Come progettare un circuito di sicurezza Secondo la EN ISO :2006

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1 Come progettare un circuito di sicurezza Secondo la EN ISO :2006 Sistemi di sicurezza industriale Fabrizio Castelli Industrial Safety Systems. Made by by SICK.

2 Realizzare la sicurezza funzionale : Analizzare il rischio : Specificare le funzioni di sicurezza Analyse : Progettare con criteri di sicurezza : Verificare e validare Attraverso tutto il ciclo di vita ed i modi operativi della macchina Validate Functional Safety Management Specify Design

3 Analisi Analyse Validate Functional Safety Management Specify Design

4 Analisi di rischio e pericolo Start Determinare i limiti della macchina Identificazione dei pericoli Stima dei rischi Valutazione dei rischi Analisi dei rischi con ISO Riduzione dei rischi Adeguata? no Processo riduzione dei rischi: 1. Tramite la progettazione 2. Con sistemi di sicurezza 3. Con informazioni per l uso si Stop no Controllo di si Progetto EN ISO Sistema necessario?

5 Il bilanciamento tra le norme Funzioni di sicurezza Tabella analisi rischi Categorie Affidabilità dei componenti e test sulla qualità Cause comuni di guasto EN 954-1:1997 co Principi ben collaudati IEC 61508:2002 co Nuovi concetti? EN Industrial Safety Systems. Made by SICK.

6 Esempio, pressa per cuscinetti Valutazione del rischio Secondo EN ISO (EN1050)

7 Valutazione del rischio

8 Specificare Analyse Validate Functional Safety Management Specify Design

9 Funzione di sicurezza SF: Il movimento del cilindro deve essere fermato quando il campo protetto della barriera viene infranto

10 Processo di riduzione del rischio Start Determinare i limiti della macchina Identificazione dei pericoli Stima dei rischi Valutazione dei rischi Analisi dei rischi con ISO Riduzione dei rischi adeguata? no Processo di riduzione dei rischi: 1. Tramite la progettazione 2. Con sistemi di sicjurezza 3. Con informazioni per l uso Si Stop no progetto EN ISO Controllo di si Sistema necessario?

11 Riduzione del rischio Analisi del rischio Determinare il PL richiesto Realizzazione tecnica della SF Valutazione del PL Verifica del PL non ok ok Validazione della SF non ok ok

12 Determinazione del PL r Start S 1 F 1 P 1 P 2 F 2 S 2 F 1 P 1 P 2 F 2 P 1 P 2 P 1 P 2 rischio basso rischio elevato PL - Performance Level richiesto a b c d e S: Gravità del danno S1: Reversibile S2: Irreversibile F: Frequenza o tempo di esposizione al rischio F1: Rara / Breve F2: Continua / Lungo P: Possibilità di evitare il rischio o di limitare il danno P1: Possibile P2: Scarsamente possibile

13 Funzione di sicurezza SF: Il movimento del cilindro deve essere fermato quando il campo protetto della barriera viene infranto Livello di sicurezza richiesto: PL r d

14 Progetto Analyse Validate Functional Safety Management Specify Design

15 Progettare il sistema di sicurezza

16 Parti relative alla sicurezza dei sistemi di controllo SRP/CS Ingressi Processo Uscite

17 Parti relative alla sicurezza dei sistemi di controllo SRP/CS 1 SRP/CS 2 SRP/CS 3 Barriera Logica di Safety Related Parts of Control Systems Attuatore ottica controllo fisico elettrico elettrico fisico PL1 r? PL d PL2 r? PL d PL3 r? PL d Una funzione di sicurezza può essere composta da uno o più SRP/CS, e più funzioni di sicurezza possono utilizzare gli stessi SRP/CS

18 Determinare il PL per SRP/CS PL Performance Level Categoria MTTF d DC CCF Verifica STRUTTURA AFFIDABILITA DIAGNOSTICA RESISTENZA PROCESSO

19 Aspetti strutturali PL Performance Level Categoria MTTF d DC CCF Verifica STRUTTURA AFFIDABILITA DIAGNOSTICA RESISTENZA PROCESSO

20 Architetture definite Category B, 1 Category 2 Category 3, 4 B Components used in accordance with relevant standards, to withstand expected influence. No protection against faults. 1 Like B AND use of well tried components and safety principles. No protection against faults. 2 Like B and use of well tried safety principles. Testing time rate better then 100 times of demand rate. No protection against one fault. Fault detection. 3 like B and use of well tried safety principles. Design for protection against ONE fault. Partial fault detection. 4 like B and use of approved safety principles. Design for protection against TWO faults La struttura di un SRP/CS è una caratteristica chiave che ha una grande influenza sul PL

21 Circuito di stop di sicurezza SRP/CS 1 SRP/CS 2 SRP/CS 3 I 1 L 1 O 1 Guard sensing I 2 L 2 O 2 I 1 L 1 O 1 Logic solving I 2 L 2 O 2 I Power switching L O Categoria 4 Categoria 4 Categoria 1 PL1 r? PL d PL2 r? PL d PL3 r? PL d

22 Aspetti di affidabilità PL Performance Level Categoria MTTF d DC CCF Verifica STRUTTURA AFFIDABILITA DIAGNOSTICA RESISTENZA PROCESSo

23 Curva dei guasti Human "bath tube curve" (Germany) 0,07 0,06 Men Women 0,05 Failure rate [1/a] 0,04 0,03? = 7, /a 0,02 0,01 0, Statistisches Bundesamt, Wiesbaden, 2004 Age [a]

24 Mean time to failure Persona di 30 anni: MTTF = 1/? = 1/7, a => MTTF = a! MTTF è valido solo durante il periodo di vita

25 Ammontare dei guasti nel tempo 100% 80% Failures [%] 60% 40% 63% 20% 0% Time [a]

26 Mean time to dangerous failure non accettabile Guasti pericolosi [%] basso medio alto non accettabile? Tempo [a]

27 MTTF d - nota in tabella 5 Un valore di MTTF d maggiore di 100 anni, per ogni canale, non è accettabile perchè un SRP/CS per un alto rischio, non può dipendere dalla sola affidabilità dei componenti. La limitazione del valore di MTTF d di ogni singolo canale, ad un massimo di 100 anni, si riferisce al singolo canale di un SRP/CS con funzioni di sicurezza. Valori superiori di MTTF d possono essere utilizzati per singoli componenti.

28 Relazione MTTF e Categoria con il PL a Performance Level (PL) b c d e MTTF d = basso MTTF d = medio MTTF d = alto DC avg 0 0 basso medio basso medio alto Categoria B

29 Circuito di stop di sicurezza SRP/CS 1 SRP/CS 2 SRP/CS 3 Categoria 4 Categoria 4 Categoria 1 PL1 r? PL d PL2 r? PL d PL3 r? PL d

30 Struttura alternativa Categoria 2 Category B, 1 Per categoria 2: frequenza della richiesta? 1/100 freq. di test

31 Struttura alternativa Categoria Category3, 24 Corto circuito controllato da un PLC di sicurezza

32 Relazione MTTF e Categoria con il PL a Performance Level (PL) b c d e MTTF d = basso MTTF d = medio MTTF d = alto DC avg 0 0 basso medio basso medio alto Categoria B

33 Calcolo dell MTTF d MTTF MTTF MTTF d d d??? B10d 0,1? n op B10d 0,1? d? h op d a op? C ,1? 220? 8? 60 h d 1 h MTTF d? a a ISO 13849: B10 d = Cicli di commutazione Assumendo che: C = 60 /h d op = 220 d/a h op = 8 h/d MTTF d = alto

34 Aspetti di diagnostica PL Performance Level Categoria MTTF d DC CCF Verifica STRUTTURA AFFIDABILITA DIAGNOSTICA RESISTENZA PROCESSO

35 Diagnostic coverage? du Percentuale di guasti pericolosi non rilevati? d Percentuale di guasti pericolosi? dd Percentuale di guasti pericolosi rilevati DC???? dd? dd?? du dd du s

36 Stima del DC Table E.1 Abstract: Estimates for diagnostic coverage (DC) Measure DC Input Cyclic test stimulus by dynamic change of the input 90% signals Input Plausibility check, e.g. use of normally open and 99% normally closed mechanically linked contacts Input Monitoring some characteristics of the sensor 60% (response time, range of analogue signals, e.g. electrical resistance, capacitance) Input Cros monitoring if inputs without dynamic test 0%..99% (dependig on signal change frequency) Logic Dynamic principle (all components of the logic are 99% required to change the state ON-OFF-ON when the safety function is demanded), e.g. interlocking circuit implemented by relays Logic Processing unit: Self test by software 60%..90% Output Redundant shut-off path with monitoring of one of 90% the actuators either by logic or by test equipment Output Direct monitoring (e.g. electrical position monitoring 99% of control valves, monitoring of electromechanical devices by mechanically linked contact elements) General Fault Detection by process 0%..99% (not alone for PL e )

