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Le nuove normeEN ISO 13849-1:2006 e

CEI EN 62061:2005

Analisi ed applicazione pratica di calcolo sulle macchine utensili.

Centro Congressi Borgo della Quercia10 Aprile 2008

Relatore: Ing. E. Moroni

I.C.E.P.I S.p.A - Organismo Notificato n.0066

Via P. Belizzi 31 -29100 Piacenza

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UNI EN 954UNI EN 954UNI EN 954UNI EN 954----1:19981:19981:19981:1998

� Parti dei sistemi di comando delle macchine a cui sono assegnate funzioni di sicurezza.

� Comportamento in caso di guasto di una parte di un sistema di comando legata alla sicurezza (SRP/CS) classificato in 5 categorie:B, 1, 2, 3, 4.

� Si applica a tutte le parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza, indipendentemente dal tipo di energia utilizzata (elettrica, idraulica, pneumatica, meccanica).

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Funzione di sicurezzaFunzione di sicurezzaFunzione di sicurezzaFunzione di sicurezza

� 1: Funzione di sicurezza� 2, 3: Mezzi di attivazione, Attuatori� 4,5,6: Ingresso, Elaborazione, Uscita

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CategoriaCategoriaCategoriaCategoria

� Classificazione di SRP/CS in relazione a:� resistenza ai guasti e� conseguente comportamento in condizioni

di guasto.

� Metodo deterministico ottenuto mediante la disposizione strutturale delle parti e/o la loro affidabilità.

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Esempio di funzione di sicurezzaEsempio di funzione di sicurezzaEsempio di funzione di sicurezzaEsempio di funzione di sicurezza

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Processo di riduzione del rischio

� R1 = riduzione del rischio con misure

diverse da parti del sistema di

comando

� R2 = riduzione del

rischio con

funzioni di sicurezza di parti

del sistema di comando

RISCHIO accettabile Non accettabile

R2b R1b

Riduzione del rischio richiesta

Riduzione

reale del

rischio

Rischio prima di

applicare le misure

protettive

R2a R1a

Soluzione a

Soluzione b

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UNI EN 954-1 All. B Stima del rischio

� Processo qualitativo.

Fornisce solo una

stima del rischio.

� La(le) categoria(e)

preferita(e) è(sono)

indicata(e) da un

cerchio grande

pieno.

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Considerazioni sulle categorieConsiderazioni sulle categorieConsiderazioni sulle categorieConsiderazioni sulle categorie

� CR 954CR 954CR 954CR 954----100:1999 Guida a EN 954100:1999 Guida a EN 954100:1999 Guida a EN 954100:1999 Guida a EN 954----1111� Le categorie 1, 2, 3 e 4 sono migliori della

categoria B.� Nelle categorie B, 1 e 2 un singolo guasto può

portare alla perdita della funzione di sicurezza.� Nelle categorie 3 e 4 un singolo guasto NON

può portare alla perdita della funzione di sicurezza.

� La categoria 4 ha la prestazione migliore circa la resistenza ai guasti.

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UNI EN ISO 13849UNI EN ISO 13849UNI EN ISO 13849UNI EN ISO 13849----1:20071:20071:20071:2007

� Parti del sistema di comando legate alla sicurezza- Parte 1: Principi generali per la progettazione

� Sostituisce la norma UNI EN 954-1:1998� 2006 Novembre - EN ISO 13849-1� 2007 Febbraio - UNI EN ISO 13849-1� 2009 Novembre 2009 Novembre 2009 Novembre 2009 Novembre –––– Scade periodo transitorioScade periodo transitorioScade periodo transitorioScade periodo transitorio

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Livello di Prestazione (PL)Livello di Prestazione (PL)Livello di Prestazione (PL)Livello di Prestazione (PL)

� Indica l’abilità di un circuito nello svolgere una funzione di sicurezza.

� Probabilità media di guasto pericoloso per ora.

Rischio basso

Rischio elevato

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Determinazione di PLDeterminazione di PLDeterminazione di PLDeterminazione di PL

Funzione di sicurezza

Identificazione delle parti che

svolgono la funzione di sicurezza

Stima del Livello di

Prestazione

Partenza Passo 1:

• Identificazione di ogni funzione di sicurezza

• Individuazione del PLrtramite grafico di rischio

Passo 2:Identificazione dei componenti per ogni funzione di sicurezza

Passo 3:Quantificazione di Categoria, DC e MTTFd (CCF).

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Grafico di rischio per determinare Grafico di rischio per determinare Grafico di rischio per determinare Grafico di rischio per determinare PLrPLrPLrPLr

Rischio alto

Bassorischio

Punto di

partenza

� PLrPLrPLrPLr = = = = ““““PL richiestoPL richiestoPL richiestoPL richiesto”””” per una per una per una per una determinata funzione di sicurezzadeterminata funzione di sicurezzadeterminata funzione di sicurezzadeterminata funzione di sicurezza

S = Gravità della lesione S1 = lieve (normalmente reversibile) S2 = grave (normalmente irreversibile) inclusa la morte

F = Frequenza e\o tempo di esposizione al pericolo F1 = Da raramente ad abbastanza spesso e\o tempo di esposizione breve F2 = Da frequente a continuo e\o tempo di esposizione lungo

P= Possibilità di evitare il pericolo P1 = Possibile in determinate condizioni P2 = Scarsamente possibile

Parametri di rischio

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Es.Es.Es.Es. prENprENprENprEN 422 Sicurezza soffiatrici422 Sicurezza soffiatrici422 Sicurezza soffiatrici422 Sicurezza soffiatrici

� 5.3.1 Area of movement of the moulds5.3.1 Area of movement of the moulds5.3.1 Area of movement of the moulds5.3.1 Area of movement of the moulds� The access to the area of movement of the

moulds shall be prevented by type movable guards .... The required performance level PLrof the guard interlocking … shall be:� PLr d for automatic machines;� PLr e for semiautomatic machines

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Es.Es.Es.Es. prENprENprENprEN 422 Sic. soffiatrici 422 Sic. soffiatrici 422 Sic. soffiatrici 422 Sic. soffiatrici PLrPLrPLrPLr per macchine automaticheper macchine automaticheper macchine automaticheper macchine automatiche

� PLr = d

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Es.Es.Es.Es. prENprENprENprEN 422 Sic. soffiatrici 422 Sic. soffiatrici 422 Sic. soffiatrici 422 Sic. soffiatrici PLrPLrPLrPLr per macchine semiautomaticheper macchine semiautomaticheper macchine semiautomaticheper macchine semiautomatiche

� PLr = e

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Nuovi parametri per le categorieNuovi parametri per le categorieNuovi parametri per le categorieNuovi parametri per le categorie

� MTTFdMTTFdMTTFdMTTFd ((((MeanMeanMeanMean Time Time Time Time ToToToTo dangerousdangerousdangerousdangerous FailureFailureFailureFailure))))� Tempo medio al guasto pericoloso.� Per tutte le categorie.

� DC (DC (DC (DC (DiagnosticDiagnosticDiagnosticDiagnostic CoverageCoverageCoverageCoverage) ) ) ) � Copertura Diagnostica.� Per le categorie 2, 3 e 4.

� CCF (Common Cause CCF (Common Cause CCF (Common Cause CCF (Common Cause FailureFailureFailureFailure))))� Guasto di causa comune.� Per le categorie 2, 3 e 4.

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Tempo medio al guasto pericoloso Tempo medio al guasto pericoloso Tempo medio al guasto pericoloso Tempo medio al guasto pericoloso MTTFMTTFMTTFMTTFdddd

� Valor medio del tempo operativo di un singolo canalesenza guasti pericolosi.

� Non è il minimo periodo di vita garantito.� E’ il tempo medio di vita “previsto” fino al primo guasto

pericoloso.

30 30 30 30 ≤≤≤≤ MTTFdMTTFdMTTFdMTTFd ≤≤≤≤ 100100100100AltoAltoAltoAlto

10 10 10 10 ≤≤≤≤ MTTFdMTTFdMTTFdMTTFd < 30< 30< 30< 30MedioMedioMedioMedio

3 3 3 3 ≤≤≤≤ MTTFdMTTFdMTTFdMTTFd < 10< 10< 10< 10BassoBassoBassoBasso

Valori espressi in anniValori espressi in anniValori espressi in anniValori espressi in anniIndicazione di Indicazione di Indicazione di Indicazione di MMTFdMMTFdMMTFdMMTFd

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Curva di Curva di Curva di Curva di ““““Guasto dei sistemiGuasto dei sistemiGuasto dei sistemiGuasto dei sistemi””””

� Se il tasso di guasto λ costante dopo un periodo di “burn-in” e prima del “wear-out”:MTTF = 1/λ

� Curva di “Inaffidabilità”: 1- e-λt

� Con MTTFd = 3 anni:� dopo 3 anni ci si

aspetta che il 63% dei sistemi sia guasto

� dopo 10 anni il 96%

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Determinazione di Determinazione di Determinazione di Determinazione di MTTFdMTTFdMTTFdMTTFd

� Per la determinazione di valori di MTTFd deve essere adottata la seguente procedura nell’ordine:

1. Uso dei dati forniti dai costruttori

2. Uso dei dati riportati nell’allegato C della norma

3. Fissare MTTFd=10 anni

Se vengono rispettate

le buone pratiche

di ingegneria

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EN ISO 13849 EN ISO 13849 EN ISO 13849 EN ISO 13849 ----1: Tabella C11: Tabella C11: Tabella C11: Tabella C1

� Con il 20% del carico ho un aumento di 50 volte (=1/0.02) del valore di B10d

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Tabelle da CTabelle da CTabelle da CTabelle da C.2.2.2.2 a Ca Ca Ca C.7.7.7.7 della EN ISO 13849della EN ISO 13849della EN ISO 13849della EN ISO 13849----1 1 1 1 tratte dalla serie SN29500tratte dalla serie SN29500tratte dalla serie SN29500tratte dalla serie SN29500

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BBBB10101010d: Cicli di guasto d: Cicli di guasto d: Cicli di guasto d: Cicli di guasto ----TTTT10d10d10d10d: Tempo di guasto : Tempo di guasto : Tempo di guasto : Tempo di guasto

Tempo in anni

% guasti pericolosi

Tempo in anni per cui il 10% dei componenti è guasto

MTTFd = 100

MTTFd = 30

MT

TFd

= 10

T10d = 3T10d = 1

=� B10d = Numero medio di cicli fino a che il 10 % dei componenti si guasta in modo pericoloso

nop = numero medio di

operazioni all’anno

hop = ore operative al giorno

dop = giorni operativi all’anno

tcycle= Secondi tra due cicli

successivi

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Esempio di calcolo di Esempio di calcolo di Esempio di calcolo di Esempio di calcolo di MTTFdMTTFdMTTFdMTTFd da Bda Bda Bda B10d10d10d10d

� B10d = 60 milioni di cicli;� dop= 220 giorni all’anno;hop= 16 h al giorno; tcycle= 5 s

per ciclo;� Da cui si ricava:

� nop= 2,53 x 106 cicli all’anno� MTTFd= 237 anni

Giorni operativi= 220; Ore operative = 16

157947056818Relè a carico ridotto

31891136Relè a pieno carico

10 s10 m1 hTempo ciclo =

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Metodo semplificato per la stima di Metodo semplificato per la stima di Metodo semplificato per la stima di Metodo semplificato per la stima di MTTFdMTTFdMTTFdMTTFd

∑ ∑= =

==N

i

N

j jd

j

idd MTTF

n

MTTFMTTF 1

~

1 ,,

11� Conto dei componenti

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MTTFMTTFMTTFMTTFdddd per differenti canaliper differenti canaliper differenti canaliper differenti canali

� Le architetture designate considerano MTTFd identico per entrambi i canali. Se MTTFd dei canali è diverso:� Utilizzare il valore minore, oppure� Utilizzare la seguente formula di “simmetrizzazione”

MTTFd,C1 e MTTFd,C2 sono i valori per due differenti canali

Esempio: un canale ha MTTFd,C1 = 3 anni e l’altro MTTFd,C2 = 100 anni.Dalla formula si trova MTTFd simmetrizzato = 66 anni.

+

−+=

2,1,

2,1, 11

1

3

2

CdCd

CdCdd

MTTFMTTF

MTTFMTTFMTTF

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Copertura Diagnostica Copertura Diagnostica Copertura Diagnostica Copertura Diagnostica ---- DCDCDCDC

� Frazione del tasso dei guasti pericolosi individuati λDD sul tasso totale di tutti i guasti pericolosi λtotal: 99% ≤ DC Alta

90% ≤ DC < 99%Media

60% ≤ DC < 90%Bassa

DC < 60%Nessuna

Valori di DCValori di DCValori di DCValori di DCDefinizione Definizione Definizione Definizione di DCdi DCdi DCdi DC

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Stima della Copertura Diagnostica DCStima della Copertura Diagnostica DCStima della Copertura Diagnostica DCStima della Copertura Diagnostica DC

Alto Monitoraggio incrociato con test dinamico

Funzione della applicazione

Monitoraggio incrociato

Alto RAM “galpat”Basso RAM “walking bit”MedioMonitoraggio temporale (WD) e logico (plausibilità)BassoMonitoraggio temporale (WD)

Elaborazione logicaElaborazione logicaElaborazione logicaElaborazione logica

AltoVerifica di plausibilità (es. contatti legati)Ingressi / UsciteIngressi / UsciteIngressi / UsciteIngressi / Uscite

DCDCDCDCMisura Misura Misura Misura

� Uso di FMECA� Approccio semplificato (allegato E)

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Calcolo di DC per il sistemaCalcolo di DC per il sistemaCalcolo di DC per il sistemaCalcolo di DC per il sistema

� Per la valutazione del PL è necessario il calcolo del valore medio di DCavg, pesato tramite il fattore MTTFd delle singole parti.

� Non più calcolo per singolo “Canale” come per MTTFd.

