Einfache Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit sicherheitsbezogener Steuerungen

Status:

abgeschlossen 08/2007

Zielsetzung:

Die Norm ISO 13849-1 (EN 954-1 "Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen - Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze") stellt als übergeordnete Maschinennorm Anforderungen an sicherheitsbezogene Steuerungen hinsichtlich Struktur und Ausfallwahrscheinlichkeit. Die seit 1997 aktuelle Fassung definiert dazu unabhängig von der Technologie (Mechanik, Pneumatik, Hydraulik, Elektrik) fünf typische Steuerungsarchitekturen, sogenannte Kategorien (ein- oder zweikanalig, getestet/ungetestet). Um eine Angleichung an Bewertungsprinzipien der Sicherheitsgrundnorm EN 61508 "Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme" für elektrische, elektronische und programmierbare elektronische Steuerungen zu erreichen, sollte in einer Überarbeitung der EN ISO 13849-1 die Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit stärker berücksichtigt werden.
Als Hilfe für den Anwender der Maschinennorm ISO 13849-1 sollten innerhalb des Projektes genau definierte und praktikable Methoden entwickelt werden, um einfach und schnell für übliche Steuerungsrealisierungen die Ausfallwahrscheinlichkeit vorhersagen zu können. Das bisherige Kategoriekonzept sollte dazu in einen größeren Rahmen eingebettet werden. Die Besonderheiten der unterschiedlichen Technologien, z. B. stark verschleißbehafteter oder programmierbarer Komponenten, mussten dabei berücksichtigt werden.

Aktivitäten/Methoden:

Basierend auf typischen Steuerungsstrukturen für die aus EN 954-1 bekannten fünf Kategorien wurden mithilfe wissenschaftlicher Methoden (z. B. Markov-Modellierung) möglichst einfache Zusammenhänge zwischen der Ausfallwahrscheinlichkeit einer Steuerung und ihrer Struktur, der Lebensdauer der Komponenten, der Testqualität und der Widerstandfähigkeit gegen Mehrfachfehler ermittelt. Zur Bestimmung dieser vier Parameter wurde für alle Steuerungstechnologien (Mechanik, Pneumatik, Hydraulik und Elektrik) ein einfaches Verfahren mithilfe von Tabellen, Beispielwerten, simplen Umrechnungsformeln und Worst-case-Abschätzungen entwickelt. Abgestufte Maßnahmen zur Softwaresicherheit wurden integriert. Hilfestellungen für den Maschinenhersteller wurden erarbeitet, z. B. ein Tool zur PC-gestützten Anwendung des Verfahrens und Beispiele von Steuerungsbewertungen.

Ergebnisse:

Im Rahmen des Projektes wurden die vorhandenen Methoden vervollständigt. Z. B. wurde für verschleißbehaftete Komponenten (Pneumatik, Elektromechanik) ein einfaches Verfahren zur Umrechnung von Schaltspielen (B_10d) in die in der Norm verwendeten Zuverlässigkeitswerte (MTTF_d) entwickelt. Dies wurde ergänzt durch Grundlagenarbeit zur Ermittlung des B_10d-Wertes in Lebensdauerprüfungen oder durch tabellierte Richtwerte (Verfahren guter ingenieurmäßiger Praxis). Die Methoden wurden für mechanische, elektromechanische und fluidtechnische Komponenten erstellt. Vorhandene Ansätze für abgestufte Software-Anforderungen wurden weiter ausgearbeitet, z. B. durch Entwicklung einer Richtlinie zur Behandlung von fertigen Standardkomponenten mit integrierter Software. Erfahrungen aus der Anwendung an realen Steuerungsbeispielen führten zu Ergänzungen der normativ vorgeschlagenen Methodik. So wurde beispielsweise ein Interpolationsverfahrens für die Ermittlung der Gesamtausfallwahrscheinlichkeit hergeleitet. Auch der Einfluss der Häufigkeit von automatischen Tests wurde mathematisch untersucht und durch eine einfach anwendbare Formel abgeschätzt. Als Übergangshilfe speziell für kleine und mittelständische Unternehmen wurden Hinweise zum Übergang der bestehenden in die zukünftigen normativen Anforderungen erstellt.

Die Projektergebnisse sind etwa zur Hälfte in eine Berichtigung und Ergänzung der Norm und in Handlungshilfen zur praktischen Anwendung der Norm eingeflossen. Auch für die Prüftätigkeit wurden Prüflisten entwickelt. Schon während des Projektes flossen Zwischenergebnisse durch Präsentationen und Veröffentlichungen in die Beratung von Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V. (VDMA), Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. (ZVEI) sowie Herstellern und Fachausschüssen ein.

Weitere Informationen:

Stand: