1 UNI EN ISO 13849-1: i circuiti di comando e la sicurezza sulle macchine Angelo Maggioni Quadra...

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UNI EN ISO 13849-1: i circuiti di comando e la sicurezza

sulle macchine

Angelo Maggioni Quadra S.r.l.www.quadrasrl.net

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Allegato I, Direttiva 2006/42/CESicurezza ed affidabilità dei sistemi di comando (§1.2.1)

• I sistemi di comando devono essere progettati e costruiti in modo da evitare l'insorgere di situazioni pericolose. In ogni caso essi devono essere progettati e costruiti in modo tale che:– resistano alle previste sollecitazioni di servizio e agli influssi esterni,– un'avaria nell'hardware o nel software del sistema di comando un'avaria nell'hardware o nel software del sistema di comando

non crei situazioni pericolose,non crei situazioni pericolose,– errori della logica del sistema di comando non creino situazioni

pericolose,– errori umani ragionevolmente prevedibili nelle manovre non creino

situazioni pericolose.

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Proroga norma UNI EN 954-1:1998• Con la “Comunicazione della Commissione

nell’ambito dell’applicazione della direttiva 2006/42/CE del Parlamento europeo e del Consiglio, relativa alle macchine e che modifica la direttiva 95/16/CE (rifusione) 2009/C 321/09”, pubblicata sulla Gazzetta ufficiale dell’Unione europea C 321 del 29/12/2009, è stata prolungata è stata prolungata la data di cessazione della presunzione di la data di cessazione della presunzione di conformità della norma UNI EN 954-1:1998 conformità della norma UNI EN 954-1:1998 (inizialmente prevista per il 28/12/2009) al al 31/12/2011.31/12/2011.

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Norme armonizzate• UNI EN ISO 13849-1 (2008)UNI EN ISO 13849-1 (2008):

Sicurezza del macchinario. Parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza. Parte 1: principi generali per la progettazione.

• CEI EN 62061 (2005)CEI EN 62061 (2005): Sicurezza del macchinario. Sicurezza funzionale dei sistemi di comando e controllo elettrici, elettronici ed elettronici programmabili correlati alla sicurezza.

PL PL

SILSIL

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Applicazione raccomandata delle norme CEI EN 62061 & UNI EN ISO 13849-1

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DefinizioniUNI EN ISO 13849-1

• Parte del sistema di comando correlata alla sicurezza – SRP/CS (Safety Related part of Control System)

– Parte di un sistema di comando che risponde a segnali di ingresso legati alla sicurezza e genera dei corrispondenti segnali di uscita legati alla sicurezza

• Guasto pericoloso (Dangerous failure)– Guasto che può potenzialmente portare la SRP/CS in uno stato

pericoloso o non in grado di effettuare la sua funzione.• Livello di prestazione – PL (Performance Level)

– Livello discreto usato per specificare l’abilità di un sistema di comando legato alla sicurezza di effettuare una funzione di sicurezza in determinate condizioni

• Livello di prestazione richiesto – PLr (required Performance Level)– Livello di prestazione (PL) applicato in modo da raggiungere i requisiti

richiesti per quanto riguarda la riduzione dei rischi

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Processo iterativo per la progettazione

della SRP/CSUNI EN ISO 13849-1

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Misure protettive per la riduzione del rischioUNI EN ISO 13849-1

• Le misure protettive per la riduzione del rischio che dovrebbero essere applicate sono:– riduzione della probabilità di guasti a livello dei probabilità di guasti a livello dei

componenticomponenti; lo scopo è quello di ridurre la probabilità di guasti che possano compromettere le funzioni di sicurezza; ciò può essere fatto aumentando l’affidabilità dei componenti, per esempio con la selezione di componenti testati o progettati secondo metodologie comprovate in modo da ridurre o escludere guasti critici

– miglioramento della struttura miglioramento della struttura della SRP/CS; lo scopo è quello di evitare gli effetti pericolosi di un guasto; per questo scopo può essere utile l’utilizzo di una struttura ridondante e/o monitorata

• Entrambe queste soluzioni possono essere applicate singolarmente o in modo combinato

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Funzioni di sicurezzaUNI EN ISO 13849-1 – §5

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PL richiesto (PLr)• Per ogni funzione di sicurezza che deve essere svolta da una

SRP/CS, si deve determinare e documentare un livello di prestazione richiesto (PLr). La determinazione del PLr è il risultato della valutazione dei rischi e si riferisce all’entità della riduzione del rischio a carico delle parti del sistema di comando legate alla sicurezza.