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Stima di CCF (ββββ)

10Altre influenze ambientali come temperatura, urti, vibrazioni, umidità

Max 100Totale

25Prove di immunità EMC e purezza dei fluidi

Ambiente6

………

15Separazione fisica tra il percorso dei segnali

Separazione / segregazione1

Punteggio

Misuran.

Non accettabile Basso (>2%)< 65

Requisiti soddisfatti Buono (≤2%)≥ 65

ββββPunteggio

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Nuovi requisiti per le categorieNuovi requisiti per le categorieNuovi requisiti per le categorieNuovi requisiti per le categorie

≤ 2%AltoAlto 4

≤ 2%Basso -medio

Basso - alto3

≤ 2%Basso -medio

Basso - alto2

Non rilevanteAssenteAlto1

Non rilevanteAssenteBasso - medioB

CCF(CCF(CCF(CCF(ββββ))))DCDCDCDCMTTFdMTTFdMTTFdMTTFdCatCatCatCat

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Relazione Categorie, MTTF, DC e PL

MTTFd low

MTTFd medium

MTTFd high

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PL: Riferimenti dettagliati

Colonne riportate in fig. 5 EN ISO 13849-1

Basso

Medio

Alto

Livelli intermedi per categorie 2, 3 e 4

Categoria 2 Categoria 3 Cat. 4

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PL: Procedura semplificataPL: Procedura semplificataPL: Procedura semplificataPL: Procedura semplificata

Alto

Medio

Basso

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PL: Valutazione numericaPL: Valutazione numericaPL: Valutazione numericaPL: Valutazione numerica

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Architetture designateArchitetture designateArchitetture designateArchitetture designate

� Funzioni di sicurezza semplici per le macchine.

� Dal punto di vista funzionale nel 90% dei casi sono necessari un ingresso, una logica e un uscita.

� Sistema di tipo “shut-down” per raggiungere lo stato di sicurezza.

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Architetture per categorie B/1/2Architetture per categorie B/1/2Architetture per categorie B/1/2Architetture per categorie B/1/2

Basso -

medio

Basso -

alto

2

AssenteAlto1

AssenteBasso -

medio

B

DCMTTFdCat

*Per categoria 2:- frequenza di test ≥ 100 volte la richiesta della funzione di sicurezza- MTTFd test > 0.5 MTTFd canale

*

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Architetture per categoria 3/4Architetture per categoria 3/4Architetture per categoria 3/4Architetture per categoria 3/4

DCMTTFdCat

AltoAlto 4

Basso -

medio

Basso -

alto

3

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Esempio: interblocco riparoEsempio: interblocco riparoEsempio: interblocco riparoEsempio: interblocco riparo

� Funzione di sicurezza: sconnessione motore� Individuazione di PLr

� Gravità della lesione S = S2 alta� Frequenza e\o tempo di esposizione F = F1, rara� Possibilità di evitare il pericolo P = P1 buona

� Dai dati si ottiene: PLr = c →→→→ categoria: 1, 2 o 3.

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Circuito n.1

� SW1A ad apertura forzata dei contatti (EN 60947-5-1) ma non escludo guasto

� 1/MTTFd = 1/MTTFSW1A + 1/MTTFK1A= 1/ 20 + 1/50 = 0,07 quindi MMTFd =1/0,07=14,3 anni (medio)

� DC = 0; β = non rilevante.

� Categoria� MTTFd medio non può essere

categoria 1

� PL (Cat. B, MTTFd = medio)� PL = “b” < PLr = c

SW1A K1A

Schema a blocchi

→ categoria B

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Influenza dei componenti

� Sostituisco SW1A con componente più affidabile:

Nuovo MTTFSW1A=100 anni

� MTTFd= 33 anni (alto)

� PL = c rispetta PLr.

� Nel caso in cui fosse possibile escludere il guasto meccanico ed elettrico del finecorsa :

MTTFd = MTTFK1A = 50 anni (anni)

� PL= c rispetta il PLr.

→ categoria 1

→ categoria 1

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Circuito n.2

SW1B K1B

SW2 PLC CC

RS

Canale 1

Canale 2

test

Schema a blocchi

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Circuito 2: stima di MTTFd e DC

� CANALE 1� Escludo guasto SW1A

� MTTFK1B = 30 anni

� MTTFd = 30 anni

� DCK1B = 99% (alto)

� CANALE 2

� MTTFSW2 =MTTFPLC = MTTFCC = 20 anni

� MTTFd,C2 = 6.7 anni

� DCSW2 = 60% (basso)

� DCPLC = 30% (basso)

� DCCC = 90% (medio)

