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Softwaretool Softwaretool hilft bei der Berechnung von Saftey Integrity und Performance Level

Autor / Redakteur: Martin Maier* / Ute Drescher

Zwei neue Regelwerke, die IEC 62061 als Sektornorm der EN IEC 61508 und die EN ISO 13849-1, geben Anleitung für Design und Realisierung sicherheitsrelevanter elektrischen Steuerungen von Maschinen. Im Zuge dieser neuen Normen müssen sich auch Konstrukteure mehr als bisher mit mathematischen Ansätzen auseinandersetzen. Unterstützung bieten Software-Lösungen, mit denen sich SIL sowie PL berechnen und verifizieren lassen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Wesentliche Neuerung bei EN ISO 13849-1 ist die Beurteilung sicherheitsgerichteter Steuerungssysteme hinsichtlich der statistischen Ausfallwahrscheinlichkeit. Dafür werden die allgemein bewährten Kategorien weiter genutzt und zusätzlich quantitative sicherheitsrelevante Eigenschaften bewertet. Aufbauend auf den Kategorien finden hierfür so genannte Performance Level (PL) Verwendung, die durch folgende Kenngrößen definiert werden: Kategorie (strukturelle Anforderung), mittlere Zeit bis zu einem gefährlichen Ausfall (MTTFd), Diagnosedeckungsgrad (DC) und Fehler gemeinsamer Ursache (CCF).

Die Norm EN IEC 62061 – als Sektor-Standard „Maschinen“ unter der EN IEC 61508 entwickelt – beschränkt sich auf elektrische und (programmierbare) elektronische Systeme. Die Norm beschreibt die Realisierung sicherheitsrelevanter elektrischer Steuerungssysteme von Maschinen und betrachtet den gesamten Lebenszyklus von der Konzeptphase bis zur Außerbetriebnahme. Basis bilden quantitative und qualitative Betrachtungen von Sicherheitsfunktionen Die Beurteilung erfolgt anhand des Safety Integrity Level (SIL).

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Gerade die quantitative Betrachtungsweise in der EN ISO 13849-1 und der EN IEC 62061 bot Raum für die Entwicklung von Software, die das Anwenden des recht komplexen Regelwerkes unterstützt.

Schritt für Schritt durch die sicherheitsbezogenen Teile der Steuerung

Der Safety Calculator PAScal von Pilz beispielsweise führt den Anwender Schritt für Schritt durch die Gestaltung der sicherheitsbezogenen Teile von Steuerungen. Darüber hinaus stellt er weiteres Fachwissen in Form eines Normenlexikons sowie Musterlösungen zur Verfügung.

Nach der EN IEC 62061 hat Pilz die neue Version von PAScal um die EN ISO 13849-1 erweitert. Darüber hinaus lässt sich die Software noch einfacher bedienen, indem User eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für den Safety Calculator erhalten.

Anhand des Softwaretool können Konstrukteure in fünf einfachen Schritten ihr Ziel erreichen: eine sichere Maschine.

Schritt 1 – Anforderungen an Sicherheitsfunktionen definieren

Vor dem Einsatz der Software gilt es zunächst, die erforderlichen Sicherheitsfunktionen an der Maschine zu lokalisieren und deren Eigenschaften festzulegen. Der Einsatz sicherheitsrelevanter Steuerungssysteme ermöglicht es, das Risiko auf das geforderte Maß zu senken. Zunächst gilt es, für jede Gefährdung anhand der Risikoanalyse das erforderlich Sicherheitsniveau zu bestimmen.

Schritt 2 – Bestimmung des erforderlichen SIL / PL

Die Spezifikation der funktionalen Anforderungen muss Details jeder auszuführenden Sicherheitsfunktion beschreiben.

Wie schon in der EN 954-1 fordern beide Normen vor dem Entwurf einer Sicherheitsfunktion zunächst eine Abschätzung des Gefährdungspotenzials. Für das zu bestimmende Risiko sind dabei Schwere einer möglichen Verletzung, Häufigkeit und Dauer des Aufenthaltes von Personen im Gefahrenbereich sowie die Möglichkeit zur Vermeidung maßgeblich. Nach der EN IEC 62061 kommt zusätzlich die Wahrscheinlichkeit hinzu, mit der ein gefährliches Ereignis auftreten kann.

