Maschinensicherheit Bevor der TÜV kommt!

Eine Forderung, die oft zur Ratlosigkeit führt: „Mein Gerät soll die Anforderungen der aktuellen Normen erfüllen, am besten mit einer Prüfung durch den TÜV“. Eine dreiteilige...

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Wegen der vielen verschiedenen zum Teil komplexen Normen im Bereich der Maschinensicherheit besteht zur Zeit eine große Verwirrung bis hin zur Ratlosigkeit, wenn es heißt: „Mein Gerät soll die Anforderungen der aktuellen Normen erfüllen, am besten mit einer Prüfung durch den TÜV“.Ein Blick in die Geschichte und Entwicklung der Maschinensicherheit zeigt: Erst Ende des neunzehnten Jahrhunderts entwickelten sich in verschiedenen Industriebereichen Verfahren, die von Maschinen und Anlagen ausgehenden Risiken und Gefahren vorbeugend zu analysieren, um sie danach weitgehend zu vermeiden. Dies betraf Dampfkessel mit den zugehörigen Nebenaggregaten und chemische Anlagen. So hieß der TÜV bei seiner Gründung 1872 auch noch DÜV (Dampfkessel-Überwachungs-Vereine).Bereichsweise entwickelten sich verfahrensspezifische Risiko- und Gefahrenanalysen, deren Wege und Mittel unterschiedlich und nicht allgemein anwendbar waren. Ihre praktische Umsetzung lag stets im freien Ermessen des Herstellers, ohne dass dafür rechtlich bindende Anforderungen bestanden oder in Rechtsnormen gefordert wurden. Andererseits verschärfte und erweiterte der Staat die Forderungen an Vorsorge- und Vorbeugemaßnahmen zum Verhindern von unerwünschten Abläufen und Ereignissen im Gewerberecht des geregelten Bereichs laufend. Maßstab hierbei: stets die nach dem Stand der Technik erreichbare Sicherheit, die in allgemeinen Anforderungen nicht konkret zu erfassen ist, sondern im Einzelfall produktspezifisch und anwendungsbezogen mit konkreten technischen Vorgaben zu ermitteln ist.Aus der Geschichte lernenDie für Sicherheit und Unfallverhütung in den Betrieben zuständigen Berufsgenossenschaften griffen diese Problematik auf und formulierten in ihren Unfallverhütungsvorschriften einzelne maschinen- und anlagenspezifische Vorgaben für konstruktive Einzelheiten. Diese galten jedoch nur bereichsbezogen.So galt 1971: DIN 31000. In dem Bemühen, allgemeine Sicherheitsanforderungen zu formulieren und ihre Umsetzung von der Freiwilligkeit der einzelnen Hersteller unabhängig zu machen, entstanden Leitsätze, deren wichtigste Forderung (DIN 31000 „Allgemeine Leitsätze für das sicherheitsgerechte Gestalten technischer Erzeugnisse“) sowohl für Maschinen als auch für elektrotechnische Erzeugnisse galt. Im Jahr 1989 stand die DIN V 19250 (DIN V 19251:1993) im Fokus. Mit der DIN V 19250 wurde im Jahre 1989 zum ersten Mal eine grundlegende, anwendungsunabhängige Methode zum Ermittleln des Risikos für Personen an einer Maschine vorgestellt: der Risikograph, welcher in Anforderungsklassen (AK1 bis AK8) für Sicherheitssysteme resultierte. Dies war der erste Versuch dem Anwender in der Industrie vorzuschreiben, die Risiken zu analysieren und die Sicherheitsintegrität des notwenigen Sicherheitssystems zu bestimmen.Bis zum Jahr 1980 hatte nahezu jede Anwendung auch in der Maschinensicherheit ihre eigenen Vorschriften. Die Sicherheitsanforderungen an verschiedene Applikationen waren – aufgrund verschiedener Interessensverbände – trotz vergleichbarem Risiko unterschiedlich. Einheitliche Anforderungen bei gleichem, abzusicherndem Risiko gab es nicht.Nur einige, wenige Vorschriften hatten Querverbindungen zu anderen Vorschriften, wodurch einheitliche Anforderungen an sicherheitstechnische Systeme generiert wurden. Ein Beispiel hierfür ist die elektrische Sicherheit und die damit verbundene Umwelteignung.Obwohl Mikroprozessoren schon industrielle Verwendung fanden, wurden sicherheitstechnische Systeme bis 1980 ausschließlich durch diskrete und elektromechanische Komponenten in einfacher technischer Realisierung - als Zusatz zur Prozesssteuerung - ausgeführt. Diese waren dadurch leicht überschaubar und prüfbar. Bei der Ausarbeitung vieler „Regeln der Technik“ war der Einsatz von Mikrocontrollern noch nicht Stand der Technik. Einige Beispiele hierfür sind:DIN 57 113/VDE 113VDE-Bestimmungen für die elektrische Ausrüstung von Bearbeitungs- und Verarbeitungsmaschinen mit Nennspannungen bis 1000 V.DIN 57 160/VDE 60 Ausrüstung von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln.ZH 1/457 Sicherheitsregeln für Steuerungen an kraftbetriebenen Pressen der Metallverarbeitung.TRA 101 Richtlinie für die Prüfung von Bauteilen nach §17 der Aufzugsverordnung.Alle diese Regeln enthielten nur anwendungsspezifische und nicht-rechnerspezifische Teile. Die Weiterentwicklung der Automatisierungstechnik und die damit verbundene Einführung neuartiger Technologien bedurfte einer weitergehenden Betrachtung, also einer Anpassung der Vorschriften an den Stand der Technik. So wurde auch immer mehr die Zulässigkeit des Einsatzes von Mikrocontroller-basierenden Systemen in der Sicherheitstechnik gefordert. Eine grundlegende Problematik war das Fehlen von ausreichenden Fehlermodellen für diese Systeme und die Unmöglichkeit „alle anzunehmenden Fehler“ abzuzählen geschweige denn zu kombinieren. Bisher bewährte Modelle wie das DC-Fehlermodell oder das erweiterte DC-Fehlermodell konnten nicht uneingeschränkt angewendet werden. Um diese Lücke zu schließen, wurde in den 80iger Jahren ein Forschungsprojekt mit Beteiligung der TÜV Rheinland Group durchgeführt. Die Zielsetzung: Anforderungen beim Einsatz von Mikrocontroller-basierenden Systemen (komplexe Systeme) in der Sicherheitstechnik zu definieren.Im Jahre 1984 wurde das Forschungsprojekt mit dem Handbuch „Mikrocomputer in der Sicherheitstechnik“ abgeschlossen. Es sollte in der Übergangszeit – bis entsprechende Abschnitte in den Vorschriften erstellt wurden - Hilfestellung bei rechnerspezifischen Problemen geben. Das Buch beschreibt sowohl allgemeine Anforderungen die – unabhängig von der Anwendung und der Sicherheitsklasse – für alle Mikrorechnersysteme gelten, als auch spezielle Anforderungen abhängig von der Sicherheitsklasse.Mit der Einführung der DIN VDE 0801 änderte sich grundlegend die Betrachtung von Sicherheitssystemen bei denen Rechner eine maßgebliche Sicherheitsverantwortung übernehmen. Welche Anforderungen die Rechner erfüllen müssen, sollte sich nun nach dem Risiko der Anlage, in der die Rechner Sicherheitsverantwortung übernehmen, richten. Die Grundlage zur Ermittlung des Risikos war die DIN 19250 (s. o.). Entsprechend der Anforderungsklassen wurden die Ansprüche an das Rechnersystem, sowohl für die Hardware als auch für die Software, bestimmt. Bahnbrechend war die zusätzliche Betrachtung von systematischen Fehlern in einem Sicherheitssystem, die durch Maßnahmen zur Fehlervermeidung minimiert werden sollten. Darüber hinaus kam der Anspruch einer nahezu lückenlosen Dokumentation auf, um der Nachweispflicht für die durchgeführten Maßnahmen nachzukommen. Die genannten Normen bezogen sich aber nur auf einen Teil eines Sicherheitssystems, so dass die Frage aufkam wie die restlichen beteiligten Komponenten eines Sicherheitssystems zu betrachten sind. Ab Ende der 80er Jahre wurde sukzessive im Anwendungsbereich „Sicherheit von Maschinen“ eine Gefahrenreduzierung an Maschinen und Anlagen durch systematisches und europaweit einheitliches Vorgehen erreicht.Mit dem 01.01.1993 wurde der Europäische Binnenmarkt wirksam, wodurch mit dem europäisch harmonisierten „Recht der Technik“ neue erweiterte Anforderungen an technische Vorgaben geschaffen werden konnten (einheitliche Europäische Regelungen zum Arbeits- und Gesundheitsschutz). Hierbei übernahm die EG-Maschinenrichtlinie 98/37/EG mit ihren harmonisierten Normen eine Vorreiterrolle: Von 1991 galt die EN 292, die erste Sicherheitsnorm mit Aussagen zu Benutzerinformationen. Sie bildete in weiten Teilen einen Ersatz der DIN 31000, forderte eine Risikoanalyse für jede Maschine und definierte allgemeine Gestaltungsleitsätze. Von 1996 an: EN 954. Diese wohl bekannteste Norm, die EN 954, muss ebenfalls zum Sicherheitsnachweis bei Anwendungen, die unter die MRL fallen, angewendet werden.Sie ist vom Europäischen Komitee für Normung (CEN) entwickelt worden und beschreibt Technologie-unabhängige Verfahren für die Auswahl und Entwicklung von sicherheitstechnischen Maßnahmen. Die Leistungsfähigkeit von sicherheitsbezogenen Teilen von Steuerungen beim Auftreten von Fehlern wird in dieser Norm in fünf Abgestufte sicherheitstechnische Kategorien – in Abhängigkeit des Ergebnisses der Risikobeurteilung – unterteilt (B, 1, 2, 3, 4).Der Computer verändert die SicherheistetchnikSie betrachtet definierte Fehlermodelle und gibt klare Vorgaben an die deterministische Fehlerbetrachtung Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Maßnahmen zur Fehlererkennung und –beherrschung. Im Laufe der Zeit haben sich jedoch einige Mängel der EN 954-1 herauskristallisiert. So ist sie nicht für komplexe und programmierbare elektronische Systeme vorgesehen, was sich in unzulänglichen Fehlermodelle wiederspiegelt. Zudem werden nicht alle Aspekte der „Funktionalen Sicherheit“ ausreichend betrachtet. Beispiele hierfür sind fehlervermeidende Maßnahmen, Maßnahmen zur Qualitätssicherung, Vermeidung bzw. Beherrschung von systematischen Fehlern und detaillierte Anforderungen an die jeweilige Dokumentation. Seit 1998: Die IEC 61508. Ausgehend von dieser Fragestellung entstand – getrieben durch die Prozessindustrie – die Basisnorm IEC 61508, die einen Schritt weiter ging und das Prinzip der Risikoreduzierung auf die gesamte Sicherheitsfunktion ausweitete, in der E/E/PES-Systeme eingesetzt werden. Des Weiteren wurde das Konzept der probabilistischen Zuverlässigkeit eingeführt.Aktuell halten die Ansätze der IEC 61508 in immer mehr Normen Einzug. Hierbei sind für die Maschinensicherheit insbesondere die Normen IEC 62061 und prEN ISO 13849 zu nennen. *Dr.-Ing. Thomas Gantevoort und Dipl.-Ing. Thomas Steffens sind Fachreferenten des TÜV Functional Safety Program bei der TÜV Rheinland Industrie Service GmbH der TÜV Rheinland Group, Köln.

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