CCPLCBKSW

CC

CC

PLC

PLC

BK

BK

SW

SW

MTTFMTTFMTTFMTTF

MTTF

DC

MTTF

DC

MTTF

DC

MTTF

DC

1111

12

1

1

2

2

+++

+++

183.0

123.0

MTTFd = 20 anni (medio)

DCAV = = = 67.1% (basso)

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Circuito 2: stima di ββββ

1010Altre influenze, temperatura, urti, vibrazioni, umidità

80

25

-

5

5

-

20

15

Punteggio

100Totale

10Prove di immunità ambientali EMC

Ambiente6

5Progettista consapevole delle cause e conseguenze di CCF

Competenza / formazione5

5Risultati dell’analisi dei guasti usati nella progettazione per evitare CCF

Valutazione / analisi4

5Uso di componenti conosciuti3.2

15Protezione contro sovratensioni, sovra-pressioni, ecc3.1

Progettazione/applicazione/esperienza3

20Differenti tecnologie o Progettazione o principi (fisici) differenti

Es. pressione e posizione, digitale e analogico, componenti di diversi costruttori

Diversità2

15Separazione fisica tra il percorso dei segnali

Separazione / segregazione1

MaxOggetton.

β = 80

β = buono

10/04/08 44

Isti

tuto

Cer

tifi

cazi

on

e E

uro

pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Circuito 2: categoria e PL

� Categoria 3

� Il circuito utilizza principi ben collaudati

� Il singolo guasto in una qualsiasi parte non porta

alla perdita della funzione di sicurezza

� Ogni qualvolta è possibile il singolo guasto viene

rilevato in corrispondenza o prima della successiva richiesta della funzione di sicurezza

� PL (Cat. 3, MTTFd = medio, DC = basso, β = buono)

� PL corrisponde a “c” = PLr

10/04/08 45

Isti

tuto

Cer

tifi

cazi

on

e E

uro

pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Combinazione di parti con PL Combinazione di parti con PL Combinazione di parti con PL Combinazione di parti con PL assegnato: approccio semplificatoassegnato: approccio semplificatoassegnato: approccio semplificatoassegnato: approccio semplificato

ESPE

Categoria 2

PL= c

PLC

Categoria 3

PL= d

Valvola

Categoria 1

PL= c

10/04/08 46

Isti

tuto

Cer

tifi

cazi

on

e E

uro

pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Combinazione di parti con PL Combinazione di parti con PL Combinazione di parti con PL Combinazione di parti con PL assegnato: approccio numericoassegnato: approccio numericoassegnato: approccio numericoassegnato: approccio numerico

PLESPE= 2,23x10-6

PLPLC= 5,16x10-7

PLValvola=2,43x10-6

PLSistema=

2,23x10-6 + 5,16x10-7

+2,43x10-6

= 5,176x10-6

= b

ESPE

Categoria 2

PL= c

PLC

Categoria 3

PL= d

Valvola

Categoria 1

PL= c

10/04/08 47

Isti

tuto

Cer

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pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Esempio calcolo PL – Categoria 2

Schema a blocchi

10/04/08 48

Isti

tuto

Cer

tifi

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e E

uro

pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Esempio calcolo PL – cat.2

� Funzione di sicurezza� Arresto dei movimenti pericolosi ed impedimento

alla partenza. EV 1V3 rappresenta un sottosistema monitorato tramite PLC.

� Funzionamento� Movimento controllato da 1V3.

� Test di 1V3 tramite PLC K1 che verifica 1S3 ad intervalli regolari.

� In caso di guasto K1 taglia alimentazione a Q1 che arresta motore 1M e quindi la pompa 1P.

10/04/08 49

Isti

tuto

Cer

tifi

cazi

on

e E

uro

pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Calcolo di MTTFd

� MTTFd del canale funzionale = 100 anni� 150 anni per 1V3 da tabella EN ISO 13849-1 (ridotto a

100 anni)

� MTTFd per canale di test = 37.5 anni� 1S3 = 150 anni; K1= 50 anni; Q1 = 83333 anni

(B10d=2.000.000 cicli con intervento di una volta al giorno su 240 giorni)

� Requisito di architetture designate impone che MTTFd test sia maggiore di 0,5xMTTFd canale:� MTTFd canale declassato a 75 anni.

10/04/08 50

Isti

tuto

Cer

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e E

uro

pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Calcolo di PL – Allegato K

� Stima di DC

DC stimata per confronto indiretto spazio/tempo di 1V3 tramite PLC = 60%(basso).

� CCF da tabella 85 (sufficiente)

� Combinazione conforme alla categoria 2 con:

MTTFd alto (75 anni)

DC basso (60%).

Usando allegato K: PDF=7,31x10-7/ora. PL= d.

10/04/08 51

Isti

tuto

Cer

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e E

uro

pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Esempio pressa idraulica

1V51V4

B1

B2

IngressiPLC

Uscite

Movimento discesa slitta

K2

10/04/08 52

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Cer

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Pro

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Ind

ust

riali

Esempio pressa idraulica

� Schema a blocchi

10/04/08 53

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Cer

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Pro

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Ind

ust

riali

Esempio pressa idraulica

� Il modulo di sicurezza ha un PL di 2,31x10-9 dichiarato dal fornitore.

� La parte rimanente del circuito di comando può essere divisa in due sotto-sistemi, ognuno dei quali è conforme ai requisiti della categoria 4, di cui si calcola il PL.

� Interblocco riparo� Contatto elettrico

� Esclusione del guasto per il contatto elettrico di B1 perché è ad apertura positiva. Per B2 B10d = 1000000

� Parte meccanica B10d = 1000000 per B1 e B2.

� Considerando intervento riparo ogni 10 minuti su due turni di lavoro ognuno di otto ore per tutto l’anno:

� per B1 MTTFd = 285 anni

� per B2 MTTFd = 142 anni

� Elettrovalvole� Per le EV prendiamo valori da norma MTTFd = 150 anni.

� Entrambi i canali vengono limitati a 100 anni.

10/04/08 54

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tuto

Cer

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pea

Pro

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Ind

ust

riali

Esempio pressa idraulica

� DC = 99% per B1 e B2 e per EV

� CCF = 75� Separazione 15

� Diversità 0

� Protezione contro sovra tensione 15� Componenti ben collaudati 5

� FMEA 5� Ambiente 25 + 10

� Parametri OK per Cat. 4.� Allegato K1 di EN ISO 13849-1 PL sottosistemi

= 2,47x10-8

� Totale PL = (2,47 + 0,231 + 2,47)x10-8 = 5,17x10-8 = e

10/04/08 55

Isti

tuto

Cer

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Pro

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Ind

ust

riali

Verifica del Software

SW applicativo

SW incorporato

10/04/08 56

Isti

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Cer

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Pro

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Ind

ust

riali

Raccomandazione d’uso di ISO 13849-1 e IEC 62061

10/04/08 57

Isti

tuto

Cer

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Pro

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Ind

ust

riali

Funzione densità di probabilità

� La funzione densità di probabilità (dpf) lega i

valori di una variabile casuale con la

probabilità di ottenere uno specifico valore

(var. discreta) o range (var. continua).

� Proprietà:

� Probabilità di ottenere un valore nel range da a

a b:

∫+∞

∞−

=1)( dxxf0)( ≥xf

∫=≤≤b

a

dxxfbxaP )()(

10/04/08 58

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Cer

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pea

Pro

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Ind

ust

riali

Distribuzione tipica: Esponenziale

0per 0,

;0per )(

<=

≥= −

x

xkexfkx

tetf

0002.00002.0)( −=

� Distribuzione esponenziale

comunemente usata nel

campo della affidabilità

f(x)

x

Un componente ha la seguente pdf:

0.243 )()8760 ,4380(

8760

4380

== ∫ dttfP

Qual è la probabilità che si guasti dopo la garanzia (6 mesi, 4380 ore) e prima della manutenzione straordinaria dell’impianto (12 mesi, 8760 ore)?

10/04/08 59

Isti

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Cer

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Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Tasso di guasto λ(t)

� λ(t) = numero di guasti per unità di tempo.

� Unità di misura FIT = Guasti su miliardi (10-9)

di ore

10/04/08 60

Isti

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Pro

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Ind

ust

riali

Esempio di stima di λ per un relè

� MIL-HBK 217F. Military Handbook - ReliabilityPrediction of Electronic Equipment. Department of Defence. Washington DC. 1991.

� λb = Base failure rate

� πL=Load stress factor

� πC=Complexity of configuration factor

� πCYC=Cycling factor

� πF=Form factor

� πQ=Quality factor

� πE=Environment factor

10/04/08 61

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Pro

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Ind

ust

riali

Esempio di stima di λ per un relè

10/04/08 62

Isti

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Pro

do

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Ind

ust

riali

Esempio di stima di λ per un relè

10/04/08 63

Isti

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Cer

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pea

Pro

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Ind

ust

riali

Esempio di stima di λ per un relè

10/04/08 64

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Pro

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Ind

ust

riali

Esempio di stima di λ per un relè

10/04/08 65

Isti

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Pro

do

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Ind

ust

riali

MTTF - MTBF – MTTR – MDT – MUT

� Se il tasso di guasto λ è costante: MTTF=1/ λ

� MTBF (Mean Time Between Filure)� Tempo medio tra due guasti di un sistema che viene riparato.

� MTTR (Mean Time To Repair)� Tempo medio per riparare il sistema

� MDT (Mean Down Time)� Durata media di indisponibilità del sistema

� MUT (Mean Up Time)� Durata media di funzionamento dopo la riparazione.

