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AntriebstechnikDer Gefahr keine Chance

Funktionale Maschinen-Sicherheit
Antriebstechnik: Der Gefahr keine Chance
Immer dann, wenn Anlagen/Maschinen mit elektrischer Energie versorgt und mechanische Komponenten bewegt werden, entstehen Gefahren, die unangenehme Folgen für Mensch, Umwelt und Maschinen haben können. Vor allem gesundheitliche Schäden zu vermeiden, ist die Aufgabe sicherheitsgerichteter Systeme für Bewegungssteuerung, Signalübertragung und Notfallsysteme.

Die Zertifizierung nach der EU-Maschinenrichtlinie 98/37/EG (Neufassung 2006/42/EG) – unterstützt von einem umfassenden europäischen und internationalen Normenwerk aus Grund-, Gruppen- und produkt-/industriespezifischen Fachnormen – sorgt technologieabhängig für die erforderliche funktionale Sicherheit bei gefährlichen Einrichtungen. Damit bleiben interne Ausfälle/Störungen sowie Bedienungsfehler bei Hand- und Notbetrieb ohne ernsthafte Folgen.

Sicherheitssysteme werden bevorzugt von Handhabungs- und Transporteinrichtungen, Robotern, Werkzeug-, Bearbeitungs-, Verpackungs-, Nahrungsmittelmaschinen und Steuerungen/Computer für vergleichbare Anlagen verlangt. Entsprechend DIN 31004/40041 schließen solche sicherheitsgerichteten Anlagen innerhalb bestimmter Grenzen für eine definierte Zeit Gefahren aus oder verhindern ihren Eintritt.

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Gefährdungsursachen

Zu Störungen der Funktion führen neben Entwurfs- und Herstellungsfehlern in erster Linie Zufallsausfälle von Bauelementen (Bereich der Ausfallrate Lambda = konstant in der Badewannenkurve). Darüber hinaus wirken in diesem Sinne Umgebungseinflüsse (Abweichungen von den zulässigen Einsatzbedingungen wie Überspannung, Temperatur, Feuchtigkeit, mechanische Schwingungen) sowie Instandhaltungs- und Wartungsdefizite. Hinter beiden Einwirkungsmöglichkeiten steckt meist die Missachtung der in der Erzeugnisdokumentation vorgeschriebenen Maßregeln. Ebenso ist das Gefährdungspotenzial wegen Fehlbedienung (menschliches Versagen), infolge Überforderung des Bedienungspersonals und durch andere subjektive Ursachen zu berücksichtigen.

Gefährdungswirkungen

Die genannten Ursachen bewirken das Sinken von Zuverlässigkeit/Verfügbarkeit und Sicherheit. Erzeugt ein dadurch initiierter Maschinenausfall lediglich Kosten, sollte dieser Kennwert denkbar hoch sein, damit der wirtschaftliche Schaden gering bleibt. Zusätzliche Sicherheit verlangen Anlagen, die Menschen und Umwelt gefährden.

Die Zuverlässigkeit mindernde, statistisch verteilte Ausfälle lassen sich in Frühausfälle (Bauelementemängel, Fertigungsfehler; vor Auslieferung über Dauertests abfangbar), Zufallsausfälle in der Nutzungsphase Lambda = konstant, Ermüdungsausfälle (nach Ende der Lebensdauer vor der Verschrottung) unterteilen. Sicherheitsgerichtete Einrichtungen werden mit zusätzlichen Größen beschrieben. Sichere Fehler beeinflussen die Sicherheit nicht. Gefährliche Fehler dagegen erzeugen Gefahren, wobei der weitaus kleinere Anteil nicht entdeckbarer Defekte besonders kritisch ist.

