Raven zmogljivosti: ključ do varnosti strojev

Uvod v koncept performence level

V današnjem hitro razvijajočem se svetu industrijske avtomatizacije ima performence level ključno vlogo pri zagotavljanju varnosti strojev in naprav. Performence level pomeni stopnjo sposobnosti sistema, da doseže določeno raven varnosti ter zmanjša tveganje za okvare in nesreče. V okviru Direktive o strojih 2006/42/EC harmonizirani standardi tipa B, kot je SIST EN ISO 13849-1, določajo splošna pravila načrtovanja, ki morajo biti izpolnjena, da lahko stroji pridobijo oznako CE. Performence level je eden ključnih elementov teh standardov in vpliva na vsak vidik načrtovanja, presoje ter upravljanja varnosti strojev in proizvodnih linij.

Uvod v standard SIST EN ISO 13849-1

Standard SIST EN ISO 13849-1 je ključni dokument na področju varnosti strojev, ki določa zahteve za načrtovanje, uvedbo in ocenjevanje varnostno povezanih krmilnih sistemov. Njegov glavni namen je zagotoviti, da ti sistemi dosegajo ustrezno raven zanesljivosti in funkcionalnosti ter zmanjšujejo tveganje za okvare, ki bi lahko povzročile nevarnosti za operaterje in delovno okolje. Ta standard je harmoniziran z Direktivo o strojih 2006/42/EC, kar pomeni, da je njegova izpolnitev ključna za pridobitev oznake CE za stroje in naprave, dane na evropski trg.

Osnovni pojmi in področje uporabe standarda

Standard SIST EN ISO 13849-1 opredeljuje performence level (PL) kot stopnjo sposobnosti sistema za doseganje določene ravni varnosti, merjene v petih kategorijah od PL a do PL e, pri čemer je PL e najvišja raven varnosti. Performence level je odvisen od več dejavnikov, kot so arhitektura sistema, diagnostika in zanesljivost komponent.

Standard zajema širok nabor vidikov, povezanih z načrtovanjem in ocenjevanjem varnostno povezanih krmilnih sistemov, med drugim:

• Analiza tveganja: Določitev in ocena potencialnih nevarnosti, povezanih z delovanjem stroja.
• Specifikacija varnostnih zahtev: Opredelitev zahtev za varnostne funkcije, ki jih mora izpolnjevati krmilni sistem.
• Načrtovanje krmilnih sistemov: Izdelava in uvedba sistemov, skladnih z določenim performence level.
• Ocenjevanje in preverjanje: Izvajanje preskusov in analiz za potrditev, da sistemi izpolnjujejo zahteve standarda.

Analiza tveganja in določitev varnostnih zahtev

Prvi korak v postopku skladnosti s standardom SIST EN ISO 13849-1 je izvedba podrobne analize tveganja. Namen te analize je prepoznati potencialne nevarnosti in oceniti tveganje, povezano z vsako od njih. Na podlagi rezultatov analize tveganja se določijo varnostne zahteve za krmilne sisteme.

Ključno orodje pri analizi tveganja je analiza tveganja v skladu s SIST EN ISO 12100, ki zagotavlja metodologijo za sistematično ocenjevanje tveganja. Ta metodologija vključuje prepoznavanje nevarnosti, oceno tveganja ter določitev nadzornih ukrepov, katerih namen je zmanjšati tveganje na sprejemljivo raven.

Načrtovanje krmilnih sistemov

Načrtovanje krmilnih sistemov v skladu s SIST EN ISO 13849-1 vključuje več ključnih faz, med drugim:

• Opredelitev varnostnih funkcij: Določitev, katere krmilne funkcije so ključne za varnost in kakšne so njihove zahteve.
• Izbor komponent: Izbira ustreznih komponent, ki izpolnjujejo zahteve glede zanesljivosti in diagnostike.
• Arhitektura sistema: Načrtovanje strukture krmilnega sistema ob upoštevanju redundance in diagnostike.
• Izračuni zanesljivosti: Izvajanje izračunov zanesljivosti, kot sta srednji čas do odpovedi (MTTF) in srednji čas do popravila (MTTR), za določitev skupnega performence level sistema.

