking (DC):
   • De diagnostische dekking voor categorie 4 bedraagt 99% (0.99).
4. Factor voor storingen door gemeenschappelijke oorzaak (CCF):
   • De CCF-waarde voor categorie 4 bedraagt ten minste 65%.
5. Berekening van de MTTF_d van het volledige systeem:
   • E-Stop-knoppen (tweekanaals): 1 / (1 / 100 + 1 / 100) = 50 jaar.
   • Veiligheidsrelais: 1 / (1 / 50 + 1 / 50) = 25 jaar.
   • PLC-besturing: 1 / (1 / 30 + 1 / 30) = 15 jaar.
6. Berekening van de MTTF_d van het systeem:
   • Combinatie van alle elementen: 1 / (1 / 50 + 1 / 25 + 1 / 15) = 9.68 jaar.
7. Berekening van PFH (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • PFH voor PL e moet lager zijn dan 10^-8 per uur.
   • Met gebruik van de waarden voor MTTF_d en DC: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (9.68 * 365 * 24) * (1 – 0.99) = 1.18 * 10^-8

Conclusie: Het systeem bereikt PL e niet, omdat de berekende PFH niet binnen de vereiste waarde voor PL e valt.

Voorbeeld 2: Berekeningen voor PL c

Systeembeschrijving:

• Besturingssysteem van een machine met een functie voor bewaking van de veiligheidsafscherming.
• Architectuur: categorie 2, met periodieke bewaking.
• Het vereiste prestatieniveau is PL c.

Berekeningsstappen:

1. Bepalen van de systeemcomponenten:
   • Veiligheidsafscherming met positiesensor.
   • Veiligheidsrelais.
   • PLC-besturing met veiligheidsfuncties.
2. Gemiddelde tijd tot een gevaarlijke storing (MTTF_d):
   • Veiligheidsafscherming: MTTF_d = 20 jaar.
   • Veiligheidsrelais: MTTF_d = 50 jaar.
   • PLC-besturing: MTTF_d = 30 jaar.
3. Diagnostische dekking (DC):
   • De diagnostische dekking voor categorie 2 bedraagt 90% (0.90).
4. Berekening van de MTTF_d van het volledige systeem:
   • Veiligheidsafscherming: MTTF_d = 20 jaar.
   • Veiligheidsrelais: MTTF_d = 50 jaar.
   • PLC-besturing: MTTF_d = 30 jaar.
5. Berekening van de MTTF_d van het systeem:
   • Combinatie van alle elementen: 1 / (1 / 20 + 1 / 50 + 1 / 30) = 10.64 jaar.
6. Berekening van PFH (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • PFH voor PL c moet lager zijn dan 10^-6 per uur.
   • Met gebruik van de waarden voor MTTF_d en DC: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (10.64 * 365 * 24) * (1 – 0.90) = 1.08 * 10^-6

Conclusie: Het systeem bereikt PL c niet, omdat de berekende PFH niet binnen de vereiste waarde voor PL c valt.

Vergelijking met de norm NEN-EN-ISO IEC 62061

De norm NEN-EN-ISO 62061, die betrekking heeft op de functionele veiligheid van veiligheidsgerelateerde elektrische, elektronische en programmeerbare besturingssystemen, wordt vaak vergeleken met NEN-EN-ISO ISO 13849-1. Beide normen zijn bedoeld om de veiligheid van machines te waarborgen, maar verschillen in aanpak en reikwijdte.

• Toepassingsgebied: NEN-EN-ISO IEC 62061 richt zich vooral op elektrische, elektronische en programmeerbare systemen, terwijl NEN-EN-ISO ISO 13849-1 een breder technologisch bereik heeft, waaronder ook mechanische en hydraulische systemen.
• Mate van detaillering: NEN-EN-ISO 62061 is gedetailleerder als het gaat om technische eisen voor elektronische systemen, terwijl NEN-EN-ISO ISO 13849-1 een algemenere benadering biedt die in verschillende technologieën kan worden toegepast.
• Risicobeoordeling: Beide normen vereisen een risicoanalyse, maar NEN-EN-ISO IEC 62061 legt meer nadruk op een gedetailleerde risicobeoordeling en de invoering van beheersmaatregelen in programmeerbare systemen.

De rol van performence level in de industriële automatisering

Performence level is een onmisbaar onderdeel van de automatisering van productieprocessen, waarbij precisie en betrouwbaarheid cruciaal zijn. De implementatie van het juiste performence level in machinebesturingssystemen heeft directe invloed op hun efficiëntie en operationele veiligheid. Een voorbeeld van de toepassing van performence level is het ontwerpen van productielijnen, waarbij elke machine aan specifieke veiligheidseisen moet voldoen om de continuïteit en storingsvrije werking van het volledige productieproces te waarborgen. Industriële automatisering vereist niet alleen efficiëntie, maar ook naleving van veiligheidsnormen, wat wordt bereikt dankzij een correct vastgesteld performence level.

