Стандарт безопасности машин Iec 62061 для систем управления

Стандарт IEC 62061 является важнейшим руководством по обеспечению безопасности в системах управления машинным оборудованием. Он обеспечивает структурированную основу для проектирования, внедрения и поддержания функций безопасности, которые защищают операторов и оборудование. В качестве гармонизированного стандарта в соответствии с Европейской директивой по машинному оборудованию и признанного во всем мире, IEC 62061 позволяет производителям достигать функциональной безопасности для электрических, электронных и программируемых электронных систем управления (E/E/PE), используемых в машинах. Эта статья предлагает всеобъемлющий технический обзор IEC 62061, его ключевых компонентов, взаимосвязи с другими стандартами, методологии внедрения и бизнес-преимуществ.

Что такое IEC 62061?

IEC 62061, официально озаглавленный «Безопасность машин и механизмов – функциональная безопасность систем управления, связанных с безопасностью», является международным стандартом, разработанным Международной электротехнической комиссией (IEC). Он был впервые опубликован в 2005 году и с тех пор подвергся серьезным изменениям, в первую очередь в издании 2021 года, которое более тесно согласовало его с IEC 61508 (общий стандарт функциональной безопасности) и ISO 13849 (стандарт для частей систем управления, связанных с безопасностью).

Стандарт применяется конкретно к системам управления, связанным с безопасностью (SRCS), которые включают электрические, электронные и программируемые электронные технологии. Он охватывает весь жизненный цикл от концепции, проектирования и интеграции до эксплуатации, обслуживания и вывода из эксплуатации. В отличие от некоторых отраслевых стандартов, IEC 62061 рассматривает как аппаратные, так и программные аспекты, что делает его пригодным для широкого спектра машин, включая упаковочное оборудование, станки, робототехнику и автоматизированные производственные линии.

МЭК 62061 предназначен для использования в сочетании с ISO 12100 (оценка риска для машин и механизмов) и дополняет ISO 13849, который охватывает пневматические, гидравлические и механические части, связанные с безопасностью. Вместе эти стандарты составляют основу соблюдения функциональной безопасности машин и механизмов во многих юрисдикциях, особенно в соответствии с Регламентом ЕС по машинному оборудованию 2023/1230.

Ключевые понятия и терминология

Для эффективного применения МЭК 62061 необходимо понимать несколько основополагающих понятий.

Оценка рисков и идентификация рисков

Первым шагом в рамках МЭК 62061 является систематическая оценка риска на основе ISO 12100. Производители должны идентифицировать все предсказуемые опасности - механические, электрические, термические, химические или возникающие в результате человеческой ошибки. Для каждой опасной ситуации связанный с ней риск оценивается с учетом тяжести потенциального вреда, вероятности возникновения (включая частоту воздействия и возможность предотвращения), а также возможности предотвращения или ограничения вреда.

Результат оценки риска приводит к требуемому снижению риска. Функции безопасности затем предназначены для снижения рисков до приемлемого уровня. Каждой функции безопасности должен быть присвоен целевой уровень целостности безопасности (УУБ) на основе необходимого снижения риска.

Уровень целостности безопасности (SIL)

Уровень целостности безопасности представляет собой дискретный уровень (1-4), определяющий вероятность того, что функция безопасности будет выполняться правильно при всех заявленных условиях в течение определенного времени. SIL 1 обеспечивает самый низкий уровень целостности, SIL 4 - самый высокий. В контексте машин и механизмов SIL 3 обычно является самым высоким требуемым, при этом SIL 4 редко используется из-за чрезвычайной стоимости и сложности.

Назначение SIL зависит от трех параметров: средняя вероятность опасного сбоя в час (PFH _]D), диагностическая защита (DC) и способность противостоять сбоям общей причины (CCF). IEC 62061 предоставляет количественные цели для каждого SIL:

SIL 1: PFH_D от 10⁻⁵ до менее 10⁻⁶ 1/ч
SIL 2: PFH_D от 10⁻⁶ до менее 10⁻⁷ 1/ч
SIL 3: PFH_D от 10⁻⁷ до менее 10⁻⁸ 1/ч

Эти цели должны быть проверены с помощью анализа надежности, часто с использованием режимов отказа, эффектов и диагностического анализа (FMEDA) или анализа дерева неисправностей.

Архитектурные ограничения

IEC 62061 накладывает архитектурные ограничения на конструкцию оборудования для достижения заданного SIL. Эти ограничения относятся к категориям архитектуры системы (аналогично ISO 13849 категории B, 1, 2, 3 и 4). Стандарт определяет требуемую отказоустойчивость оборудования (HFT) и диагностическое покрытие для каждого SIL:

SIL 1: HFT = 0 (одноразовый отказоустойчивость не требуется) с базовым диагностическим покрытием.
SIL 2: HFT = 1 (одна отказоустойчивость), как правило, с высоким диагностическим покрытием, или HFT = 0 с очень высоким диагностическим покрытием и конкретными архитектурами подсистем.
SIL 3: HFT = 1 с высоким диагностическим покрытием, или HFT = 2 с умеренным покрытием.

Эти ограничения гарантируют, что один опасный сбой не приведет к потере функции безопасности.

Систематическая целостность

Помимо случайных сбоев оборудования, IEC 62061 требует мер по предотвращению систематических ошибок - ошибок, введенных во время спецификации, проектирования, внедрения или обслуживания. Это включает в себя тщательную разработку программного обеспечения после определенного жизненного цикла безопасности, использование проверенных в использовании компонентов, обзоры проектирования и тестирование. Стандарт описывает требования для предотвращения систематических сбоев (например, защитное программирование, динамический анализ) и управления ими посредством верификации и проверки деятельности.

Взаимосвязь между МЭК 62061 и ISO 13849

И МЭК 62061, и ИСО 13849 касаются функциональной безопасности систем управления в машинах и механизмах, но они различаются по объему и методологии. В ИСО 13849 используются уровни производительности (PL a to e) с качественным подходом, в то время как в МЭК 62061 используется SIL с количественными целями. Признавая вызванную этим путаницу, МЭК и ИСО согласовали два стандарта таким образом, чтобы данный SIL соответствовал конкретному PL:

SIL 1 ≤ PL c
SIL 2 ≤ PL d
SIL 3 ≤ PL e

На практике производители могут использовать либо стандарт (или оба) для демонстрации соответствия. В издании IEC 62061 2021 года явно упоминаются категории ISO 13849 и концепции диагностического покрытия, что делает два стандарта более совместимыми. Для простых систем с хорошо понятными компонентами ISO 13849 часто обеспечивает более простой маршрут; для сложных программируемых систем IEC 62061 может быть более подходящим из-за его подробных расчетов частоты отказов.

Внедрение IEC 62061 в системы управления машинами

Для соблюдения требований требуется систематический процесс, который интегрирует безопасность в общий жизненный цикл конструкции. Следующие шаги адаптированы из методологии снижения риска, предписанной МЭК 62061.

Шаг 1: Идентификация рисков и оценка рисков

Начните с перечисления всех рабочих режимов машины (нормальная работа, настройка, техническое обслуживание, очистка, аварийная остановка). Для каждого режима идентифицируйте опасности — например, дробление во время зажима, электрический шок во время технического обслуживания или непреднамеренный запуск. Оцените первоначальный уровень риска с использованием параметров тяжести, воздействия и избегания. Эта оценка риска должна быть задокументирована в отчете об оценке риска.

Шаг 2: Определите требуемое снижение риска и целевую SIL

Для каждой опасной ситуации, количественно оценить необходимое снижение риска. МЭК 62061 обеспечивает упрощенный метод в Приложении А: назначить класс тяжести (S1, S2, S3), частоту/продолжительность воздействия (F1, F2), и возможность избегания (P1, P2). Комбинация дает требуемый SIL или PL. Например, тяжелая травма с частым воздействием и низкой вероятностью избегания обычно требует SIL 3.

На этом этапе также рассматривается вопрос о том, может ли функция безопасности быть реализована с помощью других средств (например, защитных устройств, блокировок), прежде чем полагаться исключительно на систему управления.

Шаг 3: Разработка системы управления, связанной с безопасностью

При определении целевых SIL выберите компоненты (датчики, логические решатели, исполнительные механизмы), которые отвечают требуемой надежности. Для SIL 2 или 3 рассмотрите избыточные архитектуры, такие как двухканальные с диагностикой. Убедитесь, что любые программируемые электронные устройства (например, ПЛК безопасности) сертифицированы в соответствии с IEC 61508 или IEC 62061.

Аппаратные конструкции должны удовлетворять архитектурным ограничениям для HFT и DC. Также планировать системную целостность: использовать структурированный дизайн программного обеспечения, применять стандарты кодирования и выполнять статический анализ. Стандарт рекомендует следовать V-модели для проверки и валидации программного обеспечения.

Шаг 4: Вычислите PFH_D и проверьте достижение SIL

Используя данные о частоте отказов компонентов (из базы данных FMEDA или надежности производителя), вычислите PFH_D для каждой функции безопасности. Рассмотрим диагностическое покрытие встроенных тестов (например, перекрестный мониторинг между избыточными каналами, периодические самотесты). Применяйте соответствующие факторы для отказа общей причины (бета-фактор) на основе разнообразия конструкции и разделения. Вычисленный PFH_D должен быть меньше целевого порога SIL.

Такие инструменты, как анализ дерева неисправностей или диаграммы блоков надежности, могут помочь. Многие производители компонентов безопасности предоставляют сертифицированные значения PFH_D для своих устройств, упрощая расчет.

Шаг 5: Проверка и валидация (V&V)

Проверка гарантирует, что система построена правильно в соответствии со спецификациями проектирования. Это включает в себя проверку схем, исходного кода и результатов испытаний. Проверка проверяет, соответствует ли система требованиям безопасности в реальной среде машины. Обе работы должны быть задокументированы.

МЭК 62061 требует проведения конкретных испытаний: функциональных испытаний для каждой функции безопасности, испытаний на впрыск неисправностей для проверки диагностического покрытия и интеграционных испытаний. Для проверки работоспособности запустите машину во всех рабочих режимах и подтвердите, что функции безопасности реагируют так, как ожидалось (например, аварийная остановка останавливает опасное движение в течение требуемого времени остановки).

Шаг 6: Документация и техническое обслуживание

Всеобъемлющая документация обязательна. Это включает в себя отчет об оценке рисков, обоснование конструкции, расчеты PFH, протоколы испытаний и случай безопасности. Стандарт также требует, чтобы пользователи имели доступ к информации для безопасной эксплуатации, обслуживания и модификации, такой как периодические интервалы проверки, диагностические процедуры реагирования на неисправности и инструкции по замене компонентов безопасности.

После ввода в эксплуатацию система должна поддерживаться в соответствии с определенным жизненным циклом безопасности. Любые изменения (например, изменение датчика или обновление программного обеспечения) требуют повторной оценки затронутых функций безопасности.

Аппаратные и программные требования

Программное обеспечение Lifecycle

Разработка программного обеспечения в соответствии с IEC 62061 следует V-модели, типичной для функциональной безопасности.

Спецификация требований безопасности программного обеспечения: Документировать все функции безопасности и их требования SIL.
Дизайн архитектуры программного обеспечения: Определите модульную структуру, сроки выполнения задач и интерфейсы связи. Избегайте совместно используемой памяти между задачами безопасности и небезопасности без соответствующего разделения.
Разработка и реализация программных модулей: Использование безопасных языков программирования (например, сильно типизированных языков) и стандартов кодирования (MISRA C для встроенных систем).
Тестирование программного обеспечения: Единичные тесты, интеграционные тесты и тесты валидации. Критерии охвата (заявление, отделение, MC/DC) зависят от уровня SIL. Для SIL 3 рекомендуется Модифицированное состояние/Область принятия решений.
Проверка безопасности программного обеспечения: Подтвердить, что программное обеспечение соответствует требованиям безопасности при интеграции с оборудованием на уровне машины.