Implementacija in integracija

Po načrtovanju krmilnega sistema je naslednji korak njegova implementacija in integracija s strojem. Ta faza vključuje:

• Namestitev komponent: Montaža izbranih komponent v skladu z načrtom.
• Integracija sistemov: Povezovanje različnih delov krmilnega sistema ob zagotavljanju njihovega sodelovanja in združljivosti.
• Funkcionalno preskušanje: Izvedba funkcionalnih preskusov, da se potrdi, da sistem deluje v skladu s projektnimi predpostavkami.

Preverjanje in validacija

Ključni element skladnosti s standardom SIST EN ISO 13849-1 je postopek preverjanja in validacije, ki vključuje:

• Preverjanje zasnove: Preveri se, ali zasnova krmilnega sistema izpolnjuje vse določene zahteve.
• Validacijski preskusi: Izvedejo se validacijski preskusi, ki vključujejo simulacije in praktična testiranja, da se potrdi, da sistem deluje v skladu z zahtevami performence level.
• Dokumentacija: Pripravi se podrobna dokumentacija, ki vsebuje rezultate preskusov in analiz ter potrjuje skladnost sistema s standardom.

Primer izračunov za PL e in PL c

Izračuni za ravni zmogljivosti PL e in PL c so ključni za zagotavljanje, da z varnostjo povezani krmilni sistemi izpolnjujejo zahtevane standarde zanesljivosti. V nadaljevanju so predstavljeni primeri izračunov za obe ravni zmogljivosti.

Primer 1: Izračuni za PL e

Opis sistema:

• Krmilni sistem proizvodnega stroja s funkcijo zaustavitve v sili (E-Stop).
• Arhitektura: kategorija 4, z dvokanalno izvedbo in nadzorom.
• Zahtevana je dosežena raven PL e.

Koraki izračuna:

1. Določitev komponent sistema:
   • Dva gumba E-Stop (dvokanalna izvedba).
   • Dva varnostna releja.
   • PLC krmilnik z varnostnimi funkcijami.
2. Povprečni čas do nevarne odpovedi (MTTF_d):
   • Vsak gumb E-Stop ima MTTF_d = 100 let.
   • Vsak varnostni rele ima MTTF_d = 50 let.
   • PLC krmilnik ima MTTF_d = 30 let.
3. Diagnostična pokritost (DC):
   • Diagnostična pokritost za kategorijo 4 znaša 99 % (0.99).
4. Faktor odpovedi zaradi skupnega vzroka (CCF):
   • Vrednost CCF za kategorijo 4 znaša najmanj 65 %.
5. Izračun MTTF_d celotnega sistema:
   • Gumba E-Stop (dvokanalna izvedba): 1 / (1 / 100 + 1 / 100) = 50 let.
   • Varnostna releja: 1 / (1 / 50 + 1 / 50) = 25 let.
   • PLC krmilnik: 1 / (1 / 30 + 1 / 30) = 15 let.
6. Izračun MTTF_d sistema:
   • Kombinacija vseh elementov: 1 / (1 / 50 + 1 / 25 + 1 / 15) = 9.68 let.
7. Izračun PFH (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • PFH za PL e mora biti pod 10^-8 na uro.
   • Z uporabo vrednosti MTTF_d in DC: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (9.68 * 365 * 24) * (1 – 0.99) = 1.18 * 10^-8

Sklep: Sistem ne dosega PL e, ker izračunani PFH ne spada v zahtevano vrednost za PL e.

Primer 2: Izračuni za PL c

Opis sistema:

• Krmilni sistem stroja s funkcijo nadzora varnostnega zaščitnega pokrova.
• Arhitektura: kategorija 2, z občasnim nadzorom.
• Zahtevana je dosežena raven PL c.

Koraki izračuna:

1. Določitev komponent sistema:
   • Varnostni zaščitni pokrov s senzorjem položaja.
   • Varnostni rele.
   • PLC krmilnik z varnostnimi funkcijami.
2. Povprečni čas do nevarne odpovedi (MTTF_d):
   • Varnostni zaščitni pokrov: MTTF_d = 20 let.
   • Varnostni rele: MTTF_d = 50 let.
   • PLC krmilnik: MTTF_d = 30 let.
3. Diagnostična pokritost (DC):
   • Diagnostična pokritost za kategorijo 2 znaša 90 % (0.90).
4. Izračun MTTF_d celotnega sistema:
   • Varnostni zaščitni pokrov: MTTF_d = 20 let.
   • Varnostni rele: MTTF_d = 50 let.
   • PLC krmilnik: MTTF_d = 30 let.
5. Izračun MTTF_d sistema:
   • Kombinacija vseh elementov: 1 / (1 / 20 + 1 / 50 + 1 / 30) = 10.64 let.
6. Izračun PFH (Probability of dangerous Failure per Hour):
   • PFH za PL c mora biti pod 10^-6 na uro.
   • Z uporabo vrednosti MTTF_d in DC: PFH = 1 / (MTTF_d * 365 * 24) * (1 – DC) = 1 / (10.64 * 365 * 24) * (1 – 0.90) = 1.08 * 10^-6

Sklep: Sistem ne dosega PL c, ker izračunani PFH ne spada v zahtevano vrednost za PL c.

Primerjava s standardom SIST EN IEC 62061

Standard SIST EN 62061, ki se nanaša na funkcijsko varnost električnih, elektronskih in programabilnih elektronskih krmilnih sistemov, povezanih z varnostjo, se pogosto primerja s standardom SIST EN ISO 13849-1. Oba standarda sta namenjena zagotavljanju varnosti strojev, vendar se razlikujeta po pristopu in obsegu.

• Področje uporabe: SIST EN IEC 62061 se osredotoča predvsem na električne, elektronske in programabilne sisteme, medtem ko SIST EN ISO 13849-1 zajema širši nabor tehnologij, vključno z mehanskimi in hidravličnimi.
• Raven podrobnosti: SIST EN 62061 je podrobnejša glede tehničnih zahtev za elektronske sisteme, medtem ko SIST EN ISO 13849-1 ponuja splošnejši pristop, ki ga je mogoče uporabiti pri različnih tehnologijah.
• Ocena tveganja: Obe normi zahtevata izvedbo analize tveganja, vendar SIST EN IEC 62061 daje večji poudarek podrobni oceni tveganja in uvedbi nadzornih ukrepov v programabilnih sistemih.

Vloga performence level v industrijski avtomatizaciji

Performence level je nepogrešljiv element avtomatizacije proizvodnih procesov, kjer sta natančnost in zanesljivost ključnega pomena. Uvedba ustrezne ravni performence level v krmilne sisteme strojev neposredno vpliva na njihovo učinkovitost in obratovalno varnost. Primer uporabe performence level je načrtovanje proizvodnih linij, kjer mora vsak stroj izpolnjevati določene varnostne zahteve, da se zagotovi nemoten potek in brezhibno delovanje celotnega proizvodnega procesa. Industrijska avtomatizacija ne zahteva le učinkovitosti, temveč tudi skladnost z varnostnimi standardi, kar se doseže z ustrezno določeno ravnjo performence level.

Varnostna presoja in performence level

Varnostni pregled je postopek, s katerim se ocenjuje skladnost strojev z zahtevami varnostnih standardov, vključno z performence level. Integratorji industrijske avtomatizacije imajo ključno vlogo pri izvajanju takšnih pregledov, saj zagotavljajo, da sistemi izpolnjujejo najvišje varnostne standarde. Performence level se ocenjuje na podlagi analize tveganja v skladu z ISO 12100 ter funkcionalnih preskusov, s katerimi se preverja, ali krmilni sistemi delujejo skladno s projektno zasnovo in standardi. Varnostni pregled lahko vključuje tudi analizo tehnične dokumentacije, izvedbo preveritvenih preskusov ter pregled strojev z namenom prepoznavanja morebitnih nevarnosti.

