Ve funkční bezpečnosti musí bezpečnostní funkce stroje udělat víc než jen reagovat jednou. Musí spolehlivě fungovat za předvídatelných provozních a poruchových podmínek.

To je místo, kde se výkonové úrovně neboli PL stávají důležitými. Výkonová úroveň určuje schopnost bezpečnostních částí řídicího systému plnit definovanou bezpečnostní funkci. V praxi to pomáhá inženýrům posoudit, zda bezpečnostní obvod nebo dílčí bezpečnostní obvod poskytují požadovanou úroveň snížení rizika.
Tento článek poskytuje kompaktní přehled hlavních parametrů používaných k určení výkonové úrovně. Je určen jako technické vedení, nikoli jako náhrada za posouzení rizik specifických pro projekt, validaci nebo přezkum norem.

Výkonová úroveň popisuje schopnost bezpečnostního obvodu plnit bezpečnostní funkci za předvídatelných podmínek. Výkonové úrovně jsou stanoveny jako pět samostatných úrovní:

  • PL a
  • PL b
  • PL c
  • PL d
  • PL e

PL a představuje nejnižší úroveň a PL e nejvyšší úroveň v rámci této klasifikace.
Výkonové úrovně jsou určovány pouze pro kompletní bezpečnostní obvody nebo kompletní bezpečnostní podobvody. Nejsou přiřazovány izolovaným standardním komponentám, aniž by byla zohledněna kompletní funkce související s bezpečností a architektura obvodu.

Před tím, než může být výkonová úroveň výkonu, musí být posouzeno riziko stroje. Posouzení rizik stanoví požadovanou úroveň snížení rizika pro každou bezpečnostní funkci.
Na základě tohoto posouzení rizik je každému bezpečnostnímu obvodu, který provádí bezpečnostní funkci nebo podfunkci, přiřazena požadovaná výkonovou úroveň. Docílená výkonová úroveň implementovaného obvodu musí být následně porovnána s tímto požadavkem.

Tato posloupnost je důležitá:
1. Identifikujte nebezpečí
2. Stanovte požadovanou výkonovou úroveň
3. Definujte požadovanou bezpečnostní funkci
4. Navrhněte bezpečnostní obvod nebo bezpečnostní podobvod
5. Posuďte, zda dosažená výkonová úroveň splňuje požadavky
6. Ověřte bezpečnostní funkci v kontextu stroje

Na dosaženou výkonovou úroveň má vliv několik kvantitativních a kvalitativních parametrů. Následující přehled vysvětluje ty nejdůležitější.

Struktura obvodu

Struktura bezpečnostního obvodu závisí na rozvržení komponent, diagnostice a opatřeních pro spolehlivost. Tyto struktury jsou rozděleny do kategorií B až 4.

Kategorie popisuje, jak je bezpečnostní obvod odolný vůči poruchám a jak se obvod chová při výskytu poruchy. Například architektura může ovlivnit, zda jediná porucha může vést ke ztrátě bezpečnostní funkce, nebo zda je porucha detekována a řízena.

Průměrná doba do nebezpečného selhání

Průměrná doba do nebezpečného selhání, neboli MTTFD, zohledňuje spolehlivost komponent použitých v bezpečnostním obvodu.
MTTFD se zaměřuje na nebezpečná selhání. Jedná se o selhání, která mohou zabránit správnému vykonání bezpečnostní funkce. Údaje o spolehlivosti všech relevantních komponent souvisejících s bezpečností musí být zohledněny v kontextu celého obvodu.

Diagnostické pokrytí

Diagnostické pokrytí, neboli DC, měří účinnost diagnostiky v bezpečnostním obvodu.
Popisuje podíl nebezpečných poruch, které mohou být detekovány, ve srovnání s nebezpečnými poruchami, které zůstávají nedetekovány. Obecně platí, že vyšší riziko vyžaduje účinnější diagnostiku. Diagnostická opatření mohou mít významný vliv na dosaženou úroveň výkonu.

Poruchy ze společné příčiny

Poruchy ze společné příčiny, neboli CCF, nastávají, když jsou dvě nebo více samostatných poruch způsobeny stejným problémem.
To je obzvláště důležité pro vícekanálové bezpečnostní okruhy. Dokonce i když jsou dva kanály navrženy samostatně, společná příčina, jako je vliv prostředí, nesprávná instalace, nevhodné konstrukční předpoklady nebo problém se sdíleným napájením, může ovlivnit oba kanály. Opatření proti selhání způsobenému společnou příčinou pomáhají snížit pravděpodobnost, že více kanálů selže ze stejného důvodu.

Chování při poruše

Chování bezpečnostního okruhu za podmínek poruchy musí být vyhodnoceno. Důležité poruchy a selhání by měly být analyzovány pomocí vhodných metod, jako například:

  • Analýza možných poruch a jejich důsledků neboli FMEA
  • Analýza stromu poruch neboli FTA

V závislosti na aplikaci, kategorii obvodu a vybraných komponentách mohou být vyžadována další konstrukční nebo diagnostická opatření pro splnění požadavků ISO 13849.

Bezpečnostní uživatelský software

Pokud je bezpečnostní uživatelský software součástí řídicího systému, musí vývojový proces zahrnovat opatření k prevenci chyb.
Strukturovaný vývojový model, jako je například V-model, může podpořit specifikaci, implementaci, ověřování a validaci. Cílem je software, který je čitelný, srozumitelný, testovatelný, udržovatelný a co nejvíce bez chyb.

Systémová selhání

Systémová selhání nejsou náhodná selhání hardware. Často jsou výsledkem lidských, procesních nebo konstrukčních příčin.
Příklady zahrnují:

  • Nesprávná specifikace
  • Poruchy výroby
  • Environmentální stres není zohledněn během konstrukce
  • Poruchy konstrukce hardwaru
  • Poruchy konstrukce softwaru
  • Nesprávná implementace nebo modifikace

Plán funkční bezpečnosti je jedním z nejdůležitějších nástrojů pro řešení systematických poruch. Definuje opatření k zabránění nesprávné specifikaci, implementaci, ověření, validaci nebo pozdější modifikaci bezpečnostních funkcí.

Závěrečné hodnocení výkonové úrovně (PL) zahrnuje všechny relevantní parametry. Přehled by měl ukázat, jak kategorie obvodu, MTTFD, diagnostické pokrytí, opatření proti společným příčinám selhání, chování při poruchách, kvalitu softwaru a opatření proti systematickým selháním přispívají k dosažené výkonové úrovni bezpečnostní funkce.

Vyhodnocení výkonové úrovně není jen výpočetním cvičením. Jedná se o úkol v oblasti bezpečnostního inženýrství, který závisí na celkovém kontextu stroje.

Stejná součást může fungovat odlišně v závislosti na bezpečnostní funkci, struktuře obvodu, diagnostice, software, prostředí a koncepci validace. Proto by bezpečnostně relevantní obvody měly být hodnoceny ve vztahu k celkovým funkcím nebo podfunkcím, nikoli k izolovaným součástem.

Festo poskytuje tvůrcům strojů automatizační komponenty, dokumentaci a aplikační znalosti, které jim mohou pomoci během bezpečnostní konstrukce. Konečná odpovědnost za hodnocení rizik, implementaci a validaci zůstává na výrobci stroje nebo inženýrském týmu.

  • Výkonové úrovně určují schopnost bezpečnostních obvodů provést definovanou bezpečnostní funkci za předvídatelných podmínek
  • Výkonová úroveň (PL) je přiřazena kompletním bezpečnostním obvodům nebo jejich podobvodům, nikoli izolovaným standardním komponentám
  • Posouzení rizika určuje požadovanou výkonovou úroveň (PL) před vyhodnocením obvodu
  • Kategorie obvodu, MTTFD, diagnostická pokrytí a opatření proti běžným příčinám poruch jsou klíčovými parametry pro hodnocení výkonové úrovně (PL)
  • Chování při poruchách by mělo být analyzováno vhodnými metodami, jako jsou FMEA nebo FTA
  • Software související s bezpečností vyžaduje strukturovaný přístup k vývoji a ověřování
  • Funkční bezpečnostní plán pomáhá snížit systematické chyby způsobené problémy se specifikací, konstrukcí, implementací nebo modifikací