Guasto GuastoRimesssa in

servizio

10/04/08 66

Isti

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Pro

do

tti

Ind

ust

riali

FTA Fault Tree Analysis

� Analisi tramite albero dei guasti

� Metodo deduttivo complementare alla FMEA (induttivo)

� Si identifica un problema e se ne cercano le cause

� Per ogni causa il processo continua fino a quando non si individua l’evento o il guasto scatenante

� Viene utilizzata una simbologia:

Evento Guasto AND OR

10/04/08 67

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Pro

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Ind

ust

riali

FTA Esempio

� Due termocoppie (A e B) usate per rilevare la temperatura di un reattore. Il segnale viene confrontato: se differenza > 5% il sistema è guasto. La Probabilità di guasto di ogni termocoppia è0.005. Quale è la probabilità di guasto del sistema?

� Il guasto di una non preclude il guasto dell’altra:

P (sistema) = P(A)+P(B)-P(AeB) = 0.009975

Temperatura

non disponibile

Termo

guasta

Termo

guasta

• Tecnica conservativa di approssimazione per velocizzare: considerare eventi indipendenti e mutuamente esclusivi:P(sistema) = P(A)+P(B) = 0.01

10/04/08 68

Isti

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Cer

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Pro

do

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Ind

ust

riali

Combinazioni SERIE e PARALLELO

� MTTF di un sistema serie di n elementi con pdfesponenziale negativa e λ costante:

MTTFsistema= 1/(λA+ λB)

� MTTF di un sistema parallelo di 2 elementi con pdfesponenziale negativa e λ costante:

MTTFsistema= 1/(λA)+1/(λB) -1/ (λA+λB)

A B

A

B

10/04/08 69

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Cer

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Pro

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Ind

ust

riali

Analisi quantitativa: Markov

� Strumento per valutare la probabilità che un sistema si trovi in un certo stato durante un processo.

� Stati mutuamente esclusivi (cerchi)

� Probabilità di transizione nel tempo ∆t (archi)

� ∆t identico per tutte le transizioni; più piccolo

possibile.

� Processo “senza memoria”

� Rappresentazione grafica

� Stati = cerchi

� Probabilità di transizione = archi

10/04/08 70

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Cer

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pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Modello di Markov per canale singolo monitorato

� λM: tasso di guasto del sistema

� λs: tasso di guasto del supervisore

� Rt: frequenza di test� Rd: frequenza di richiesta

intervento� Rr: frequenza di riparazione� C: copertura diagnostica� Il supervisore può portare la

macchina in uno stato sicuro (4)

� I guasti non rilevati portato ad uno stato pericoloso (5)

� Il supervisore può guastarsi prima del sistema (5)

1Operativo

3Supervisore

guasto2Sistema guasto

5Guasto non

rilevato

6rischio

4Arresto sicuro

P13 =λs ∆

t

P6

1 =r

r ∆t

P3

5 =λ

M∆

t

P25 =(1-C

)rt ∆

t+λs ∆

t

P 12=λ

M∆t

P41=

r r∆

t

P2

4=

Cr t∆

t

P26 =

rd ∆

t P56=

rd∆

t

P45=λs∆t

10/04/08 71

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Pro

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Ind

ust

riali

CEI EN 62061:2005

SIL

CEI EN

62061

10/04/08 72

Isti

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Pro

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Ind

ust

riali

Valutazione del rischio e SIL

Riskrelated to

the identifiedhazard

Severityof the

possible

harm

SE

Frequency and duration of exposure

FR

Human and machine behavior

PR

Possibility to avoid harm AV

Probability of

occurrenceand=

Document No.:

Risk assessment and safety measures Part of:

Pre risk assessment

Intermediate risk assessment

Follow up risk assessment

Consequences SeveritySE

Death, losing an eye or arm 4 <= 1 hour 5 Common 5

Permanent, losing fingers 3 > 1 h - <=day 5 Likely 4

Reversible, medical attention 2 >1day - <= 2wks 4 Possible 3 Impossible 5

Reversible, first aid 1 > 2wks - <= 1 yr 3 Rarely 2 Possible 3> 1 yr 2 Negligible 1 Likely 1

Ser. Hzd. Hazard Safety measure SafeNo. No.

OM

SIL 2 SIL 3 SIL 3

SIL 1 SIL 2 SIL 3

SIL 2

SIL 1OM

ClSe Pr Av

Grey area = Safety measures recommended

11 - 13

SIL 2

OM

SIL 2

SIL 1

Fr

Class Cl14 - 153 - 4 5 - 7 8 - 10

Product:

Date:

Issued by:

Black area = Safety measures required

Avoidanceduration, FR event, PR AV

Frequency and Probability of hzd.