Načrtovanje strojev v skladu z zahtevami performence level

Načrtovanje strojev zahteva upoštevanje različnih mehanskih in elektronskih vidikov, da so izpolnjene zahteve performence level. Mehanski sklopi, kot so pnevmatski in hidravlični sistemi, morajo biti skrbno preračunani z vidika trdnosti, da se zagotovi njihova zanesljivost in varnost v različnih obratovalnih pogojih. Elektronski sklopi pa morajo zagotavljati zanesljivost in funkcionalno varnost, kar je še posebej pomembno pri krmilnih sistemih. Performence level določa minimalne zahteve, ki jih morajo izpolnjevati krmilni sistemi, da se zmanjša tveganje za odpoved. V okviru načrtovanja konstrukcijski biro upošteva tudi zahteve harmoniziranih standardov, kot sta SIST EN ISO 13849-1 in SIST EN 62061, ki natančno določata zahteve za obe vrsti sklopov ter zagotavljata celovit pristop k varnosti strojev.

CE-certificiranje strojev in performence level

Standard SIST EN ISO 13849-1 določa zahteve glede certificiranja CE strojev, pri čemer se osredotoča na varnostne vidike, povezane s performence level. Certificiranje CE je nujno, da se stroji lahko zakonito dajo na trg v Evropski uniji. Standard SIST EN 62061, ki prav tako obravnava funkcionalno varnost, uvaja dodatne zahteve za elektronske in programabilne sisteme, kar povečuje kompleksnost postopka certificiranja. Oba standarda sta harmonizirana z Direktivo o strojih 2006/42/EC, kar pomeni, da je izpolnjevanje njunih zahtev enakovredno zagotavljanju skladnosti z evropskimi varnostnimi predpisi.

Performence level in prilagoditev strojev minimalnim zahtevam

Prilagoditev strojev minimalnim zahtevam v skladu s performence level zahteva natančne postopke in redne preglede. Praktični primeri kažejo, kako se ti postopki uporabljajo v različnih panogah ter zagotavljajo varnost in skladnost s predpisi. Performence level je ključen element v procesu posodobitve strojev, pri katerem se obstoječa oprema prilagaja novim varnostnim standardom. Ta proces med drugim vključuje analizo tveganja, prilagoditev obstoječih krmilnih sistemov ter izvedbo preskusov in preverjanj, da se zagotovi, da stroji izpolnjujejo veljavne varnostne zahteve. Prilagoditev strojev minimalnim zahtevam v skladu s performence level je ključna za zagotavljanje njihovega varnega in učinkovitega delovanja.

Pomen za Industrijo 4.0

Standard SIST EN ISO 13849-1 ima ključen pomen v kontekstu Industrije 4.0, za katero sta značilni visoka stopnja avtomatizacije in integracije sistemov. V okviru Industrije 4.0 morajo biti krmilni sistemi ne le zanesljivi, temveč tudi prilagodljivi in skalabilni, da lahko sledijo dinamično spreminjajočim se zahtevam proizvodnje. Performence level, opredeljen v standardu SIST EN ISO 13849-1, zagotavlja, da so krmilni sistemi zasnovani v skladu z najvišjimi varnostnimi standardi, kar je nujno v kompleksnih in avtomatiziranih proizvodnih okoljih.

Performence Level: Povzetek

Standard SIST EN ISO 13849-1 je ključen dokument za zagotavljanje varnosti strojev in krmilnih sistemov. Z njegovim izpolnjevanjem so lahko podjetja prepričana, da so njihovi krmilni sistemi skladni z najnovejšimi varnostnimi zahtevami, s čimer se zmanjšuje tveganje za odpovedi in nesreče. Performence level je osrednji element tega standarda, saj določa zahteve glede zanesljivosti in funkcionalnosti krmilnih sistemov. Upoštevanje standarda SIST EN ISO 13849-1 je nujno za pridobitev oznake CE in za zagotovitev, da so stroji, dani na evropski trg, varni za uporabnike in delovno okolje.