Gefährdungsvermeidung

Um die Risiken für Personen und Umwelt zu minimieren, müssen Gefahren erkannt und beurteilt werden, um sie anschließend abwenden zu können. Im Ergebnis von Risikoanalyse und -bewertung lässt sich die vorhandene Gefährlichkeit anhand verschiedener Methoden (DIN EN 954-1, DIN EN 61508, IEC 61508/IEC 61 511) quantitativ beschreiben. DIN EN 954-1 definiert zu diesem Zweck mit den Sicherheitskategorien grundlegende Forderungen an die Maschine. Sie gehen aus der Antriebstechnik hervor, da Bedrohungen in der Hauptsache aus ihren rotatorischen oder translatorischen Bewegungen resultieren. Die Anforderungsklassen AK 1...8 nach DIN V 19250 (ersetzt mit der Normenreihe DIN EN 61508/VDE 0803) entsprechen Sicherheitsintegritätsniveaus (Safety Integrity Level SIL 1...4 nach IEC 61508/IEC 61 511). Alle Stufen definieren einen bestimmten Grad der funktionalen Sicherheit, die Kennzahlen werden quasi zu ihrem Synonym. Mit der Ordnungszahl steigt das zu beherrschende Risiko, Personen können sich immer besser geschützt fühlen. Allerdings werden die zu treffenden Maßnahmen hinsichtlich der Auswahl der einzusetzenden Geräte – und des Aufbaus des sicherheitsgerichteten Stromkreises überhaupt – zunehmend anspruchsvoller. Ergebnisse sind in der Regel von externen, unabhängigen Institutionen anhand gültiger Normen und Richtlinien zu zertifizieren. In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, dass gemäß DIN EN 60204-1 11/99 (VDE 0113 Teil 1) funktionale Sicherheit nicht nur mit elektromechanischen Mitteln, sondern ebenso mit elektronischen, programmierbaren Komponenten erreicht werden darf. (Ausgenommen bleibt weiterhin das Abschalten der Stromzufuhr.) Unmittelbar in das Gesamtsystem integriert, bringen solche Lösungen für den Anwender eine erhebliche Kostensenkung bei gleichzeitigem Risikoabbau, weil sich das Bauvolumen vermindert, die Montagezeit durch das Entfallen zusätzlicher Geräte (zum Beispiel von Gebern) sinkt, im Fehlerfall die Reaktionszeit kürzer ist, die Projektierung von Sicherheitsstromkreisen flexibler und schneller wird.

Die Konformitätserklärung belegt das dimensionierte Sicherheitsniveau. Überstehen mindestens 1.000 Geräte einen erfolgreichen Einsatz über einen definierten Zeitraum, erlaubt diese Betriebsbewährung den Ausweis etwa der nächst höheren SIL-Stufe.

Funktionale Sicherheit kann mit folgenden Mittel erreicht werden:

–<en-space>Applikation ausgesuchter Bauelemente und Geräte (Erkennen/Vermeiden von Frühausfällen durch Dauertests vor der Auslieferung, Stressprüfung bei erhöhter Umgebungstemperatur, Überspannung und Überlast) für erhöhte Zuverlässigkeit,

–<en-space>strukturelle Maßnahmen mit Hardware-, Software-, Informations-, Zeitredundanz (im Ergebnis entstehen fehlertolerante Systeme, die bis zu einer bestimmten Anzahl interner Fehler bestimmungsgemäß weiter arbeiten),

–<en-space>Einsatz gefahrloser Fail Safe-Technik (Systemeigenschaft im Fehlerfall, mittels der die Maschine im sicheren Zustand bleibt oder unmittelbar in einen solchen wechselt).

Zur Sicherheit tragen darüber hinaus bei: die serielle Bus-Kommunikation mittels sicherheitsgerichteten Protokollen (wie Interbus-Safety, Profisafe, EPLsafety) bevorzugt zum Übermitteln von Befehlen/Notsignalen und Sicherheitspositionsmeldungen, zum Parametrieren von Sicherheitsfunktionen unmittelbar in der Informationsverarbeitung der Anlage sowie eine sicherheitsgerichtete Programmtechnik inklusive ihrer Programmier- und Testwerkzeuge. Derartige Software mit besonders hoher Funktionalität verhindert gefährliche Situationen, beispielsweise einen Programmabsturz. Sie garantiert bereits SIL 3.

Joachim Krause

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