Aus diesen Parametern wird ein Wert bestimmt, dessen Höhe ein Maß für jede Gefährdungssituation darstellt. In der prEN ISO 13849-1 wird dieser Wert in die Performance Level von „a“ bis „e“ eingeteilt, bei der EN IEC 62061 in die Safety Integrity Level von „1“ bis „3“. Entsprechend ist bei PL „a“ bzw. SIL „1“ der erforderliche Beitrag der Steuerungsfunktion zur Risikominderung niedrig, bei SIL „3“ bzw. PL „e“ hoch. Die Norm bietet für jeden der Risikoparameter eine kleine Auswahl an vordefinierten Werten an. PAScal fordert interaktiv zur Selektion dieser Werte für alle benötigten Parameter auf und bestimmt daraus den erforderlichen SIL oder PL. Je höher das Risiko, desto höher ist die Anforderungen an das Steuerungssystem. Der Beitrag, den Zuverlässigkeit und Struktur dabei leisten, kann in Abhängigkeit von der verwendeten Technologie variieren.

Schritt 3 - Gestaltung und technische Realisierung der Sicherheitsfunktionen

Die Bestimmung der Sicherheitsfunktionen einer Maschine ist ebenfalls Teil des Prozesses. Dazu zählen auch die Sicherheitsfunktionen der Steuerung, wie z. B. zur Verhinderung eines unerwarteten Anlaufs. Bei der Bestimmung der Sicherheitsfunktionen ist immer darauf zu achten, dass eine Maschine unterschiedliche Betriebszustände (z. B. Automatik- und Einrichtbetrieb) hat. Die Schutzmaßnahmen für diese einzelnen Zustände können damit durchaus unterschiedlich sein: z. B. Schleichgangfahrt im Einrichtbetrieb bzw. Zweihandbedienung im Automatikbetrieb.

Für die Resalisierung von Sicherheitsfunktionen sind im Safety Calculator Applikationsbeispiele wie z. B. für eine Schutztürüberwachung hinterlegt.

Schritt 4 – Bestimmung der erreichten SIL / PL und quantitative Betrachtung

Um den erreichten SIL oder PL zu bestimmen, wird die Sicherheitsfunktion in drei Teilsysteme zerlegt: Sensor (Eingang), Logik (Ausgang) und Aktor. Jedes dieser Teilsysteme leistet einen Beitrag zur Sicherheitsfunktion. Das Zusammenfügen und Konfigurieren der einzelnen Teilsysteme lässt sich im PAScal ganz einfach durch Drag-and-Drop aus der umfangreichen Komponentenbibliothek durchführen. Diese enthält bereits die Produkte von Pilz und wird kontinuierlich erweitert. Natürlich haben Anwender aber auch die Möglichkeit eigene Komponenten zu hinterlegen.

Schritt 5 - Verifikation

Dieser Schritt klärt die Frage, inwieweit der erzielte auch dem geforderten Safety Integrity Level bzw. Performance Level entspricht: dieser sollte jeweils gleich bzw. größer dem geforderten Wert aus der Risikobeurteilung sein. Den nun folgenden, mathematisch etwas anspruchsvolleren Teil für die Bestimmung des erreichten Safety Integrity Levels übernimmt komplett die Software. Jedes der Teilsysteme leistet einen Beitrag zur Sicherheitsfunktionen. Abhängig von der verwendeten Schaltungsarchitektur wird anhand einer von der Norm vorgegebenen Formel die Wahrscheinlichkeit für einen gefährlichen Ausfall pro Stunde für jedes Teilsystem errechnet und anschließend aufaddiert.

Die erforderliche und normalerweise sehr aufwendige Dokumentation lässt sich über PAScal ganz einfach per Knopfdruck erstellen.

Das Softwaretool PAScal zeigt neben dem Ergebnis auch die Beiträge der einzelnen Komponenten grafisch an, so dass gegebenenfalls an den richtigen Stellen nachgebessert werden kann.

Softwaretools wie der Safety Calculator PAScal vereinfachen die Berechnung und helfen Zeit zu sparen. Ein wichtiges Kriterium, wenn sich Sicherheitsfunktionen an Maschinen ändern und so eine erneute Berechnung erforderlich wird.

*Martin Maier ist zuständig für das Produktmanagement bei der Pilz GmbH & Co. KG, Ostfildern.

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