3 5 4 3 12

10/04/08 73

Isti

tuto

Cer

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pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Processo di sviluppo e progetto

� Ogni funzione di sicurezza deve essere scomposta in blocchifunzionali.

� Ad ogni blocco funzionale deve essere associato un sottosistema.

10/04/08 74

Isti

tuto

Cer

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pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Prestazione di sicurezza di sottosistema

� La prestazione di sicurezza di un sottosistema

è caratterizzata da:

� SILCL (limite di SIL richiesto) determinato

dai vincoli dell’architettura,

� SILCL dovuto all’integrità sistematica

� Probabilità di guasto pericoloso casuale

dell’hardware PFHd

10/04/08 75

Isti

tuto

Cer

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uro

pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Vincoli dell’architettura

� Hardware fault tolerance di N significa che N+1 guasti possonocausare la perdita della funzione.

� Safe failure fraction SFF (Frazione di guasto in sicurezza)� Frazione del tasso di guasto globale che non comporta un guasto

pericoloso: : (Σλ S + Σλ DD) / (Σλ S + Σλ D)� Dovrebbe essere realizzata un’analisi (es FTA, FMEA) di ogni

sottosistema.

10/04/08 76

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tuto

Cer

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pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Architettura base A

� Formule valide se λ x T1 << 1 (T1 minore tra proof test

e mission time) e modlaità di intervento frequente o

continua

10/04/08 77

Isti

tuto

Cer

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Pro

do

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Ind

ust

riali Architettura base B

� single fault tolerance without a diagnostic function

10/04/08 78

Isti

tuto

Cer

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pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali Architettura base C

10/04/08 79

Isti

tuto

Cer

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Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Architettura base D

10/04/08 80

Isti

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Cer

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pea

Pro

do

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Ind

ust

riali

Architettura base D

� Per elementi eterogenei:

� Per elementi omogenei:

10/04/08 81

Isti

tuto

Cer

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pea

Pro

do

tti

Ind

ust

riali

Stima di CCF

� Combinazione di tecnologia, architettura, applicazionee ambiente.

� Allegato F

10/04/08 82

Isti

tuto

Cer

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Pro

do

tti

Ind

ust

riali Valutazione SIL

A safety function and its assigned architecture

“Safety Integrity” Information of the Subsystems

Sensor

� SIL (claim limit): 2

� PFH1 = 2*10-7 / h

Safety PLC (IEC 61508)

� SIL: 3

� PFH2 = 4*10-8 / h

Actuator

� SIL: 2

� PFH3 = 3*10-7 / h

Systematic Integrity

SIL SYS <= (SIL subsystem)lowest

Architectural Constraints

SIL SYS <= (SIL subsystem)lowest

�SIL: 2

�SIL: 2

Probability of dangerous Failure

PFH = PFH1 + ...+ PFHn �PFH = (2 + 0.4 + 3)*10-7 < 10-6

10/04/08 83

Isti

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Cer

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Pro

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Ind

ust

riali

Vincoli architettura Sottosistema

Safety

PLC

CPU

SS3 SIL 31,8 E-9

SwitchB10, C

Contattore

SS2 SIL 35,42 E-10

DDC

D

ContattoreVincoli dell’architettura

1002 (N=1)

DC=99%

SIL 3

SS1

10/04/08 84

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Pro

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Ind

ust

riali

Elemento del sottosistema

Sottosistema

Verifica didiscrepanza nelPLC

Tasso di guasto pericoloso

Dangerous failure: “Contacts stuck” = 50%

λD = 0.5 x λ = 5 x 10-8

Ridondanza omogenea

λ1 = λ2 = λ ; DC1 = DC2 = DC

Copertura diagnostica (comparazione in PLC)DC = 99%

Common Cause FactorCCF: 1%

Failure rate λλλλ

C: frequenza di commutazione [1 / h]

λλλλ = 0.1 x C / B10

B10: fornito dal costruttore

B10 : 1 000 000

C : 1 / ora

λDssD = (1 – β)2 {[ λDe2 * 2 * DC ] * T2/2 + [ λDe2 * (1 - DC) ] * T1} + β * λDe

PFHDssD = λDssD * 1h ���� 5,0 E-9 SIL 3

Intervalli di testT1: 10 anniT2: 1 ora

PFH Sottosistema

10/04/08 85

Isti

tuto

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Pro

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Ind

ust

riali

SIL Claim:

SS1 SS2 SS3 SIL3 SIL3 SIL3

� SIL3

PFH and SIL:

SS1 SS2 SS35,0 E-9 + 5,42 E-10 + 1,8 E-9

= 7,342 E-9

SIL3 ???�

Valutazione del SIL

SIL2

Valutazione

qualitativa

SIL2 SIL2