Application note dati di sicurezza funzionale e affidabilità per l'avviamento e la protezione dei motori
APPLICATION NOTE
Dati di sicurezza funzionale e affidabilità per l'avviamento e la protezione dei motori Valori B10 e B10D
2024-04-26
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DATI DI SICUREZZA FUNZIONALE E AFFIDABILITÀ PER L'AVVIAMENTO E LA PROTEZIONE DEI MOTORI
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DATI DI SICUREZZA FUNZIONALE E AFFIDABILITÀ PER L'AVVIAMENTO E LA PROTEZIONE DEI MOTORI
_ Indice
Premessa .................................................................................................................................................................................. 4
1. Generale ................................................................................................................................................................................ 5 1.1 Scopo del documento .................................................................................................................................................................. 5 1.2 Caratteristiche di sicurezza ........................................................................................................................................................ 5 1.3 Fattori di sicurezza funzionale per prodotti elettromeccanici ........................................................................................... 6 1.4 Livelli di implementazione dei prodotti per la sicurezza ..................................................................................................... 7 1.5 Quali parametri di sicurezza per quali prodotti ..................................................................................................................... 8 1.6 Come determinare il SIL/PL di una funzione di sicurezza ................................................................................................... 9 1.6.1 Determinare il SIL o il PL richiesto ................................................................................................................................. 10 1.6.2 Come determinare il SIL richiesto (IEC / EN 62061) .................................................................................................. 10 1.6.3 Come determinare il PL richiesto (EN ISO 13849- 1) ................................................................................................... 11 1.6.4 Implementare un sistema di sicurezza funzionale ..................................................................................................... 12 1.6.5 Verifica di una funzione di sicurezza ............................................................................................................................. 13 1.6.5.1 Verifica del SIL della funzione di sicurezza (IEC/EN 62061) ................................................................................. 13 1.6.5.2 Verifica del PL di una funzione di sicurezza (EN ISO 13849-1) ............................................................................. 15 2. Tassi di guasto degli elementi di sicurezza per applicazioni ad alta domanda - B10 e B10D .................................... 16 2.1 Cosa sono i valori B 10 e B 10D ....................................................................................................................................................... 16 Perché mi servono i valori B 10 e B 10D ? ...................................................................................................................................... 16 2.2 Valori B10 e B10D .......................................................................................................................................................................... 17 Esempio per calcolare λD , il tasso di guasti pericolosi all’ora ........................................................................................... 18 3. Tassi di guasto degli elementi di sicurezza per l'applicazione a bassa domanda - PFD ............................................ 19 3.1 Valori PFDavg ............................................................................................................................................................................... 19 4. ABB e gli strumenti per le applicazioni di sicurezza ...................................................................................................... 20 4.1 Strumento di progettazione della sicurezza funzionale di ABB (FSDT-01) .................................................................... 20 4.2 SISTEMA ........................................................................................................................................................................................ 20
5. Riferimenti ......................................................................................................................................................................... 21
6. Glossario ............................................................................................................................................................................ 23
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_ Premessa
ABB è pioniere e leader tecnologico di prodotti per l’elettrificazione, la robotica e il movimento, e l’automazione industriale, al servizio di clienti nelle utility, nell’industria, nei trasporti e nelle infrastrutture a livello globale. Con- tinuando una storia di innovazione lunga più di 130 anni, oggi ABB sta scrivendo il futuro della digitalizzazione in- dustriale con due chiari obiettivi: portare l’elettricità da qualsiasi impianto di generazione a ogni utenza e realiz- zare l’automazione nei processi industriali dalle materie prime ai prodotti finiti. Tutte le informazioni fornite in questa guida sono solo di carattere generale e ogni applicazione deve essere gestita singolarmente come caso specifico; l’utente deve quindi assicurarsi di seguire sempre tutte le normative/codici di installazione nazionali e locali per la propria applicazione specifica. Si noti che i valori qui riportati sono stati determinati da ABB con una procedura specifica e sono soggetti ad aspet- tative statistiche e alla corrispondente dispersione. Abbiamo determinato con cura i dati al meglio delle nostre cono- scenze. Tuttavia, desideriamo chiarire che la trasmissione dei dati non costituisce un'estensione delle specifiche dei prodotti né una garanzia. Inoltre, non ci assumiamo alcuna responsabilità per le conseguenze di cui i dati qui comuni- cati sono causa o concausa. I rapporti di fornitura tra ABB e il cliente o il rispettivo OEM continuano a essere regolati esclusivamente dagli accordi quadro di fornitura o da altri rapporti di fornitura concordati tra tali partner contrat- tuali. La trasmissione dei dati non giustifica ulteriori richieste nei confronti di ABB, che si riserva il diritto di apportare mo- difiche al documento in qualsiasi momento e senza preavviso. In caso di discrepanze tra i dati contenuti in questo documento e altre pubblicazioni ABB, come cataloghi, manuali, schede tecniche, il contenuto dell'altra documenta- zione ha la precedenza. Indipendentemente dalla base giuridica, ABB esclude la propria responsabilità, in particolare per l'utilizzabilità, la di- sponibilità, la completezza e l'assenza di difetti del documento, nonché delle note associate, della pianificazione del progetto e dei dati relativi alla performance e di qualsiasi danno causato da questi ultimi. Questo non si applica se ABB è obbligatoriamente responsabile, ad esempio in base alla legge sulla responsabilità del prodotto, in caso di dolo, colpa grave, lesioni colpose alla vita, al corpo o alla salute, mancato rispetto di una garanzia fornita, occulta- mento fraudolento di un difetto o violazione colposa di obblighi contrattuali rilevanti. Tuttavia, qualsiasi richiesta di risarcimento danni per la violazione di obblighi contrattuali essenziali è limitata al danno prevedibile tipico del con- tratto, a meno che non si tratti di dolo o colpa grave o di responsabilità per lesioni alla vita, al corpo o alla salute. Una modifica dell'onere della prova a sfavore dell’utente non è associata alle disposizioni di cui sopra. A meno che ABB non sia responsabile in base a leggi obbligatorie, l'utente è tenuto a risarcire ABB da qualsiasi rivendicazione di terzi esistente o derivante da questo contesto. Utilizzando il contenuto del documento, l'utente riconosce che ABB non può essere ritenuta responsabile per eventuali danni al di là delle disposizioni di responsabilità descritte.
Per ulteriori informazioni sui salvamotori e altri prodotti ABB vedere: https://new.abb.com/low-voltage/it
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_ 1. Generale _ 1.1 Scopo del documento
Lo scopo di questo documento è quello di descrivere brevemente e semplicemente ciò che rappresenta la sicurezza e l'affidabilità dei prodotti ABB per l'avviamento dei motori. Per questo ABB fornisce valori di sicurezza (ad esempio, B10D) per i prodotti di avviamento dei motori. I valori riportati in questo documento, che sarà regolarmente aggior- nato ed esteso ad altri prodotti ABB, sono valori destinati all'uso all'interno delle specifiche tecniche di ciascun pro- dotto. _ 1.2 Caratteristiche di sicurezza Per garantire la sicurezza dell'utente, nelle macchine o nei sistemi sono stati installati prodotti di sicurezza. I parametri di sicurezza dei singoli prodotti sono spesso richiesti per applicazioni di sicurezza, i cui requisiti derivano dalle norme di sicurezza pertinenti. Poiché la direttiva macchine 2006/42/CE è in vigore dal 2009, i costruttori di macchine devono considerare come progettare i sistemi di sicurezza e dimostrare la conformità alla direttiva macchine (2006/42/CE), preferibilmente utilizzando i seguenti standard armonizzati: • EN ISO 13849-1 Sicurezza del macchinario - Parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza − Parte 1: Principi generali per la progettazione • IEC / EN 62061 Sicurezza del macchinario - Sicurezza funzionale dei sistemi di comando e controllo elettrici, elet- tronici ed elettronici programmabili correlati alla sicurezza Safety Integrity Level, SIL (livello di integrità di sicurezza) La norma IEC / EN 62061 definisce come determinare il Safety Integrity Level (SIL), che rappresenta l'affidabilità delle funzioni di sicurezza. Sono possibili quattro livelli di SIL: 1, 2, 3 , e 4: “SIL 4" è il livello più alto di integrità di sicurezza e "SIL 1" il più basso; solo i livelli 1-3 sono utilizzati nelle macchine. Lo scopo della norma IEC / EN 62061 è quello di veri- ficare il SIL richiesto delle funzioni di sicurezza. L'architettura e i componenti del sistema si occupano di questo cal- colo. Performance level, PL (livello di performance) La norma EN ISO 13849-1 definisce come determinare il Performance Level (PL) richiesto e come verificare il PL rag- giunto da una funzione di sicurezza. Il PL descrive specificamente la capacità delle parti di un sistema di controllo legate alla sicurezza di eseguire una funzione di sicurezza in condizioni prevedibili. Sono disponibili cinque possibili PL: a, b, c, d ed e, dove "e" rappresenta la massima affidabilità di sicurezza e "a" la minima.
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_ 1.3 Fattori di sicurezza funzionale per prodotti elettromeccanici
Le cause dei guasti delle macchine possono essere molteplici, ognuna delle quali può anche provocare una reazione a catena, per cui è molto importante considerare ogni singolo possibile guasto. Per eliminare i pericoli nel modo più pratico possibile e ridurre adeguatamente i rischi, è necessario considerare diversi fattori.
Guasti casuali Dipendono dai valori B10 e dal numero di manovre nell’applicazione
Guasti sistematici Sono già presenti nelle spe- cifiche o nella progetta- zione del prodotto o dell'applicazione
Architettura Può essere implementata in un prodotto dal costruttore del com- ponente o definita dal progettista in un'applicazione
Guasti di causa comune Il progettista di un'applicazione deve indicarle
Diagnosi può essere realizzata su un prodotto dal costruttore del componente o definita dal progettista in un'applicazione
In linea generale, i guasti sistematici si verificano durante la progettazione di un sistema e sono di solito presenti nel prodotto o nel sistema fin dall'inizio (ad esempio, requisiti o specifiche sbagliate, dimensionamento errato, errori del software).
Poiché è praticamente impossibile rilevare il guasto prima che si verifichi, i guasti casuali sono difficili da prevedere e quindi in questo caso si utilizzano metodi statistici.
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_ 1.4 Livelli di implementazione dei prodotti per la sicurezza
Porta di protezione
Logica di sicurezza
Contattori per l’avvia- mento del motore A seconda del livello di sicurezza, un avviatore può avere più di un con- tatto in serie.
Monitoraggio della porta di sicurezza Come accesso all'area della macchina, la porta di protezione deve es- sere monitorata e il nu- mero di contatti è corre- lato al livello di sicurezza.
Per proteggere le per- sone da movimenti peri- colosi nell'area della macchina, viene spesso utilizzata una porta di protezione. Per evitare movimenti pericolosi, le protezioni fanno parte del sistema di controllo della sicurezza.
Un sottosistema di sicu- rezza che valuta gli inter- ruttori di monitoraggio.
Sistema di controllo della sicurezza
Sottosistema di sicurezza
Elemento di sicurezza
Esempio: Coperchio di pro- tezione con funzione di monitoraggio e attivazione.
Esempi: sottofunzione per preve- nire il movimento pericoloso di un trasportatore realizzata da un av- viatore con funzioni di sicurezza integrate, relè di sicurezza.
Esempi: contattore (con B 10D ), contattore con contatti a specchio, dispositivo di arre- sto di emergenza, dispositivo di interblocco.
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_ 1.5 Quali parametri di sicurezza per quali prodotti
Affinché il costruttore della macchina possa determinare il PL/SIL richiesto per la funzione di sicurezza, ogni livello di implementazione richiede dati diversi. La tabella qui sotto mostra le informazioni richieste:
Informazioni che devono essere for- nite dal produttore del prodotto
Livelli di implementazione
Sistema di controllo della sicurezza
Sottosistema di sicurezza
Elemento di sicurezza
TB
WB
TB
WB
TB
WB
X
X
SIL e/o PL
X
X
SILCL e/o PL
𝛌 𝐃 e/o PFD
X
X
X
X
X
X
X
Limite operativo
X
MTTF D o MTTF e RDF
X
B 10D o B 10 e RDF
X
X
X
X
X
X
T M
X
Campo obbligatorio, dati richiesti
TB T M
Basato sul tempo, es. prodotti elettronici
Tempo di utilizzo (EN ISO 13849)
SIL
Livello di integrità di sicurezza (EN 62061 / EN 61508)
WB
In base all’usura, es. prodotti elettromeccanici Tempo medio al guasto pericoloso (EN ISO 13849)
PL
Livello di Performance (EN ISO 13849)
MTTF D MTTF
SILCL
Limite di richiesta del livello di integrità di sicurezza (EN 62061)
Tempo medio al guasto (EN ISO 13849)
λ D
Probabilità di guasto all’ora (EN 62061) Probabilità di guasto su richiesta (EN 61511-1)
RDF
Rapporto dei guasti pericolosi
PFD
B 10
Guasto nel 10% dei dispositivi (EN ISO 13849)
Limite operativo
il numero massimo di operazioni utilizzate nel calcolo
B 10D
Guasto pericoloso nel 10% dei dispositivi (EN ISO 13849)
Come mostra la tabella, questi sono i valori necessari che il costruttore dovrebbe fornire. A titolo di esempio, il co- struttore di un contattore o di un dispositivo di comando dovrebbe fornire solo i seguenti elementi (contrassegnati in verde nella tabella precedente): • Limite operativo, il numero massimo di operazioni utilizzate nel calcolo • B 10D , o B 10 e RDF • TM, Tempo di utilizzo. Secondo la norma IEC60947-1, allegato K.4, il tempo di utilizzo per i quadri di bassa tensione e le apparecchiature di comando è di 20 anni. Questo riguarda tutti gli elementi elettromeccanici, cioè un "riferimento statistico" che non deve essere calcolato dai costruttori. Sono coperti anche i periodi di non utilizzo. Inoltre, dati come λ D , MTTF D , SIL, PL non dipendono solo dal singolo dispositivo, ma sono legati all'applicazione (nu- mero di cicli di funzionamento, architettura, SIL/PL richiesto, ecc.). Pertanto, ogni applicazione deve essere calcolata individualmente dal costruttore della macchina e/o dal costruttore del sistema di sicurezza, di cui troverete una pic- cola panoramica nei capitoli seguenti.
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_ 1.6 Come determinare il SIL/PL di una funzione di sicurezza
Una funzione di sicurezza è una funzione il cui guasto può comportare un aumento immediato del rischio. In breve, si tratta di una misura adottata per ridurre la probabilità che un evento indesiderato si verifichi ed esponga a un peri- colo. Una funzione di sicurezza non fa parte del funzionamento della macchina; se tale funzione si guasta, la mac- china può continuare a funzionare normalmente, ma aumenta il rischio di lesioni dovute al suo funzionamento. Nei capitoli che seguono viene fornita una panoramica approssimativa di un possibile corso degli eventi per compren- dere il grande schema delle cose. La definizione di una funzione di sicurezza è una questione fondamentale, che comprende sempre due componenti: • Risultato previsto (cosa fa la funzione di sicurezza per ridurre il rischio). • Performance di sicurezza (SIL o PL - rispettivamente Livello di integrità di sicurezza e Livello di performance). Un esempio approssimativo di funzione di sicurezza: Pericolo: un albero rotante esposto può causare lesioni se una persona vi si avvicina troppo. Azione: per evitare il ri- schio di lesioni personali, il motore deve arrestarsi entro un (1) secondo dall'apertura della porta interbloccata. Dopo aver identificato la funzione di sicurezza che esegue l'azione, si determina il livello di sicurezza richiesto, come de- scritto di seguito. Questo completa la definizione della funzione di sicurezza.
Qui è mostrato un esempio approssimativo di una macchina in un impianto di produzione (solo per mostrare una pos- sibile applicazione). Intorno alla macchina c'è una recinzione per proteggere i lavoratori da eventuali lesioni e per ga- rantire un accesso sicuro alla macchina da parte dei lavoratori, la macchina deve fermarsi quando viene aperta la porta interbloccata, realizzata con un dispositivo di interblocco + un'unità logica + due attuatori.
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1.6.1 Determinare il SIL o il PL richiesto
L'integrità di sicurezza è la quantificazione della performance di una funzione di sicurezza e quantifica la probabilità che la funzione di sicurezza venga eseguita quando richiesto. L'integrità di sicurezza richiesta per una funzione viene determinata durante la valutazione del rischio ed è rappresentata dal SIL o dal PL raggiunto, a seconda dello stan- dard utilizzato. Per una funzione di sicurezza, SIL e PL utilizzano tecniche di valutazione diverse, anche se i risultati sono paragonabili e i termini e le definizioni sono simili per entrambi.
Performance
SIL Safety Integrity Level (livello di integrità di sicurezza) sec. IEC / EN 62061
𝛌 𝐃 Probabilità di guasti pericolosi all’ora
PL Livello di performance secondo EN ISO 13849
≥ 10 -5 fino a < 10 -4
a b
N/A
Più bassa
≥ 3 x 10 – 6 fino a <10 – 5 ≥ 10 – 6 fino a <3 x 10 – 6 ≥ 10 – 7 fino a <10 – 6 ≥ 10 – 8 fino a <10 – 7
1 1 2 3 4
co
d e
≥ 10 – 8
N/A
Più alta
1.6.2 Come determinare il SIL richiesto (IEC / EN 62061)
Per determinare il livello di integrità di sicurezza (SIL) richiesto si procede come segue: 1. Determinare la gravità delle conseguenze di un evento pericoloso. 2. Determinare il valore per la frequenza e la durata dell'esposizione al danno. 3. Determinare il valore della probabilità che l'evento pericoloso si verifichi in caso di esposizione. 4. Determinare il valore della possibilità di prevenire o limitare il danno. Per ogni pericolo e, se del caso, per ogni livello di gravità, i punteggi delle durate Frequenza ( Fr ), Probabilità di evento pericoloso ( Pr ) ed Evitamento ( Av ) devono essere sommati per ottenere la Classe di probabilità di danno ( Cl ). Per trovare il livello SIL risultante basato sul punto di incrocio tra la Classe di probabilità di danno ( Cl ) e la Gravità ( Se ), la Classe di probabilità di danno deve essere inserita nella Tabella 2 che troviamo sotto.
Fr
Pr
Av
Frequenza, durata
Probabilità di un evento pericoloso
Evitamento
≥ 1 per h
5 5 4 3 2
Molto alto Probabile Possibile
5 4 3 2
Da < 1 per h a ≥ 1 per giorno
Impossibile
5 3
Da < 1 per giorno a ≥ 1 per 2 sett.
Raramente Trascurabile
Possibile Probabile
Da < 1 per 2 sett. a ≥ 1 per anno
< 1 per anno
1
1
Totale: : Cl = Fr + Pr + Av = 5+3+3= 11
Se
Cl (Classe della probabilità di danno)
Gravità
4
5-7
8-10 SIL2
11-13
14-15
Decesso, perdita di un occhio o di un braccio Permanente, perdita di dita Reversibile, assistenza me- dica Reversibile, primo soccorso
4
SIL2
SIL2
SIL3
SIL3
3 2
SIL1
SIL2 SIL1
SIL3 SIL2
1
SIL1 È richiesta la funzione di sicurezza SIL2
Tabella 2. Esempio di tabella di assegnazione SIL (basata su EN/IEC 62061, tabelle A.1-A.4; A.6).
In questo esempio, l'analisi dei rischi viene effettuata per un albero rotante esposto. 1. Gravità (Se) = 3. Le conseguenze del pericolo si traducono in una lesione permanente, con possibile perdita delle dita. 2. Frequenza (Fr) = 5. Una persona è esposta al pericolo più volte al giorno. 3. Probabilità (Pr) = 3. È possibile che il pericolo si verifichi. 4. Evitamento (Av) = 3. Il pericolo può essere evitato.
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5 + 3 + 3 = 11, con la conseguenza determinata, che equivale a SIL 2.
Le tabelle utilizzate per la determinazione dei punti sono presentate nella norma. Dopo aver definito il SIL richiesto, è possibile iniziare l'implementazione del sistema di sicurezza.
1.6.3 Come determinare il PL richiesto (EN ISO 13849- 1)
Per determinare il PL richiesto (PLr), selezionare una delle alternative dai seguenti parametri e creare un "percorso" verso il PL richiesto, come a, b, c, d o e, nel grafico del rischio sottostante: 1. Determinare la gravità della lesione/del danno: • S1 Leggera, solitamente una lesione reversibile • S2 Grave, di solito una lesione irreversibile, compresa la morte
2. Determinare la frequenza e la durata dell'esposizione al pericolo: • F1 Da raro a frequente, e/o esposizione breve • F2 Frequentemente a esposizione continua e/o lunga
3. Determinare la possibilità di prevenire il pericolo o di limitare i danni causati dal pericolo: • P1 Possibile in determinate condizioni • P2 Difficile che si verifichi Esempio: Analisi del pericolo per un albero rotante esposto. • Le conseguenze si traducono in una lesione grave e irreversibile. Gravità = S2. • Una persona è esposta più volte al giorno. Frequenza = F2. • È possibile evitare o limitare il danno provocato. Possibilità =P1.
Il percorso porta al valore PL richiesto (PLr) e, come per il SIL, le tabelle utilizzate per determinare l'integrità di sicu- rezza sono presentate nella norma. Dopo aver definito il PL richiesto, è possibile iniziare l'implementazione della fun- zione di sicurezza.
PLr
rischio basso
a
P1
F1
P2 P1
S1
b
F2
P2 P1
Iniziare qui
c
F1
P2 P1
S2
d
F2
P2
e
rischio alto
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1.6.4 Implementare un sistema di sicurezza funzionale
Per progettare una funzione di sicurezza, farlo in modo da soddisfare il SIL/PL richiesto specificato in "1.5.1 Determi- nare il SIL o il PL richiesto". I processi di implementazione e verifica (vedere 1.5.5 Verifica di una funzione di sicurezza) sono iterativi e si svolgono in parallelo. Per garantire il raggiungimento del livello di sicurezza definito con il sistema implementato, utilizzare la verifica come strumento durante l'implementazione. Per ulteriori informazioni sulla verifica, vedere il capitolo succes- sivo "Verifica della sicurezza funzionale". L'uso di questi programmi rende più comoda la creazione e la verifica del sistema. Le fasi generali di implementazione di un sistema di sicurezza funzionale comprendono (esempio basato sul livello SIL): 1. Definizione dei requisiti di sicurezza in base al a) Safety Integrity Level SIL (secondo IEC / EN 62061), oppure b) al Performance Level PL (secondo EN ISO 13849-1). 2. Selezione dell'architettura di sistema da utilizzare per il sistema di sicurezza. a) Determinare la categoria B, 1, 2, 3 o 4 come indicato nella norma EN ISO 13849-1, oppure b) l'architettura designata A, B, C o D come indicato nella norma IEC / EN 62061. Procedere così per i sottosistemi 3. Costruire il sistema a partire dai sottosistemi legati alla sicurezza: sensore/interruttore, ingresso, logica, uscita e attuatore. Sono possibili due opzioni: • Utilizzando sottosistemi certificati (consigliato) oppure • eseguendo: a) Valutazione SIL e calcoli di sicurezza per ogni sottosistema, oppure b) Valutazione PL e calcoli di sicurezza per ogni sottosistema 4. Installazione del sistema di sicurezza: per evitare le comuni possibilità di guasto dovute a cablaggi non cor- retti, fattori ambientali o di altro tipo, il sistema deve essere installato correttamente. Una funzione di sicu- rezza che non funziona correttamente a causa di un'installazione non accurata è di scarsa utilità e può addi- rittura rappresentare un rischio in sé. 5. Verificare la funzionalità del sistema: il SIL o PL più basso del sottosistema nella funzione di sicurezza sarà il più alto a) SIL o b) PL raggiungibile per la funzione di sicurezza.
Finecorsa
Logica di sicurezza e I/O
Attuatore
Sottosistema 1
Sottosistema 2
Sottosistema 3
Suggerimento: La verifica del SIL o del PL raggiunto può essere effettuata comodamente con lo strumento per PC di progettazione della sicurezza funzionale di ABB (FSDT). Come richiesto dalla norma EN ISO 13849-1, è importante tenere conto an- che dei guasti sistematici, che sono comuni errori umani nel processo di progettazione. Per far fronte a questi pro- blemi, solitamente è necessario disporre di sistemi di gestione della sicurezza funzionale e della qualità per garantire che tutti i guasti del sistema possano essere ridotti al minimo.
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1.6.5 Verifica di una funzione di sicurezza
La verifica di una funzione di sicurezza dimostra e garantisce che il sistema di sicurezza implementato soddisfa i re- quisiti specificati per la funzione di sicurezza nella fase dei requisiti di sicurezza. Oltre a verificare il SIL o il PL raggiunto dal sistema, è necessario controllare anche il corretto funzionamento della funzione di sicurezza mediante l'esecuzione di test di funzionalità.
1.6.5.1 Verifica del SIL della funzione di sicurezza (IEC/EN 62061)
Verificare i livelli di integrità di sicurezza dimostrando che la performance di sicurezza della funzione di sicurezza pro- gettata, cioè la sua affidabilità, sono uguali o superiori all'obiettivo di prestazione richiesto stabilito durante la valu- tazione dei rischi.
Per verificare il SIL del sistema di sicurezza quando vengono utilizzati sottosistemi certificati:
1. Determinare il livello sistematico di integrità di sicurezza (SIL) per ogni sottosistema a. Utilizzando componenti di sicurezza certificati, per i quali il costruttore ha già definito il valore SIL e PFH D (Probabilità di guasto per ora), oppure b. utilizzando componenti per i quali il costruttore non ha definito il valore SIL e PFH D . In questo caso, il progettista deve determinare il valore SIL e PFH D per il sottosistema attraverso le strutture archi- tettoniche. Questi valori definiranno infine quale SIL può essere raggiunto con quel sottosistema quando gli stessi vengono confrontati con le tabelle 3 e 5 della norma EN/IEC 62061. Il Capitolo 2 mostra come calcolare λ D . 2. Utilizzare la checklist dei guasti di causa comune (Common Cause Failure, CCF) per garantire che siano stati presi in considerazione tutti gli aspetti necessari per la creazione dei sistemi di sicurezza. Le tabelle della checklist CCF sono disponibili nella norma IEC/EN 62061, Allegato F. 3. Calcolare l'integrità di sicurezza casuale dell'hardware per il sistema utilizzando i valori di "Probabilità di un guasto pericoloso all'ora" definiti per i sottosistemi. PFH D è il valore di guasto hardware casuale utiliz- zato per determinare il SIL. 4. Confrontare il valore complessivo λ D della funzione di sicurezza con la tabella sottostante (tabella 3 della EN/IEC 62061) per verificare quale SIL o PL soddisfa la funzione di sicurezza. Determinare il SIL ottenuto dalla tabella seguente.
SIL Safety Integrity Level (livello di integrità di sicurezza)
Performance
PFH D (1/h)
Da ≥ 10 – 6 fino a < 10 – 5
SIL 1 SIL 2 SIL 3
Bassa
≥ 10 – 7 fino a <10 – 6 ≥ 10 – 8 fino a <10 – 7
Più alta
Tabella per la determinazione del SIL (basata su EN/IEC 62061, tabella 3)
Inoltre, è importante tenere conto dei guasti sistematici, come richiesto dalla norma IEC/EN 62061 (si tratta di errori umani comuni nel processo di progettazione). Per far fronte a questi problemi, solitamente è necessario disporre di sistemi di gestione della sicurezza funzionale e della qualità per garantire che tutti i guasti del sistema possano es- sere ridotti al minimo.
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Esempio: Verifica del SIL per il sistema di sicurezza funzionale dell'albero rotante.
Finecorsa
Logica di sicurezza e I/O
Attuatore
Sottosistema 1
Sottosistema 2
Sottosistema 3
SIL = 2
SIL = 3
SIL = 3
– 7
– 9
– 10
PFH1 D = 2,4 x 10
PFH2
D = 9,8 x 10
PFH3
D = 2,0 x 10
Integrità di sicurezza sistematica: Sistema SIL ≤ (sottosistema SIL) più basso -> SIL 2
Integrità di sicurezza hardware casuale: PFH D =PFH1 D + PFH2 D + PFH3 D = 2,5 x 10
-7 < 10 -6
Il sistema è conforme a SIL 2 secondo la tabella 3 della norma IEC/EN 62061. Determinare il SIL in base al valore PFH D ottenuto dalla funzione di sicurezza. Nell'esempio precedente, la funzione di sicurezza è conforme a SIL 2.
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1.6.5.2 Verifica del PL di una funzione di sicurezza (EN ISO 13849-1)
Per verificare il livello di performance, è necessario stabilire che il PL raggiunto dalla funzione di sicurezza corrispon- dente corrisponda al PL richiesto. Se più sottosistemi formano una funzione di sicurezza, i loro livelli di performance devono essere uguali o superiori al livello di performance richiesto per la funzione di sicurezza in questione. 1. Determinare il livello di performance (PL) per ogni sottosistema a. Utilizzando componenti di sicurezza certificati, per i quali il costruttore ha già definito il valore PL e PFH D , oppure b. Utilizzando componenti per i quali il costruttore non ha definito il valore PL e PFH D . In questo caso, il progettista deve determinare il valore PL e - PFH D per il sottosistema. Il Capitolo 2 mostra come cal- colare λ D . 2. Utilizzare la checklist dei guasti di causa comune (Common Cause Failure, CCF) per garantire che siano stati presi in considerazione tutti gli aspetti necessari per per prevenire i guasti di causa comune nel circuito di sicurezza. Le tabelle della checklist CCF si trovano nella norma EN ISO 13849-1, allegato F. Il punteggio mi- nimo richiesto è di 65 punti. 3. Quando tutti i sottosistemi hanno valori PL e PFH D , calcolare il valore complessivo - PFH D per le funzioni di sicurezza sommando i valori PFH D di ciascun sottosistema. 4. Confrontare il valore complessivo PFH D della funzione di sicurezza con la tabella seguente (tabella 3 della norma EN ISO 13849-1) per verificare quale PL soddisfa la funzione di sicurezza.
PFH D (1/h)
Performance
PL
≥ 10 -5 fino a < 10 -4 ≥ 3 x 10 -6 fino a <10 -5 ≥ 10 -6 fino a <3 x 10 -6 ≥ 10 -7 fino a <10 -6 ≥ 10 -8 fino a <10 -7
a b
Più bassa
c
d e
Più alta
Tabella per la determinazione del PL (basata su EN ISO 13849-1 1, tabella 2)
Inoltre, è importante tenere conto dei guasti sistematici, come richiesto dalla norma EN ISO 13849-1. Si tratta di er- rori umani comuni nel processo di progettazione. Per far fronte a questi problemi, solitamente è necessario disporre di sistemi di gestione della sicurezza funzionale e della qualità per garantire che tutti i guasti del sistema possano essere ridotti al minimo.
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_ 2. Tassi di guasto degli elementi di sicurezza per applicazioni ad alta domanda - B 10 e B 10D _ 2.1 Cosa sono i valori B 10 e B 10D La norma IEC / EN 62061 "Sicurezza del macchinario - Sicurezza funzionale dei sistemi di comando elettrici, elettro- nici ed elettronici programmabili” richiede anche tassi di guasto per i componenti elettromeccanici. Questi tassi di guasto consentono di calcolare la probabilità di guasto pericoloso all’ora PFH D di una funzione di sicurezza. Il valore B 10 viene utilizzato per calcolare il tasso di guasto dei componenti elettromeccanici. Il valore B 10 è il numero minimo di cicli di commutazione fino a quando il 10% dei dispositivi si guasta. Questo valore è quindi un valore di aspettativa statistica e si applica solo in condizioni definite. Si definisce guasto quello che supera i valori limite definiti (tempo di commutazione, perdita, pressione di commutazione, ecc.). Tuttavia, va notato che un componente può anche guastarsi prima che venga raggiunto il valore B 10 . Pertanto, la probabilità di sopravvivenza specificata non costituisce una garanzia del costruttore. Il valore B 10D è il numero di cicli di commutazione dopo i quali si verificano guasti pericolosi nel 10% delle unità consi- derate, dove l'aggiunta "D" sta per "dangerous” (pericoloso). Il valore è rilevante per la verifica del livello di perfor- mance/livello di integrità di sicurezza richiesto per una specifica funzione di sicurezza quando si utilizzano compo- nenti elettromeccanici. Il PL/SIL viene stimato come parte della valutazione del rischio complessivo di una macchina, in relazione al suo contributo alla riduzione.
Perché mi servono i valori B 10 e B 10D ?
Il valore B 10 può essere utilizzato per calcolare il tasso di guasto totale di un componente utilizzando una formula semplificata (vedere la sezione 6.7.8.2.1 della norma IEC / EN 62061): λ = 0.1 ×𝐶 𝐵 10 [𝑓𝑎𝑖𝑙𝑢𝑟𝑒 / ℎ] C = cicli di manovra all’ora (indicazione dell'utente)
Il tasso di guasto è composto da guasti non pericolosi ( λ 𝑆 ) e pericolosi ( λ 𝐷 ): λ = λ 𝑆 + λ 𝐷 𝜆 𝐷 = Il tasso dei guasti pericolosi 𝜆 𝑆 = Il tasso dei guasti non sicuri
Inoltre, esiste la possibilità di calcolare il tempo medio di guasto (MTTF) dei componenti non riparabili (il 63,2% di tutti i componenti si guasta prima del tempo di guasto): MTTF= = [ℎ]
1 λ
𝐵 10 0.1 ×𝐶
MTTF è un valore medio statistico, non una durata garantita.
Il valore B 10D può essere calcolato utilizzando il Rapporto tra guasti pericolosi (Ratio of Dangerous Failures, RDF); nella norma EN ISO 13849-1, può essere determinato come segue: 𝐵 10𝐷 = 𝐵 10 𝑅𝐷𝐹 Il valore B 10D può essere utilizzato per calcolare il tasso di guasto pericoloso di un componente, necessario per deter- minare il SIL o il PL, utilizzando una formula semplificata: λ D = 0.1 ×𝐶 𝐵 10𝐷 [𝑑𝑎𝑛𝑔𝑒𝑟𝑜𝑢𝑠 𝑓𝑎𝑖𝑙𝑢𝑟𝑒 / ℎ]
𝐵 10𝐷 0.1 ×𝐶
1 λ D
Inoltre, esiste la possibilità di calcolare il tempo medio al guasto pericoloso ( 𝑀𝑇𝑇𝐹 D ):
𝑀𝑇𝑇𝐹 D =
=
[ℎ]
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_ 2.2 Valori B 10 e B 10D
I valori indicati sono valori target che i componenti dovrebbero raggiungere sulla base di test, e si riferiscono al fun- zionamento in applicazioni ad alta domanda o a domanda continua. La funzione di sicurezza ad alta domanda è per una richiesta che si verifica più spesso di una volta all'anno (ad esempio, una volta al giorno). Nella tabella seguente, che contiene dati basati su calcoli di sicurezza funzionale e affidabilità effettuati da ABB per gruppi di prodotti, la mancata apertura del circuito è considerata un guasto pericoloso:
Componenti elettromeccanici ABB
Carico di con- tatto,
Valori B 10
Valori B 10D
RDF (Rapporto dei guasti perico- losi)
Categoria di utilizzo
(sono ammessi solo dispositivi con contatti ad apertura positiva) MPE, MPM, CPE EMERGENCY STOP DEVICES Interruttori a cavo per la funzione di ARRESTO DI EMERGENZA
45 000
225 000
20%
(1)
20 000
100 000
20%
(1)
Interruttori a cerniera
20 000
100 000
20%
(1)
Finecorsa - LS2 - LS3, LS4
10 000 000 > 5 000 000 (4)
20 000 000 > 10 000 000 (4)
50% 50%
(2) (2)
Contattori AFS - per la commutazione di motori ≤ 40A
AC-3 / AC-3e
1 000 000
1 300 000
73% (5) (6)
Contattori AFS - per la commutazione di motori > 40A ≤ 100A Contattori AFS - per la commutazione di motori > 100A ≤ 205A Contattori AFS - per la commutazione di motori > 205A ≤ 370A Contattori AFS - per la commutazione di motori > 370A ≤ 460A Contattori AFS - per la commutazione di motori > 460A ≤ 750A Contattori AFS - per la commutazione di motori > 750A
AC-3 / AC-3e
1 000 000
1 300 000
73%
(5) (6)
5 000 000 1 000 000
10 000 000 1 300 000 (7)
50% 73%
(3) AC-3 / AC-3e
(5) (6)
3 000 000 1 000 000
6 000 000 1 300 000 (7)
50% 73%
(3) AC-3 / AC-3e
(5) (6)
2 000 000 500 000
4 000 000 680 000 (7)
50% 73%
(3) AC-3 / AC-3e
(5) (6)
1 000 000 500 000
2 000 000 680 000 (7)
50% 73% 50% 73%
(3) AC-3 / AC-3e (3) AC-3 / AC-3e
(5) (6)
400 000 50 000
800 000 68 000 (7)
(5) (6)
1) Limitato principalmente dall'usura meccanica 2) Limitato principalmente dall'usura dei contatti 3) Valore massimo di B 10 se la corrente è inferiore all'1% del valore nominale (Ie) 4) Per i valori dettagliati di B10, consultare la sezione "Durabilità meccanica" nella scheda tecnica del prodotto online. 5) La copertura diagnostica del sottosistema che incorpora un contattore con contatti a specchio può essere del 99% se viene fornita una o più funzioni di reazione ai guasti adeguate. 6) I valori indicati si basano sul 50% di Ie (secondo la prassi comune per i dispositivi di uscita utilizzati nei sistemi di sicurezza). RDF Rapporto di guasti pericolosi (EN ISO 13849) B 10 Guasto nel 10% dei dispositivi (EN ISO 13849) B 10D Guasto pericoloso nel 10% dei dispositivi (EN ISO 13849) 7) Confermato dalla certificazione di terzi Nota: La percentuale di guasti pericolosi è di almeno il 20%.
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Esempio per calcolare λ D , il tasso di guasti pericolosi all’ora :
Un contattore AFS > 100A ≤ 205A viene utilizzato 10 volte all'ora, commutando un motore all'avvio e all'arresto. B 10D per AFS116 è 1.3×10 6 , che darà
0.1×𝐶 𝐵 10𝐷
0.1×10 1.3×10 6
≈7.7 ×10 −7
λ D =
=
−7 di guasti pericolosi all’ora per il singolo contattore
Questo dà un λ D di 7.7 ×10
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_ 3. Tassi di guasto degli elementi di sicurezza per l'applicazione a bassa domanda - PFD Per la classificazione SIL di un dispositivo, si distingue tra due applicazioni operative: la modalità a bassa domanda e la modalità ad alta domanda. La modalità a bassa domanda è legata principalmente alla norma EN 61511-1 "Sicurezza funzionale - Sistemi strumentati di sicurezza per il settore dell'industria di processo", dove il valore SIL è derivato dal valore PFD (probabilità di guasto su richiesta), utilizzato per le applicazioni a bassa domanda. In genere, le applicazioni a bassa domanda si trovano negli impianti dell'industria di processo, dove, ad esempio, esi- stono sistemi di arresto di emergenza che si attivano solo quando il processo normale si interrompe. La bassa do- manda è per qualcosa che ha un tasso di domanda previsto inferiore a una volta all'anno (ad esempio, una volta ogni 10 anni). Sulla base dei tassi di guasto, è possibile calcolare la probabilità media di guasto su richiesta (PFD avg ) di un disposi- tivo di protezione. Per evidenziare i guasti passivi, si raccomanda di ripetere una volta all'anno il test funzionale dei componenti elettro- meccanici. _ 3.1 Valori PFD avg Questa tabella contiene dati generali basati su calcoli di sicurezza funzionale e affidabilità eseguiti da Capiel per i prodotti ABB.
Gruppo prodotti
PFD avg = Tasso di guasti pericolosi su richiesta (FIT)
RDF (Rapporto dei guasti pericolosi)
Funzione di sicurezza
Dispositivi di controllo dell'ar- resto di emergenza
100
20%
Circuito scollegato all'azionamento
Pulsanti
100
20%
Circuito scollegato all'azionamento
Il circuito principale è scollegato dopo che la bobina è stata diseccitata in un determinato periodo di tempo.
Contattori AFS
100
40%
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_ 4. ABB e gli strumenti per le applicazioni di sicurezza _ 4.1 Strumento di progettazione della sicurezza funzionale di ABB (FSDT-01) Lo strumento di progettazione della sicurezza funzionale (FSDT-01) viene utilizzato per calcolare le funzioni di sicu- rezza nelle applicazioni delle macchine. Si tratta di un'applicazione MS-Windows, che è uno strumento di supporto per eseguire modellazione, progettazione, calcoli di sicurezza funzionale e verifica della sicurezza funzionale della macchina. Lo strumento supporta entrambi le norme, EN ISO 13849-1 e IEC / EN 62061, e ha lo scopo di semplificare il processo di progettazione e verifica della funzione di sicurezza e di generare documentazione a supporto della conformità ai requisiti degli standard menzionati e della Direttiva Macchine Europea per la sicurezza.
Strumento di progettazione della sicurezza funzionale - FSDT-01
_ 4.2 SISTEMA
I dati per i prodotti di sicurezza ABB sono disponibili come file di libreria per l'uso con lo strumento di calcolo SISTEMA. Possono essere in un formato per l'uso esclusivo con SISTEMA o in formato XML (per l'uso con qualsiasi strumento di calcolo FS). Il software SISTEMA fornisce un supporto completo nella valutazione della sicurezza nel contesto della norma EN ISO 13849-1 per gli sviluppatori e i collaudatori di controlli di sicurezza delle macchine. Questo strumento consente di mo- dellare la struttura dei componenti di controllo legati alla sicurezza sulla base delle architetture designate, permet- tendo così il calcolo automatico dei valori di affidabilità con vari livelli di dettaglio, compreso quello del Performance Level (PL) raggiunto. I parametri di rischio per determinare il livello di performance richiesto (PLr), la categoria, le misure contro gli errori di causa comune (CCF) nei sistemi multicanale, l’intervallo di tempo medio prima di un guasto potenzialmente peri- coloso (MTTF D ) e la qualità media dei test (DCavg) di componenti o blocchi possono essere registrati passo dopo passo. L'effetto di ogni modifica dei parametri sul sistema complessivo viene visualizzato direttamente e può essere stampato come report.
Ulteriori informazioni su SISTEMA e sul download del software SISTEMA sono disponibili direttamente presso IFA.
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_ 5. Riferimenti
5.1 Riferimenti normativi
Direttiva
Titolo
Del Parlamento europeo e del Consiglio, del 17 maggio 2006, relativa alle macchine e che modifica la direttiva 95/16/CE
2006/42/CE
Norme applicabili
Norme di riferimento
Titolo
Sicurezza del macchinario, Parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza - Parte 1: Principi generali di progettazione Sicurezza del macchinario, Parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza - Parte 2: Validazione Sicurezza del macchinario - Funzione di arresto d'emergenza - Principi di progetta- zione
EN ISO 13849-1
EN ISO 13849-2
EN ISO 13850 Norme di tipo B CEN
IEC / EN 60947-1
Quadri e apparecchi di comando a bassa tensione - Parte 1: Norme generali
Quadri e apparecchi di comando a bassa tensione - Parte 4-1: Contattori e avviatori motori - Contattori e avviatori elettromeccanici. L'allegato K specifica le procedure che il costruttore può seguire al fine di fornire i dati specifici che caratterizzano le prestazioni dei contattori elettromeccanici nelle applicazioni di sicurezza funzionale. Quadri e apparecchi di comando di bassa tensione - Parte 5-1: Dispositivi per con- trollo circuiti ed elementi di manovra - Dispositivi elettromeccanici per controllo cir- cuiti. Nello specifico: Allegato N Quadri e apparecchi di comando di bassa tensione - Parte 5-5: Dispositivi per con- trollo circuiti ed elementi di manovra - Dispositivo elettrico di arresto di emergenza con funzione di blocco meccanico Sicurezza funzionale dei sistemi elettrici/elettronici/programmabili elettronici cor- relati alla sicurezza - Parte 0: Sicurezza funzionale Sicurezza funzionale - Sistemi strumentati di sicurezza per il settore dell'industria di processo - Parte 1: Quadro di riferimento, definizioni, sistema, hardware e program- mazione di applicazioni Requisiti Sicurezza del macchinario - Sicurezza funzionale dei sistemi di controllo elettrici, elettronici ed elettronici programmabili legati alla sicurezza
IEC / EN 60947-4-1 Allegato K
IEC / EN 60947-5-1
IEC / EN 60947-5-5 Norme di tipo C
IEC / EN 61508 (tutte le parti)
IEC/EN 61511-1
IEC / EN 62061
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_ 5.2 Altri riferimenti
Quadri e apparecchi di comando di bassa tensione - aspetti di sicurezza funzionale La sicurezza funzionale è una parte importante della sicurezza delle macchine, per la quale la Direttiva Macchine euro- pea e le norme armonizzate IEC/EN 62061 e EN ISO 13849-1 forniscono requisiti specifici. Questo opuscolo fornisce informazioni sull'applicazione di queste norme e i Macchinari Europei. La direttiva è rilevante per l'implementazione di quadri e apparecchi di comando a bassa tensione in applicazioni di sicurezza funzionale. Insieme a fatti importanti, fornisce esempi di applicazioni a bassa e alta domanda. Sicurezza funzionale Il libro bianco del CAPIEL è il Comitato di coordinamento delle associazioni dei costruttori di apparecchiature di co- mando e controllo per uso industriale, commerciale e similare nell'Unione Europea, che operano nella gamma di ten- sioni fino a 1 kV in c.a. e 1,5 kV in c.c. La sicurezza funzionale è un argomento importante in molti settori, come la sicu- rezza delle macchine e dei processi. I prodotti CAPIEL sono utilizzati in questo tipo di applicazioni e questa presentazione spiega le basi della sicurezza funzionale. https://www.capiel.eu/ ABB Jokab Safety (ora ABB Electrification Sweden AB) ha aiutato i costruttori di macchine a creare ambienti di lavoro sicuri e favorevoli alla produzione per gli operatori. Sviluppiamo prodotti e soluzioni per la sicurezza delle macchine, grazie a un'ampia gamma di prodotti.
Per una panoramica e altre informazioni utili, consultare il CATALOGO PRINCIPALE - Manuale dei prodotti di sicurezza.
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