• Quanto maggiore è l’entità della riduzione del rischio richiesta da parte della SRP/CS, tanto più elevato deve essere il PLr.

• La valutazione del rischio prende in considerazione una una situazione precedente alla messa in atto della funzione di situazione precedente alla messa in atto della funzione di sicurezza previstasicurezza prevista; la riduzione del rischio mediante altre misure tecniche indipendenti dal sistema di comando (per esempio ripari fissi) o funzioni di sicurezza aggiuntive, può essere considerata nella determinazione del PLr.

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Grafico per la determinazione del PLr per la funzione di sicurezza

UNI EN ISO 13849-1 – Allegato A

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Stima del PL UNI EN ISO 13849-1

• Il PL della SRP/CS deve essere determinato stimando i seguenti aspetti:

– MTTFd di ciascun componente [appendici C e D];

– DC (copertura diagnostica) [appendice E];

– architettura e comportamento della funzione di sicurezza in condizioni di avaria [punto 6];

– CCF (guasti di causa comune) [appendice F];

– software legato alla sicurezza [punto 4.6 e appendice J];

– guasti sistematici [appendice G];

– capacità di eseguire la funzione di sicurezza nelle condizioni ambientali previste.

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Tempo medio ad un guasto pericoloso (MTTFd) UNI EN ISO 13849-1

• Il valore del MTTFd per ogni canale è espresso in tre livelli (vedi tabella); dovrebbero essere tenuti in considerazione i valori di ogni canale preso singolarmente (ad esempio singolo canale oppure ogni canale di un sistema ridondante).

• Per il MTTFd, viene preso in considerazione un tempo massimo di 100 anni.

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Tempo medio ad un guasto pericoloso (MTTFd) UNI EN ISO 13849-1

• Per la stima del MTTFd di un componente, si possono utilizzare, nell’ordine dato, i seguenti criteri:– utilizzare i dati forniti dal costruttore;– utilizzare i metodi esposti in allegato C ed in allegato D;– scegliere un tempo di 10 anni.

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Norme che trattano MTTFNorme che trattano MTTFdd o B o B10d10d dei componenti dei componentiUNI EN ISO 13849-1 – Allegato C - Paragrafo C.2UNI EN ISO 13849-1 – Allegato C - Paragrafo C.2

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Calcolo e valutazione del MTTFCalcolo e valutazione del MTTFdd UNI EN ISO 13849-1 – Allegato C – Paragrafo C.4 UNI EN ISO 13849-1 – Allegato C – Paragrafo C.4

• Per i componenti pneumatici, meccanici ed elettromeccanici, il parametro B10d è il numero di cicli in cui il 10% dei componenti si guasta pericolosamente

dove nop è il numero di operazioni all’anno

• Il tempo medio entro il quale il 10% dei componenti pneumatici, meccanici ed elettromeccanici si guasta pericolosamente è dato da

• La relazione con il tempo medio al guasto pericoloso è la seguente10T

0,1

TMTTF 10d

10dd

op

10d10d n

BT

op

10dd n0,1

BMTTF

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Metodo semplificato per la stima del MTTFd per ogni canale

UNI EN ISO 13849-1 – Allegato D

• Il valore di MTTFd di tutti i singoli componenti che compongono un canale sono usati nel calcolo

• MTTFd è quello complessivo dell’intero canale• MTTFdi, MTTFdj è il MTTFd di ogni componente che ha un ruolo

nell’esecuzione della funzione di sicurezza• La prima somma è quella in cui i componenti hanno valori di

MTTFdi diversi tra di loro; la seconda è quella in cui gli nj componenti hanno MTTFdj identici

