Produktionstechnik

Elektrohydraulik sicher berechnet

Die neue Norm für die Sicherheit von Maschinen, DIN EN ISO 13849, verändert mit neuen Auslegungskriterien und Wahrscheinlichkeitsberechnungen die sicherheitstechnische Einstufung von elektrohydraulischen Antrieben. Rexroth vereinfacht diesen Prozess mit einbaufertigen, normgerechten Systemlösungen sowie einem erstmals auf dem 6. Internationalen Fluidtechnischen Kolloquium (IFK) in Dresden vorgestellten Verfahren für das Design und die Analyse elektrohydraulischer Antriebe nach der neuen Norm. Die neue Norm DIN EN ISO 13849 muss von allen Herstellern und Betreibern von Maschinen und Anlagen bis spätestens Ende 2009 umgesetzt werden. Sie basiert unter anderem auf zwei Normen: Der EN 954, deren Kategorien und Sicherheitsprinzipien in die neue Norm eingeflossen sind sowie der IEC 61508 auf der Elektronik- und Softwareseite. Eine grundsätzliche Neuerung betrifft die notwendige Berechnung der Eintrittswahrscheinlichkeit von Fehlern. Sie ersetzt die relativ einfache Vorgehensweise bei der EN 954, durch die Gefährdungsanalyse zu einer Strukturaussage zu kommen. Die neue Norm begrenzt den wahrscheinlichkeitstheoretische Ansatz der IEC 61508 zwar auf ein Minimum, führt aber weitere Begriffe und Größen ein, die der Anwender beachten muss. Die DIN EN ISO 13849 verwendet so genannte "Designated structures", vorgesehene Strukturen, die sich stark an den bekannten Kategorien der EN 954 orientieren. Diese erlauben dem Anwender, die Ausfallwahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung bestimmter Parameter für die jeweilige Struktur zu berechnen. Das Ergebnis ist ein Performance Level in den Stufen a bis e.

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Hydraulikventil mit einer charakteristischen Lebensdauer von 150 Jahren

Dazu muss der Anwender zunächst die Mean Time To Failure (MTTF) ermitteln. Ein hoher Wert zeugt von hoher Zuverlässigkeit. Das Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, BGIA, hat 2004 das Ausfallverhalten sowie den Alterungsprozess von Hydraulikventilen untersucht. Das Ergebnis: Hydraulische Ventile können bei sachgemäßem Einsatz eine sehr hohe MTTF von 150 Jahren erreichen. Die Gefahr besteht, dass der Anwender diese "schönen" MTTF-Werte verwendet, ohne die Randbedingungen zu berücksichtigen und damit unrealistisch hohe Sicherheitsniveaus berechnet. Die heute übliche eingesetzte Ventilelektronik gilt in den Augen der Norm nicht als sicher. Sie erreicht lediglich einen niedrigen MTTF-Bereich. Damit kann der Anwender nur Performance Levels bis maximal "c" zu erreichen. Für höhere Performance Levels muss die Elektronik zusätzliche Anforderungen erfüllen: Verwendung von Bauteilen mit höherer Zuverlässigkeit, Redundanz in der Signalverarbeitung, Verwendung mehrerer Abschaltpfade, Überwachung der Signalverarbeitung und des Stellsignals. Hersteller wie Rexroth arbeiten an Ventilen mit Sicherheitselektronik im Rahmen der Einführung von Ethernet basierter Bustechnik. Dabei verlegen sie zunächst die übliche externe Versorgungsspannungsunterbrechung in das Ventil, beispielsweise durch eine "sichere Endstufe". Einen weiteren Parameter bildet der mittlere Diagnosedeckungsgrad, DC. Bei hydraulischen Antrieben wird in der Regel das Ventil in einer Position überwacht, in der keine Bewegung des angeschlossenen Zylinders erfolgt. Bei einem fehlerfreien Anschluss von Ventil und Zylinder, erreicht der Anwender einen hohen DC von 99 Prozent. Aufwändiger gestaltet sich die Überwachung der Ventilelektronik, um einen akzeptablen DC-Wert zu erhalten. Erst mit einem DC von 90 Prozent der Elektronik, kann beispielsweise eine 2-Kanalige Struktur einen angemessenen Performance Level erreichen. Bei Strukturen mit Redundanz, also zweikanaligen Strukturen oder Strukturen mit Testeinrichtungen muss der Anwender auf mögliche Common Cause Failures, Fehler gemeinsamer Ursache, achten. So kann ein verschmutztes Fluid den Ausfall beider Kanäle verursachen. Die Berücksichtigung des CCF fand bisher durch Anwendung interner Normen und ingenieurmäßiges Arbeiten statt. Eine Neubewertung und Festlegung der Beurteilungsmaßstäbe ist allerdings angezeigt. Weiterhin schreibt die Norm Maßnahmen zur Beherrschung und Vermeidung systematischer Ausfälle vor.

Rexroth-Verfahren vereinfacht Einstufung

Durch die Systematik der DIN EN ISO 13849 ergeben sich unterschiedliche Lösungen, die der Konstrukteur jedes Mal erneut bewerten muss. Der Anwender kann durch einbaufertige Systemlösungen, für die der Hersteller die Berechnungen durchgeführt hat, den Aufwand erheblich reduzieren. Für die notwendigen Berechnungen von Eigenkonstruktionen hat Rexroth auf dem 6. IFK in Dresden erstmals ein Verfahren vorgestellt, das sowohl Hilfe bei der Analyse bestehender, als auch bei der Konstruktion neuer Schaltungen bietet. Es vereinfacht und standardisiert den Designprozess für hydraulische Systeme in sicherheitsgerichteten Anwendungen. Das Verfahren berücksichtigt dabei die sicherheitstechnischen Gesamtwerte von Ventilen inklusive der Elektronik. Der Anwender muss PL-Berechnungen daher nicht selbst durchführen In einem nächsten Schritt erweitert Rexroth das Verfahren auf zahlreiche Struktur- und Schaltungsvariationen, die auch Rückschlag- und Cartridgeventile in die Betrachtung einbeziehen. Dazu wird Rexroth eine praxisorientierte Anwendungshilfe in Form einer Übersichtstabelle der für Sicherheitsanforderungen einsetzbaren Ventile sowohl im Schalt- und Cartridge- als auch im Proportionalventilbereich entwickeln.

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