37 Valori legati al DC DC = alto

38 Aspetti legati alla resistenza PL Performance Level Categoria MTTF d DC CCF Verifica STRUTTURA AFFIDABILITA DIAGNOSTICA RESISTENZA PROCESSO

39 Cause comuni di guasto Categoria 3, 4 Guasto che causa guasti contemporanei su due o più canali in un sottoinsieme multicanale

40 Misure contro CCF Table I.1 - Estimation of the measures against CCF Item Max. Score Separation / segregation 15 Diversity 20 Design / application / experience 20 Assessment / analysis 5 Competence / training 5 Environmental 25 Other influences 10 Totale 100 Score? 65

41 CCF - Tabella

42 Aspetti di progettazione PL Performance Level Categoria MTTF d DC CCF Verifica STRUTTURA AFFIDABILITA DIAGNOSTICA RESISTENZA PROCESSO

43 Riduzione del rischio Analisi del rischio Determinare il PLr Realizzazione tecnica della SF Valutazione del PL Verifica del PL non ok ok Validazione della SF non ok ok

44 Progettazione software

45 Esempi di applicazioni di software Parametrizzazione disp. sicuri di commutazione funzioni sicure predeterminate funzioni logiche limitate Configurazione controllore di sicurezza blocchi funzione certificati parametrizzazione di I/O s Progammazione PLC di sicurezza blocchi funzione sec.iec61131 Integrazione della parte non sicura

46 Parametrizzazione con software La parametrizzazione deve essere effettuata utilizzando un software Fornito dal costruttore del SRP/CS. L integrità di tutti i dati di parametrizazione deve essere mantenuta. Inoltre, si devono avere: : Il controllo dalla validità degli ingressi; : Il controllo della correttezza dei dati prima della trasmissione; : Il ontrollo degli effetti di errori nel processo di trasmissione dei parametri; : Il controllo degli effetti di una trasmissione incompleta dei parametri; e : Il controllo degli effetti di guasti o errori di hardware o software del tool utilizzato per la parametrizzazione

47 Modello semplificato per il ciclo di vita del software Specifica delle funzioni di sicurezza Specifiche del software di sicurezza Validazione Validazione Software validato progetto del sistema Test della integrazione Progetto dei moduli Test dei moduli Risultato Verifica Codifica

48 Determinare il PL per SRP/CS PL Performance Level Categoria MTTF d DC CCF Verifica STRUTTURA AFFIDABILITA DIAGNOSTICA RESISTENZA PROCESSO

49 PL per un SRP/CS a Performance Level (PL) b c d e MTTF d = basso MTTF d = medio MTTF d = alto DC avg 0 0 basso medio basso medio alto Categoria B

50 Performance level a Categoria 3/4 Performance Level (PL) b c d MTTF d = low MTTF d = medium e MTTF d = high DC avg 0 0 low medium low medium high Category B MTTF d? 100a

51 Circuito di stop di sicurezza SRP/CS 1 SRP/CS 2 SRP/CS 3 I 1 L 1 O 1 Cat. 4, PL e I 2 L 2 O 2 I 1 L 1 O 1 Cat. 4, PL e I 2 L 2 O 2 I 1 L 1 O 1 Cat. 4, PL e I 2 L 2 O 2

52 Validazione Analyse Validate Functional Safety Management Specify Design

53 Utilizzo accettato : Validare Stiamo creando la soluzione corretta? es. La soluzione è idonea a quanto richiesto. : Verifica stimo creando correttamente la soluzione? es. La soluzione è conforme alle specifiche.

54 Livello di sicurezza raggiunto Livello di sicurezza richiesto PL r a b c d e Livello raggiunto PL PL(low) n (low) PL a b c d e > 3 > 2 > 2 > 3 > 3 => => => => => -- a b c d = 3 = 2 = 2 = 3 = 3 => => => => => a b c d e

55 Performance level PL Nello scopo di questa norma, l abilità di una parte relativa alla sicurezza, di garantire una funzione di sicurezza, è espressa tramite la determinazione del performance level. Il PL di un SRP/CS deve essere determinato dalla stima di... : aspetti quantificabili (MTTF d, DC, CCF, struttura); : aspetti qualitativi, che possono influenzare le caratteristiche del SRP/CS; Per rendere più semplice il calcolo, tramite gli aspetti quantificabili, del PL, questa norma prevede un metodo di calcolo semplificato basato sulla definizione di cinque architetture stabilite, che garantiscono dei criteri di progettazione specifici, e le condizioni di reazione ai guasti.

