ZuverSicht - Effiziente Erhöhung der Zuverlässigkeit in sicherheitskritischen Systemen der Mechatronik

Status:

abgeschlossen 09/2009

Zielsetzung:

Die Anzahl der Vorschriften zur Maschinensicherheit und international strenger Produkthaftungsgesetze nimmt zu, Konventionalstrafen steigen. Daher wird das Thema "Hohe Verfügbarkeit bei gleichzeitiger Sicherheit" zu einem Handlungs- und Forschungsgegenstand des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus. Herkömmliche Methoden (z. B. Einsatz von Spezialkomponenten oder Redundanzlösungen) treiben die Kosten in die Höhe. Sie schränken die Anlagenflexibilität bei Umrüstungen ein. Mit den kostengünstigen Ansätzen, bei denen im Fehlerfall sofort in den sicheren Zustand gewechselt wird, ist dagegen die gewünschte Verfügbarkeit der gesamten Anlage nicht zu erreichen. Die Funktionalität und Dynamik moderner Maschinen und Anlagen wächst infolge des verstärkten Einzugs der Mechatronik. Das Projekt konzentrierte sich daher auf mechatronische Systeme, in denen mechanische, elektronische und informationstechnische Elemente gemeinsam wirken. Es zeichnet sich ab, dass diese Komplexität mit den bewährten Methoden zukünftig schwer zu bewältigen sein wird.
Ziel des Projekts ZuverSicht war die effiziente Erhöhung der Zuverlässigkeit von Maschinen und Anlagen bei nachweisbar erfüllten Sicherheitsanforderungen. Vorgesehen war ein neuer methodischer Modellierungsansatz, basierend auf einer neuen Architektur für mechatronische Systeme.

Aktivitäten/Methoden:

Im Projekt wurde eine neue methodische Vorgehensweise für die Entwicklung von Systemen und Teilsystemen ausgearbeitet, die auf einer neuen Architektur basiert. Es entstand ein Leitfaden (auch als elektronisches Tool), um die Ergebnisse nach Ende des Projektes besser zu verbreiten. Des Weiteren wurde ein Tool zur Analyse von Zuverlässigkeit und Sicherheit einzelner Komponenten und des Gesamtsystems entwickelt. Das Tool ermöglicht während des gesamten Entwicklungsprozesses konkrete Aussagen zum Zuverlässigkeits- und Sicherheitsstatus (z. B.: Anzahl der gefährlichen Ausfälle pro Jahr).
Für den Markterfolg von mechatronischen Produkten mit Sicherheitsaufgaben ist deren zügige Zertifizierbarkeit von Bedeutung. Die bei neuartigen und technologisch anspruchsvollen Sicherheitsprodukten unumgängliche entwicklungsbegleitende Prüfung wurde bereits im Architekturmodell berücksichtigt. Die vorgesehene Schichtenarchitektur bildet das grundlegende Konzept zur Erreichung von Sicherheit. Parallel hierzu wurde eine Schrittabfolge beschrieben, die einen lückenlosen und effizienten Sicherheitsnachweis ermöglicht.

Ergebnisse:

Es wurden folgende Projektergebnisse erzielt: ein Konzept und eine Methode für den effizienten, angemessenen Nachweis von Sicherheit und Zuverlässigkeit; die Realisierung von Tools zur Unterstützung dieses Nachweises, eine Demonstrationsanlage sowie ein elektronischer Leitfaden mit Glossar.
Das ZuverSicht-Konzept sieht eine Aufteilung des Sicherheitsnachweises auf zwei Personen vor: den Sicherheitsexperten und den Anlagenbauer. Für einen effizienten Nachweis können nun parametrierbare, aber schon vorgerechnete Steuerungsmuster zur Umsetzung von Sicherheitsfunktionen verwendet werden. Die Muster werden vorab durch den Sicherheitsexperten erstellt, indem er für die in der Praxis relevanten Muster Rechenmodelle hinterlegt. Die Rechenmodelle basieren auf Markov-Modellen, die systematisch generiert werden. Für die einzelnen Schritte der Generierung wurde ein formaler Algorithmus entwickelt, der die Basis für die Implementierung eines Berechnungs-Tools darstellt. Mit dieser Methode ist es dem Sicherheitsexperten dann möglich, komplexe Modelle automatisiert zu erzeugen. Der Anlagenbauer muss nur noch das für seine Sicherheitsfunktion passende Muster auswählen, die Zuverlässigkeitskennwerte der eingesetzten Steuerungskomponenten ergänzen und erhält daraus die benötigten Systemkennwerte zur Zuverlässigkeit und Sicherheit.
Eine realisierte Modellanlage für Fertigungstechniken demonstriert die Vielfalt an typischen Sicherheitsfunktionen. Sicherheitsberechnungen von Teilen der Anlage wurden mittels der im Projekt entwickelten Berechnungsmethodik durchgeführt.
Der elektronische Leitfaden enthält neben den thematischen Grundlagen vor allem die Beschreibung der Modellierungsmethodik und Dokumentation der erstellten Tools. Er wurde als Wiki (digitales Lexikon) realisiert, damit die vorhandenen Informationen schnell und einfach von allen Partnern erweitert werden können und als Webseite einem breiten Publikum zugänglich sind.

Stand: