Koneiden ohjausjärjestelmät - Teollisuusautomaation standardit - Standardi IEC 62061

1. matti.sundquist@sundcon.fi 1
Teollisuusautomaation standarditOsio 4
Osio 1:SESKOn Komitea SK 65: Teollisuusprosessien ohjaus
Osio 2:Toiminnallinen turvallisuus: periaatteet
Osio 3:Toiminnallinen turvallisuus: standardisarja IEC 61508
Osio 4:Koneiden ohjausjärjestelmät: standardi IEC 62061
Osio 5:Riskin arviointi ja turvallisuuden eheyden tason SIL määrittäminen: standardit IEC 61508-5 ja IEC 62061
Osio 6: Koneiden ohjausjärjestelmien suunnittelutyökalu SISTEMA
Osio 7:Hätäpysäytys: standardit ISO 13850 ja IEC 60947-5-5
Osio 8:Turvaväylät ja niiden valinta: tekninen raportti IEC/TR 62513
Osio 9:Logiikat: standardi IEC 61131-1 ja 61131-3
Osio 10: Turvallisuuteen liittyvän elektroniikan asennus-ja muutostyöt

2. matti.sundquist@sundcon.fi 2
Koneiden ohjausjärjestelmät: standardi IEC 62061
Matti Sundquist
Sundcon Oy

3. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 3

IEC 62061 on ”kattostandardin” IEC 61508 sovellusstandardi.

Standardin tarkoituksena on
•
auttaa koneiden ja niiden sähköisen/elektronisen ohjausjärjestelmien suunnittelijoita, kone-ja laitetoimittaja ja vaatimustenmukaisuuden arviointilaitoksia suunnittelemaan ja arvioimaan turvallisuuteen liittyviä ohjausjärjestelmiä
•
esittää riskin arviointimenetelmä ja sen tulosten perusteella määrittää tarvittava turvallisuuden eheystason SIL jokaiselle turvatoiminnolle.
Standardin IEC 62061 tarkoitus #1

4. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 4

Standardin tarkoituksena on lisäksi
•
esittää ohjeita sähköisen/elektronisen ohjausjärjestelmän suunnitteluun
•
yhdistää standardin SFS-ISO EN 13849-1 mukaisesti suunniteltuja ohjausjärjestelmän osia yhdeksi kokonaisuudeksi
•
esittää ohjausjärjestelmälle asetettujen vaatimusten todentamisen ja kelpuutuksen vaatimukset ja ohjeet.
Standardin IEC 62061 tarkoitus #2

5. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 5

Toiminnalliset vaatimukset:
•
toimintatavan valinta (mm. turvatoiminnot automaattisesti valinnan mukana)
•
hallintalaitteet (mm. ergonomiset vaatimukset)
•
käynnistystoiminto (mm. odottamattoman käynnistyksen estämisen toimenpiteet)
•
pysäytystoiminto (mm. turvalliseen tilaan saattaminen)
•
ohjelmistojen toiminnot (mm. oikeellisuus).
Konedirektiivin toiminnalliset vaatimukset koneiden hallintajärjestelmille

6. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 6

Laitteiden toiminnalliset vaatimukset:
•
turvallisuus ja luotettavuus (mm. suurin sallittu vaarallisten vikaantumisten taajuus)
•
energiansyötön häiriöt (mm. tehonsyötön valvonta)
•
ohjauspiirin häiriöt (mm. ohjausjärjestelmän luotettavuus, diagnostiikka).
Konedirektiivin vaatimukset koneiden hallintajärjestelmän laitteistolle

7. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 7

Kone tai laite: tavallisesti tiheiden tai jatkuvien vaateiden toimintamuoto. Seuraukset työtapaturmia.

Prosessit: tavallisesti harvojen vaateiden toimintamuoto. Seuraukset voivat olla suuronnettomuuksia.
Rajana on vaade kerran vuodessa (kerran 104 tunnissa) eli koneet kuuluvat pääsääntöisesti tiheiden tai jatkuvien vaateiden toimintatapaan.
Ohjausjärjestelmien erot: koneet vs. prosessit

8. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 8
Todennäköisyys sille, että turvallisuuteen liittyvä järjestelmä toteuttaa hyväksyttävästi vaadittavat turvatoiminnat kaikissa määritellyissä olosuhteissa ja määriteltynä ajanjaksona.
”Turvallisuuden luotettavuus”
Turvallisuuden eheys SIL(Safety Integrity Level)

9. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 9

Konesovelluksissa käytetään tavallisesti tiheiden vaateiden tai jatkuvan toiminnan toimintatapa.

Vaarallisen vikaantumisen todennäköisyys tuntia kohden PFH (Probability of Failure per Hour):
SIL = 410-9… 10-8(ei tavallisesti konesovelluksissa)
SIL = 310-8… 10-7
SIL = 210-7… 10-6
SIL = 110-6… 10-5
Turvallisuuden eheyden tasot

10. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 10

Standardi esittää järjestelmällisen menetelmän riskin vähentämiseksi vaaditulle tasolle.

Jokaiselle turvatoiminnolle arvioidaan riskin arvioinnin perusteella turvallisuuden eheyden tasot.

Turvatoiminto toteutetaan sarjamuotoon kehitetyillä toimilohkoilla.
Standardi IEC 62061

11. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 11
Ohjausjärjestelmästandardien soveltamisalat
SFS-EN ISO 13849-1:
Yksinkertaistettu menetelmä, joka perustuu parametrien likiarvoihin ja valmiiksi laskettuihin tyypillisiin arkkitehtuurimalleihin. Menetelmä ei sovellu puhtaasti elektronisten ohjausjärjestelmien suunnitteluun.
IEC 62061:
Vikatarkastelu perustuu turvatoiminnon vikaantumisen todennäköisyyden määrälliseen (laskennalliseen) arviointiin.
Menetelmä soveltuu kompleksisten (elektronisten) ohjausjärjestelmien suunnitteluun.

12. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 12
Standardien SFS-EN ISO 13849-1 ja IEC 62061 soveltamisalojen vertailu

Jos turvatoimintoja toteuttavissa ohjausjärjestelmissä käytetään elektronisia osia standardia SFS-EN ISO 13849-1 voidaan soveltaa jos
•
vaadittu riskin vähentäminen on pieni tai ohjausjärjestelmän osuus riskin vähentämisessä on pieni tai
•
turvatoiminnalla on kiinteästi langoitettu varmistus tai divergenssi (kanavien erillisyys, ks. sivu 26) on viety pitkälle tai
•
käytetään vain sertifioituja osia (alajärjestelmiä), (ks. osio 3 sivut 15 ja 16).

13. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 13

Vaatimusten määrittely turvallisuuteen liittyville ohjausjärjestelmän osille

Turvallisuuden eheyden tasojen SIL määrittäminen riskin arvioinnin avulla

Turvallisuuteen liittyvien ohjausjärjestelmien suunnittelu

Käyttäjän tarvitsemat tiedot turvallisuudesta ja kunnossapidosta

Kelpuutus

Vaatimukset järjestelmän turvallisuuden ylläpidolle jälkikäteen tehtävien muutosten yhteydessä.
Standardin IEC62061 sisältö

14. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 14

Turvatoimintoja toteuttavia laitteita ja ohjelmistoja:
•
antureita
•
ohjelmoitavia elektronisia laitteita
•
toimilaitteita
•
sulautettuja ohjelmistoja
•
sovellusohjelmistoja
•
jne.
Turvallisuuteen liittyvän järjestelmän osia

15. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 15

Vaatimukset laitteiden turvallisuuden eheydelle
•
satunnaisten vaarallisten vikaantumisten taajuus
•
ohjausjärjestelmän arkkitehtuurin (rakenteen) tuomat rajoitukset luotettavuudelle

Vaatimukset järjestelmän turvallisuuden eheydelle
•
vikaantumisten välttäminen
•
järjestelmän vikojen hallinta

Vaatimukset järjestelmän toiminnalle tunnistettaessa vikaantuminen

Vaatimukset turvallisuuteen liittyvän järjestelmän ohjelmiston suunnitteluun ja kehittämiseen.
Vaatimusmäärittely

16. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 16
Sarjamuotoinen vs. rinnakkainen rakenne

Sarjamuotoisessa rakenteessa komponentit ovat peräkkäin siten, että yhdenkin komponentin tai kanavan vikaantuminen aiheuttaa koko ohjattavan toiminnon vikaantumisen (”ketjun heikoin lenkki”).

Rinnakkaisessa rakenteessa toisen komponentin vikaantuessa toinen komponentti voi toteuttaa ohjaustoiminnon.
1
2
1
2

17. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 17
Turvatoiminnon jakaminen osiin ja kohdentaminen ohjausjärjestelmän osille
Function block B 2 Function block B 2 Function block B 1 Safety function B Function block A 3 Function block A 1 Function block A 2 Safety function A Subsystem 3 Subsystem 1 Subsystem 2 SRECS Toimilohko B 2 Toimilohko B 2 Toimilohko B 1 Turvatoiminto B Toimilohko A3 Toimilohko A1 Toimilohko A 2 Turvatoiminto A A Alajärjestelmä 3 Alajärjestelmä 1 Alajärjestelmä 2 SRECS Virtuaalinen kuvaus: toiminnallinen jako osiin Todellinen kuvaus: kohdentaminen Arkkitehtuurin suunnittelu: alajärjestelmien yhdistäminen
IEC 62061 kuva 3
SRECS = Safety Related Electric Control System

18. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 18
Arkkitehtuuri (rakenne)

Turvatoiminnontoteuttavajärjestelmäkoostuusarjamuotoisestaalajärjestelmienkokoonpanosta.

Alajärjestelmäpuolestaankoostuuelementeistä, jotkavoivatolla myösrinnakkaisia.
Järjestelmä
Alajärjestelmät
Alajärjestelmän elementit
Tulotietojen hankkiminen
Loogiset toiminnot
Toiminnantoteuttaminen

19. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 19
Turvatoiminnon vikataajuus saadaan laskemalla yhteen kaikkien alajärjestelmien vaarallisten satunnaisvikojen esiintymistodennäköisyydet (tuntia kohden, PFH). Jokaista vikataajuutta vastaa jokin SIL-taso (katso taulukko saivulla 9).
Suurin vikataajuus
Tulot
Logiikka
Lähdöt
PFHD= PFHD1+ ...+ PFHDn+ PTE

20. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 20

Jokaisen turvatoiminnon eheystason SIL arviointi perustuu jokaisen alajärjestelmän turvallisuuden eheyden tason arviointiin.

Turvatoiminnolle esitettävän turvallisuuden eheystason yläraja (SIL Claim Limit, SILCL) arkkitehtuurin rajoitusten johdosta on enintään alajärjestelmälle esitettävän pienimmän turvallisuuden eheystason suuruinen:
SILkoko≤(SILalajärjestelmä)alin
Turvallisuuden eheyden SIL yläraja

21. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 21

Arkkitehtuurin (rakenteen) rajoituksilla osoitetaan korkein turvallisuuden eheyden taso (SIL Claim Limit, SILCL), joka voidaan hyväksyä kyseiselle alajärjestelmälle.

Nämä rajoitukset perustuvat siihen, että pelkällä komponenttien luotettavuudella ei voida saavuttaa korkeaa luotettavuustasoa, vaan tarvitaan redundanttisia (kahdennettuja tai useampikanavaisia) rakenteita.

Rajoitukset esitetään taulukossa alajärjestelmän diagnostiikan (SFF) ja vikasietoisuuden avulla.
Arkkitehtuurin (rakenteen) aiheuttamat turvallisuuden eheyden SIL rajoitukset

22. Teollisuusautomaation standardit –Osio 4
22
Esimerkki alajärjestelmien yhdistämisestä ja diagnostiikasta
Riskin arvioinnin perusteella (ks. osio 5) on päädytty käsivahinkovaaran osalta turvallisuuden eheyden tasolle SIL 2. Turvallisuustoimenpiteenä on asennettu työstötilan suojus, joka on kytketty koneen toimintaan.

23. Teollisuusautomaation standardit –Osio 4
23
Toiminnan jakaminen toimilohkoiksi
Turvallisuuteenliittyvänohjaustoiminnonturvallisuusvaatimustenspesifikaatio(toiminta-eheys)
Ehdotus ohjausjärjestelmän luonnokseksi toiminnallisten ja eheyden vaatimusten (SIL2) mukaisesti
Esimerkki turvallisuuteen liittyvästä ohjaustoiminnosta: jos suojuksen ovi on auki, akselin pyörimisnopeus ei saa ylittää määritettyä arvoa. Riskin arviointi: Vaadittava turvallisuuden eheys = SIL 2.
Järjestetäänsuojuksenasemantunnistusja akselinpyörimis- nopeudentunnistus. Tunnistuksenlähtötiedotkäsitelläänlogiikkayksikössä, siten, että-käyttömoottoripysäytetäänainakunakselinpyörimisnopeuson liiansuurija-ainakunsuojuksenoviei olesuljettuna, moottorinenergiansyöttöon katkaistuna.
Kohdennetaan kaikille alajärjestelmille

24. Teollisuusautomaation standardit –Osio 4
24
Esimerkki alajärjestelmistä
Kohdennetut toiminnot ja eheyden vaatimukset alajärjestelmille
Suojuksen tunnistinSIL 2
Nopeuden tunnistin
SIL 2
Tulot/anturit
Logiikka yksikkö
SIL 2
Logiikkayksikkö
KontaktoriSIL 2
Lähdöt/Toimilaittet
Toimintojen ja eheyden vaatimusten kohdentaminen alajärjestelmien
elementeille

25. Teollisuusautomaation standardit –Osio 4
25
Diagnostiikkatoiminnot
Toiminnallisten ja eheyden vaatimusten kohdentaminen
Suojuksen tunnistin
Suojuksen tunnistin
SILCL 2
D
Nopeuden tunnistin
Nopeuden tunnistin
SILCL 2
D
StandardinIEC 61508mukainenohjelmoitava logiikka
D
SILCL 2
Kontaktori
Kontaktori
D
SILCL 2

26. Teollisuusautomaation standardit –Osio 4
26
Diagnostiikkatoiminnot
Kohdennetut toiminnot ja eheyden vaatimukset
Suojuksen tunnistin
Suojuksen tunnistin
SIL 2
Nopeuden tunnistin
Nopeuden tunnistin
SIL 2
Standardin
IEC 61508
mukainen
ohjelmoitava
logiikka
D
D
D
SIL 2
Moottorin energiansyöttö
Moottorin energiansyöttö
SIL 2

27. Teollisuusautomaation standardit –Osio 4
27
Ohjausjärjestelmän vaarallisen vikaantumisen todennäköisyyden arviointi
Esimerkki: vaatimus SIL 2 => PFHD= 10-7…10-6
Alajärjestelmä 1
Suojuksen
toimintaan
kytkentälaitteet
PFHD= 1x10–7
Alajärjestelmä 2
Nopeuden
tunnistuselimet
PFHD= 2x10–7
Alajärjestelmä 3
Ohjelmoitava
logiikkaohjain
PFHD= 1x10–7
Alajärjestelmä 4
Kontaktorit
PFHD= 2x10–7
PFHkoko= (1 x 10–7) + (2 x 10–7) + (1 x 10–7) + (2 x 10–7) = 6 x 10–7
=> SIL 2 (ks. sivu 9)

28. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 28
Yhteisviat (β-tekijä):

Katso osio 6 sivut 27 ja 28 (myös standardi IEC 62061 liite F)

β-tekijä ilmaisee kuinka suuri osa [%] yhden kanavan vioista vaikuttaa toisiinkin kanaviin (ilman diagnostiikkaa)
Yhteisviat

29. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 29

Suunnittelun ja toteutuksen aikana:
•
ohjausjärjestelmän suunnittelu toiminnallisen turvallisuuden hallintasuunnitelman mukaisesti
•
valmistajan antamia tietoja ja ohjeita on noudatettava ja omaksuttava hyvä insinöörikäytäntö
•
valittava sopivat alajärjestelmät ja varmistettava alajärjestelmien toiminnalliset ominaisuudet ja varsinkin yhteensopivuus
•
huolehdittava ohjausjärjestelmän sähköteknisistä ominaisuuksista standardin IEC 60204-1 ”Koneturvallisuus. Koneiden sähkölaitteistot” mukaisesti.
Systemaattisten virheiden välttäminen #1

30. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 30

Vaatimukset suunnitteluvirheiden hallintaan:
•
turvallisen vikaantumisen periaatteen käyttäminen esim. siten, että komponentin vikaantuminen johtaa koneen vaarallisen liikkeen pysähtymiseen tai energian syötön katkeaminen johtaa järjestelmä turvalliseen tilaan
•
vaarallisiin vikaantumisiin reagoivien toimintojen on toteuduttava ennen kuin vaaratilanne ehtii syntyä
•
varmistettava, että komponenteilla ei ole dokumentoimattomia toimintoja
Systemaattisten virheiden välttäminen #2

31. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 31

Alajärjestelmien vikaantumisen hallinta:
•
vikaantumisten paljastaminen ohjausjärjestelmän käytönaikaisella valvonnalla
•
tietoliikenteen häiriöiden hallinta (ks. osio 10)
•
ympäristötekijät (lämpötila, kosteus, tärinä, EMC jne).
•
ylijänniteen-ja alijännitten sekä jännitteen vaihteluiden ja keskeytysten hallinta(ks. IEC 60204-1)
Systemaattisten virheiden välttäminen #3

32. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 32
•
laitteiston divergenssi (komponenttien tai kanavien erillisyys: esim. eri toimintaperiaate, eri valmistajat, eri ohjelmistot jne.)
•
pakkotoimiset kytkimet (esim. ohjauskappaleen suora sähkömekaaninen ohjaus koskettimien aukaisuun)
•
ylimitoitus (esim. 50 % nimellisarvon yläpuolelle)
Systemaattisten virheiden välttäminen #4

33. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 33

Systemaattisen turvallisuuden eheyden tarkistaminen: Sovellettava vähintään yhtä seuraavista menetelmistä riippuen turvatoimintojen turvallisuuden eheystasosta:
•
ohjausjärjestelmän laiteosuuden suunnittelun tarkistaminen vertaamalla eritelmää laitteisiin
•
tietokoneavusteisten suunnittelumenetelmien käyttäminen, jolla mahdollistetaan simulointi tai analyysi
•
toimintojen kattava simulointi.
Systemaattisten virheiden välttäminen #5

34. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 34

Vikojen välttäminen (puolustuksellinen suunnittelu):
•
V-malli: toiminnat, todentaminen ja kelpuutus (ks. seuraava sivu)
•
ohjelmiston rakenteen hallinta
•
kattava dokumentointi ja versionhallinta
•
soveltuvat toimenpiteet muutosten jälkeen.
Ohjelmistokehitys #1

35. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 35
Ohjelmistokehitys #2
120107matti.sundquistTurvatoiminto- jenerittelyOhjelmiston turvallisuu- denerittelyKelpuutusKelpuutettu ohjelmistoSysteemi- suunnitteluYhdistämisen testausModuulien suunnitteluModuulien testausKoodausTulos TodentaminenISO 13849-1:2006

36. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 36

Vaatimukset ohjelmiston arkkitehtuurille

Vaatimukset työmenetelmille, käyttäjälle annettaville tiedoille ja sovelluskielille

Vaatimukset sovellusohjelmiston suunnitteluun

Vaatimukset koodaukselle

Vaatimukset sovellusmoduulien testaukselle

Vaatimukset sovellusohjelmiston kokoonpanon testaukselle.
Ohjelmistokehitys #3

37. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 37

Kaikki turvallisuusvaatimusten määrittelyssä esitettävät ohjaustoiminnat on kelpuutettava.

Standardissa esitetään yleisluontoisia vaatimuksia
•
kelpuutussuunnitelmalle
•
testauslaitteistolle
•
dokumentoinnille.
Kelpuutus

38. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 38

Testauksia ohjausjärjestelmän turvallisuuden eheystasosta ja monimutkaisuudesta riippuen:
•
ympäristöolosuhteiden vaikutukset
•
sähkönsyöttö.

Testausmenetelmiä
•
testaus syöttämällä järjestelmään vikoja
•
staattiset, dynaamiset ja vikaantumisanalyysit
•
simulaatiot
•
musta laatikko (black box)-testit
•
pahimman tilanteen testit (worst case test).
Kelpuutuksentestaukset

39. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 39

Ohjausjärjestelmän muutostarpeita aiheuttavat mm.:
•
turvallisuusvaatimusten muutokset
•
käyttöolosuhteiden muutokset
•
vahingot ja tapaturmat
•
käsiteltävän materiaalin muutokset
•
koneen tai sen käyttötapojen muutokset.
Muutosten hallinta

40. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 40

Pyydetyn muutoksen syyt ja vaikutukset ohjausjärjestelmän toiminnalliseen turvallisuuteen on analysoitava ja dokumentoitava.

Kaikki ohjausjärjestelmään vaikuttavat muutokset on dokumentoitava.

Muutettujen dokumenttien perusteella on tehtävä täydellinen dokumentoitu toimintasuunnitelma.

Muutostyöstä on tehtävä selkeä päätös ennen muutostyön aloittamista.
Menettelytapa muutoksissa

41. Teollisuusautomaation standardit – Osio 4 41

ISO 14121:2007(ent. ISO 14121:1999 ja EN 1050) ”Koneturvallisuus -Riskin arvioinnin periaatteet”

SFS-EN ISO 12100:2010(ent. ISO 12100-1 ja –2:1992 ja ent. EN 292-1 ja 2:1991) ”Koneturvallisuuden perusstandardit”

IEC 60204-1:2007”Koneturvallisuus -Koneiden sähkölaitteistot. Osa 1: Yleiset vaatimukset.”
Kaikki nämä standardit on julkaistusuomi-englanti versioina.
Keskeisiä standardeja