56 Metodo semplificato Livello di sicurezza richiesto PL r a b c d e Livello raggiunto PL PL(low) n (low) PL a b c d e > 3 > 2 > 2 > 3 > 3 => => => => => -- a b c d = 3 = 2 = 2 = 3 = 3 => => => => => a b c d e?

57 Bean machine P(1) = 1/2? EN Industrial Safety Systems. Made by SICK.

58 Modello di Makrov Esempio: Canale singolo + dispositivo di supervisione p fail =?? t Component operational Component failed PFH D? r d T m T m? p? t? p? t?? 2? 0 5 dt

59 Sistema a due canali

60 PL per un SRP/CS a Performance Level (PL) b c d e MTTF d = basso MTTF d = medio MTTF d = alto DC avg 0 0 basso medio basso medio alto Categoria B

61 Rappresentazione numerica

62 Performance Level Calculator

63 Relazione PFH D - PL/SIL Probabilità di guasto pericoloso per ora PL ISO a b c d e Rischio basso Rischio alto SIL IEC non coperta 1 2 3

64 Circuito di stop di sicurezza SRP/CS 1 SRP/CS 2 SRP/CS 3 I 1 L 1 O 1 Cat. 4, PL e I 2 L 2 O 2 I 1 L 1 O 1 Cat. 4, PL e I 2 L 2 O 2 I 1 L 1 O 1 Cat. 4, PL e I 2 L 2 O 2 PFH D? 2, PFH D??8, PFH D? 2, PFH D? 5, PL e

65 Validazione e manutenzione La validazione serve a dimostrare che la combinazione dei vari SRP/CS che provvedono ad ogni funzione di sicurezza, è in accordo con tutte le richieste di questo standard. Manutenzione preventiva o correttiva, possono essere necessarie per mantenere le performance speciicate per le parti relative alla sicurezza. Le informazioni per l uso degli SRP/CS, devono contenere le istruzioni per la manutenzione (compresal ispezione periodica).

66 Documentazione tecnica 1/2 Quando si progetta un SRP/CS il progettista deve documentare, almeno, le seguenti informazioni circa le parti relative alla sicurezza: : funzioni di sicurezza fornite dallo SRP/CS; : le caratteristiche di ogni funzione di sicurezza; : la posizione esatta dove le parti relative alla sicurezza iniziano e finiscono; : le condizioni ambientali; : il performance level (PL); : la categoria/le categorie selezionata/e; : i parametri importanti per l affidabilità (MTTFd, DC, CCF e mission time); : le misure contro i guasti sistematici; : le tecnologie usate; :...

67 Documentazione tecnica 2/2 Quando si progetta un SRP/CS il progettista deve documentare, almeno, le seguenti informazioni circa le parti relative alla sicurezza: :... : tutti i guasti, rilevanti per la sicurezza, considerati; : la giustificazione per l esclusione dei guasti (vedi ISO ); : il flusso della progettazione, (es. I guasti considerati, i guasti esclusi); : documentazione relativa al software; : misure contro l utilizzo improprio, purchè prevedibile, della macchina.

68 Visita ispettiva iniziale

69 Riassumendo

70 EN ISO :2006 : Functional safety management : dall analisi di uno o più SRCP/CS : tabella dei rischi, deterninazione del PL (Annex A) : Progettare con criteri di sicurezza (Chapter 4/5/6) : Verifica e validazione (ISO )

71 EN ISO vs. EN B Componenti usati in accordo Con gli standard rilevanti, per Evitare influenze conosciute X X X X X Principi di sicurezza testati X X X X Componenti testati X Riconoscimento dei guasti X X X Guasti tollerati Mean Time to dangerous Failure - MTTF d basso-medio alto basso-alto basso-alto alto Diagnostic Coverage DC no no avg basso - basso - medio medio Misure contro CCF (X) X X Comprehensive Process Requirements alto X X X X X Performance Level PL a- b b - c a - d a - e e

72 Entrata in vigore - EN ISO EN non è più valida! Periodo transitorio fine 2009 Armonizzazione 2007 Voto positivo Ottobre 2006

73 Go for more Performance! Industrial Safety Systems. Made by SICK.

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