Veiligheidsaudit en performence level

Veiligheidsaudit is een proces waarbij wordt beoordeeld of machines voldoen aan de eisen van veiligheidsnormen, waaronder het performence level. Integratoren van industriële automatisering spelen een sleutelrol bij het uitvoeren van dergelijke audits en zorgen ervoor dat systemen aan de hoogste veiligheidsnormen voldoen. Het performence level wordt beoordeeld op basis van een risicoanalyse en functionele tests, waarmee wordt gecontroleerd of besturingssystemen werken volgens de ontwerpuitgangspunten en de geldende normen. Een veiligheidsaudit kan ook een analyse van de technische documentatie, verificatietests en inspectie van machines omvatten om potentiële gevaren te identificeren.

Machines ontwerpen volgens de eisen van performence level

Machineontwerp vereist dat met verschillende mechanische en elektronische aspecten rekening wordt gehouden om te voldoen aan de eisen van performence level. Mechanische systemen, zoals pneumatische en hydraulische installaties, moeten zorgvuldig op sterkte worden berekend om hun betrouwbaarheid en veiligheid onder uiteenlopende bedrijfsomstandigheden te waarborgen. Elektronische systemen moeten op hun beurt betrouwbaarheid en functionele veiligheid garanderen, wat vooral belangrijk is bij besturingssystemen. Performence level bepaalt de minimale eisen waaraan besturingssystemen moeten voldoen om het risico op storingen te minimaliseren. Binnen het ontwerpproces houdt het constructiebureau ook rekening met de eisen van geharmoniseerde normen, zoals NEN-EN-ISO ISO 13849-1 en NEN-EN-ISO 62061, die de vereisten voor beide typen systemen specificeren en zo zorgen voor een integrale benadering van machineveiligheid.

CE-certificering van machines en performence level

De norm NEN-EN-ISO ISO 13849-1 beschrijft de eisen voor CE-certificering van machines, met de nadruk op veiligheidsaspecten die samenhangen met performence level. CE-certificering is noodzakelijk om machines legaal op de markt van de Europese Unie te mogen brengen. De norm NEN-EN-ISO 62061, die eveneens betrekking heeft op functionele veiligheid, stelt aanvullende eisen aan elektronische en programmeerbare systemen, wat het certificeringsproces complexer maakt. Beide normen zijn geharmoniseerd met de Machinerichtlijn 2006/42/EC, wat betekent dat het voldoen aan deze eisen gelijkstaat aan overeenstemming met de Europese veiligheidsvoorschriften.

Performence level en aanpassing van machines aan de minimale eisen

Aanpassing van machines aan de minimale eisen in overeenstemming met performence level vereist nauwkeurige procedures en regelmatige audits. Praktijkvoorbeelden laten zien hoe deze procedures in verschillende sectoren worden toegepast om veiligheid en naleving van de voorschriften te waarborgen. Performence level is een essentieel onderdeel van het moderniseringsproces van machines, waarbij bestaande installaties worden aangepast aan nieuwe veiligheidsnormen. Dit proces omvat onder meer een risicoanalyse, het aanpassen van bestaande besturingssystemen en het uitvoeren van tests en verificaties om te waarborgen dat machines aan de actuele veiligheidseisen voldoen. Aanpassing van machines aan de minimale eisen volgens performence level is cruciaal om een veilige en efficiënte werking te garanderen.

Betekenis voor Industrie 4.0

De norm NEN-EN-ISO ISO 13849-1 is van groot belang in de context van Industrie 4.0, die wordt gekenmerkt door een hoge mate van automatisering en systeemintegratie. Binnen Industrie 4.0 moeten besturingssystemen niet alleen betrouwbaar zijn, maar ook flexibel en schaalbaar, zodat zij kunnen inspelen op de dynamisch veranderende eisen van productieprocessen. Het in NEN-EN-ISO ISO 13849-1 gedefinieerde performence level waarborgt dat besturingssystemen worden ontworpen volgens de hoogste veiligheidsnormen, wat onmisbaar is in complexe en geautomatiseerde productieomgevingen.

Performence Level: Samenvatting

De norm NEN-EN-ISO ISO 13849-1 is een kerndocument voor het waarborgen van de veiligheid van machines en besturingssystemen. Door aan deze norm te voldoen, kunnen bedrijven erop vertrouwen dat hun besturingssystemen in overeenstemming zijn met de meest recente veiligheidseisen, waardoor het risico op storingen en ongevallen wordt beperkt. Performence level is het centrale element van deze norm en definieert de eisen voor de betrouwbaarheid en functionaliteit van besturingssystemen. Naleving van NEN-EN-ISO ISO 13849-1 is noodzakelijk om de CE-markering te verkrijgen en te waarborgen dat machines die op de Europese markt worden gebracht veilig zijn voor gebruikers en de werkomgeving.