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• MTTFd per diversi canali, simmetrizzazione del MTTFd per ogni canale– In una SRP/CS ridondante, se il valore del MTTFd è lo stesso per ogni canale

il valore complessivo è il medesimo di quello dei canali.– Se il MTTFd dei canali differisce, ci sono due possibilità:

• deve essere utilizzato il valore più basso come assunzione del caso peggiore;• la seguente equazione può essere usata per stimare il valore di MTTFd

assumibile per ogni canale:

dove MTTFd C1 e MTTFd C2 sono i due valori dei canali ridondanti

Metodo semplificato per la stima del MTTFd per ogni canale

UNI EN ISO 13849-1 – Allegato D

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Copertura diagnostica (DC)UNI EN ISO 13849-1

• Il valore di DC viene espresso in quattro livelli (vedi tabella)• Per la stima di DC, nella maggior parte dei casi la failure mode and

effects analysis (FMEA) o metodi simili possono essere utili. In questo caso tutti i guasti rilevanti o i modi di guasto possono essere considerati.

• In alternativa, è possibile utilizzare il metodo semplificato, sottoforma di tabella, riportato in Allegato E.

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Criteri di stima della copertura diagnostica mediaUNI EN ISO 13849-1 – Allegato E

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Requisiti per le categorieUNI EN ISO 13849-1

CategoriaCategoria Riassunto dei requisitiRiassunto dei requisiti Comportamento Comportamento del sistemadel sistema

Princìpi per Princìpi per ottenere la ottenere la sicurezzasicurezza

MTTFMTTFdd

di ogni di ogni canalecanale

DCDCavgavg CCFCCF

B

Le parti legate alla sicurezza dei sistemi di comando e/o delle

loro attrezzature di protezione e dei loro componenti devono essere progettate, costruite,

scelte, montate e combinate in conformità alle relative norme in

modo che possano resistere alle influenze previste.

Devono essere usati princìpi di sicurezza basilari.

Il verificarsi di un guasto può portare

alla perdita della funzione di sicurezza.

Essenzialmente caratterizzati

dalla scelta dei componenti

Da basso a medio

NessunaNon

rilevante

1

Si devono applicare i requisiti della categoria B.

Devono essere usati componenti e princìpi di sicurezza ben collaudati.


alla perdita della funzione di

sicurezza, ma la probabilità che si

verifichi è minore di quella della categoria B.

Essenzialmente caratterizzati

dalla scelta dei componenti

Alto NessunaNon

rilevante

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MTTFMTTFdd


DCDCavgavg CCFCCF

2

Si devono applicare i requisiti della categoria B e l’uso di princìpi di sicurezza ben

collaudati.

La funzione di sicurezza deve essere verificata ad opportuni

intervalli dal sistema di controllo della macchina.


alla perdita della funzione di sicurezza

nell’intervallo tra le due verifiche.

La perdita della funzione di

sicurezza viene rilevata dalla

verifica.

Essenzialmente caratterizzati dalla struttura

Da basso a

alto

Da bassa a media

Rilevante


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MTTFMTTFdd


DCDCavgavg CCFCCF

3

Si devono applicare i requisiti della categoria B e l’uso di princìpi di sicurezza ben

collaudati.Le parti legate alla sicurezza devono essere progettate in

modo che un singolo guasto in una qualsiasi di queste parti non

porti ad una perdita della funzione di sicurezza e

ogniqualvolta sia ragionevolmente possibile il

singolo guasto venga rilevato.

Quando si verifica il singolo guasto la

funzione di sicurezza viene

sempre assicurata. Vengono rilevati

alcuni ma non tutti i guasti. L'accumulo

di guasti non rilevati può portare alla perdita della

funzione di sicurezza.


Da basso a

alto

Da bassa a media

Rilevante


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CategoriaCategoria Riassunto dei requisitiRiassunto dei requisiti Comportamento del Comportamento del sistemasistema


MTTFMTTFdd


DCDCavgavg CCFCCF

4

Si devono applicare i requisiti della categoria B

e l’uso di princìpi di sicurezza ben collaudati.

Le parti legate alla sicurezza devono essere progettate in modo che

un singolo guasto in una qualsiasi di queste parti non porti ad una perdita

della funzione di sicurezza e il singolo

guasto venga rilevato in corrispondenza o prima

della successiva richiesta della funzione di

sicurezza.

Se ciò non è possibile, un accumulo di guasti non

deve portare alla perdita della funzione di

sicurezza.

Quando si verifica il singolo guasto la

funzione di sicurezza viene sempre

assicurata.

Il rilevamento di guasti accumulati

riduce la probabilità di perdita della

funzione di sicurezza (DC alta).

I guasti vengono rilevati in tempo per

evitare la perdita della funzione di

sicurezza.


Alto

Alta (compreso

l’accumulo dei guasti)

Rilevante


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• Per una stima più semplice del PL possono essere fatte le seguenti assunzioni se l’architettura utilizzata rientra in quelle riportate al §6.2 della norma UNI EN ISO 13849-1:– un tempo di utilizzo di 20 annitempo di utilizzo di 20 anni;– un tasso di guasto costante tasso di guasto costante per tutto il periodo di utilizzo;– per una categoria 2, un rapporto rrdd ≤ 1/100 r ≤ 1/100 rtt;– per una categoria 2 un MTTFd,TE maggiore della metà del MTTFd,L.

MTTFd,TE = MTTFd del componente che esegue il test per la rilevazione dei guasti

MTTFd,L = MTTFd del componente che esegue le funzioni della SRP/CS• Il PL di ogni SRP/CS dipende dall’architettura, dal MTTFd per ogni canale e dal

DCavg.• Nel caso di architetture con PLr da a a c, le misure per evitare i guasti possono

essere sufficienti; per applicazioni con rischi maggiori, PLr da d a e, la struttura della SRP/CS deve prevedere misure per evitare, individuare e tollerare i guasti.

• Misure pratiche includono la ridondanzaridondanza, la diversitàdiversità e il monitoraggiomonitoraggio.• Per le categorie 2, 3 e 4, devono essere previste sufficienti misure per la riduzione

dei guasti di causa comune (CCF)guasti di causa comune (CCF).

Procedura semplificata per la stima del PL UNI EN ISO 13849-1

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Stima numerica del PLUNI EN ISO 13849-1 – Allegato K

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Stima numerica del PLUNI EN ISO 13849-1 – Allegato K

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MTTFd

basso

MTTFd medio

MTTFd alto

Procedura semplificata per la stima del PL UNI EN ISO 13849-1

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Esempio di calcolo – Riparo mobile interbloccato

• Funzione di sicurezza: arresto del funzionamento del motore all’apertura di un riparo mobile

• Il riparo è interbloccato per mezzo di due microinterruttori (B1 e B2) il cui segnale viene portato in ingresso ad un modulo di sicurezza (K1)

• La concordanza dei sensori di ingresso viene monitorata dal modulo di sicurezza che in questo modo rileva eventuali guasti dei sensori

• I teleruttori (Q1 e Q2) tolgono l’alimentazione al motore; i contattori vengono monitorati inserendo contatti nel circuito di ripristino del modulo di sicurezza

• Il guasto di un singolo componente non comporta la perdita della funzione di sicurezza

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Dati forniti dal costruttore• Il modulo di sicurezza viene dichiarato dal costruttore conforme alla

categoria 4, PL e (oppure SIL 3) e PFHD,K1=2,3110-9

• B10d,B1= 1.000.000 cicli

• B10d,B2= 500.000 cicli

• nop= 35.040 (365 giorni, 24 ore/giorno, top=900 s)

• B10d,Q1=B10d,Q2=2.000.000 cicli

• Q1 e Q2 sono teleruttori a contatti legati

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CalcoliUNI EN ISO 13849-1

• MTTFd,Q1= 570,77 anni• MTTFd,Q2= 570,77 anni• MTTFd,B1= 285,38 anni• MTTFd,B2= 142,69 anni

• T10d,Q1= 57 anni• T10d,Q2= 57 anni• T10d,B1= 28,5 anni• T10d,B2= 14,2 anni (componente da sostituire prima del mission time)

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• DCB1 = DCB2 = 99% controllo della concordanza dei segnali in ingresso

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• DCQ1 = DCQ2 = 99% monitoraggio diretto da parte del modulo di sicurezza grazie alla retroazione ed ai contatti legati

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Calcolo sottosistemiUNI EN ISO 13849-1

• Sottosistema 1 (sensori B1 e B2)

– Si applica la limitazione dei canali a 100 anni

– MTTFd = 100 anni (alto)

– DC = 99% (alta)

– Categoria 4

– PL = e PFHD = 2,4710-8

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Calcolo sottosistemiUNI EN ISO 13849-1

• Sottosistema 3 (contattori Q1 e Q2)

– Si applica la limitazione dei canali a 100 anni

– MTTFd = 100 anni (alto)

– DC = 99% (alta)

– Categoria 4

– PL = e PFHD = 2,4710-8

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Risultato finaleUNI EN ISO 13849-1

• Per ottenere il valore finale si sommano i valori di PFHD dei singoli sottosistemi

• PFHD,totale= PFHD,B1//B2+PFHD,K1+PFHD,Q1//Q2 =

= (2,47 + 0,231 + 2,47)10-8 = 5,17110-8 PL = e

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Esclusione di guastiUNI EN ISO 13849-1

• Non è sempre possibile valutare gli SRP/CS senza escludere determinati guasti. Per l’esclusione dei guasti fare riferimento alla Per l’esclusione dei guasti fare riferimento alla norma UNI EN ISO 13849-2norma UNI EN ISO 13849-2.

• La norma UNI EN ISO 13849-2 riporta un elenco dei guasti che è possibile escludere suddivisi a seconda della tecnologia (meccanica, pneumatica, idraulica ed elettrica).

• L’esclusione di guasti è un compromesso tra i requisiti di sicurezza e la teorica possibilità di accadimento di un guasto.

• L’esclusione di un guasto può essere basata su:– improbabilità tecnica improbabilità tecnica di avere un certo tipo di guasto,– esperienza tecnica esperienza tecnica comunemente accettata, indipendente da un

particolare tipo di applicazione,– requisiti tecnici requisiti tecnici relativi all’applicazione e a specifici rischi.

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Esclusione di guastiISO/TR 23849:2010

• Non è opportuno che il raggiungimento di un PL pari ad “e” sia basato unicamente sull’esclusione di guasti (ISO/TR 23849:2010); in generale, è necessario essere sempre più critici sulla possibilità di escludere un guasto al crescere del livello di prestazione richiesto.

• In generale, l’esclusione dei guasti non dovrebbe essere In generale, l’esclusione dei guasti non dovrebbe essere applicabile agli aspetti meccanici dei microinterruttori di applicabile agli aspetti meccanici dei microinterruttori di interblocco e degli interruttori azionati manualmente (ad es. interblocco e degli interruttori azionati manualmente (ad es. comando di arresto di emergenza). comando di arresto di emergenza).

• Le esclusioni dei guasti permesse per i guasti di tipo meccanico sono descritti dalla norma UNI EN ISO 13849-2.

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Esempio – Riparo mobile interbloccato

• Funzione di sicurezza: arresto del funzionamento del motore all’apertura di un riparo mobile interbloccato con un microinterruttore a spinetta

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Il riparo è interbloccato per mezzo di n. 1 microinterruttore B con n. 2 contatti (B1 e B2) il cui segnale viene portato in ingresso ad un modulo di sicurezza.

Non escludendo il guasto di tipo meccanico (ad esempio allentamento della camme) del microinterruttore, la SRP/CS nel suo complesso è in categoria 1.

Eseguendo gli opportuni calcoli, si ottiene:

PFHPFHd,totaled,totale= 1,17= 1,171010-6 -6 PL = c PL = c

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Il riparo è interbloccato per mezzo di n. 1 microinterruttore B con n. 2 contatti (B1 e B2) il cui segnale viene portato in ingresso ad un modulo di sicurezza.

Escludendo il guasto di tipo meccanico del microinterruttore, la SRP/CS nel suo complesso è in categoria 4.

Eseguendo gli opportuni calcoli, si ottiene:

PFHPFHd,totaled,totale= 5,171= 5,1711010-8 -8 PL = e PL = e

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