Стандарт также требует квалификации инструмента: любой программный инструмент, используемый в разработке (компиляторы, генераторы кода, инструменты проверки), должен оцениваться на предмет его уровня доверия.

Методы проверки и проверки

В стандартных приложениях к МЭК 62061 приводится перечень соответствующих методов V&V. Общие методы включают:

Функциональное тестирование: Выполняйте каждую функцию безопасности при нормальных и ненормальных условиях для подтверждения поведения.
Впрыск по умолчанию: Имитировать сбои в датчиках, логике и исполнительных механизмах для проверки диагностического обнаружения и реакции (например, система переходит в безопасное состояние).
Статический анализ: Проверка исходного кода вручную или с помощью статических инструментов анализа для обнаружения потенциальных ошибок во время выполнения (разделяется на ноль, переполнение буфера).
Динамический анализ: Мониторинг времени и использования ресурсов во время работы для обеспечения отсутствия скрытых неисправностей (например, переполнение стека, нарушения сроков).
Формальные методы: Для SIL 3 рассмотрим проверку модели или теорему, доказывающую математическую проверку критических алгоритмов.

Все результаты V&V должны быть прослежены до требований. План валидации и отчет о валидации требуются результаты.

Преимущества и влияние на бизнес соответствия требованиям IEC 62061

Присоединение к МЭК 62061 дает ощутимые преимущества как для производителей машин, так и для конечных пользователей.

Повышение безопасности и снижение риска

Комплексный риск-ориентированный подход снижает вероятность несчастных случаев, защищая персонал от травм и смертельных случаев. Это также снижает риск судебных разбирательств и нормативных наказаний.

Соблюдение нормативных требований и доступ к рынку

В Европейском союзе соблюдение гармонизированных стандартов, таких как IEC 62061, обеспечивает презумпцию соответствия основным требованиям по охране здоровья и безопасности машинного оборудования. Многие другие страны (например, Китай, Япония, Австралия) также признают стандарты IEC, облегчая глобальный экспорт.

Оперативная эффективность

Хорошо спроектированные системы безопасности снижают непреднамеренные остановки машин из-за сбоя в работе. Более высокий диагностический охват позволяет прогнозировать техническое обслуживание, поскольку неисправности обнаруживаются до того, как они вызывают сбои. Это повышает общую эффективность оборудования (ОЭО).

Экономия затрат на протяжении жизненного цикла

Инвестирование в разработку систем безопасности на ранних этапах снижает стоимость модернизации и редизайна. Документация и проверка также помогают в устранении неполадок и внесении изменений позднее. Страховые взносы могут быть ниже для совместимых машин.

Уверенность заинтересованных сторон

Демонстрация функциональной безопасности в МЭК 62061 укрепляет доверие клиентов, операторов машин и регулирующих органов. Это сигнализирует о приверженности безопасности и качеству.

Общие вызовы и лучшие практики

Задача 1: Отсутствие опыта

Для разработки функциональной безопасности требуются специальные знания. Многие организации не обладают собственными знаниями. Наилучшая практика заключается в назначении инженера по безопасности с обучением и опытом, а также в рассмотрении вопроса о партнерстве с внешними консультантами или использовании предварительно сертифицированных модулей безопасности.

Задача 2: Интеграция с системами Legacy

Обновление соответствия МЭК 62061 старым машинам и механизмам может быть затруднено из-за устаревших систем управления и отсутствия документации. Проведите анализ пробелов и обновите только детали, связанные с безопасностью, гарантируя, что новый SRCS не введет новые опасности. Используйте обоснование «доказанного использования» для устаревших компонентов, где это применимо.

Задача 3: Чрезмерная сложность

Проектирование для высокой SIL может привести к чрезмерно сложной архитектуре, которая увеличивает стоимость и снижает надежность. Применяйте риск-ориентированный подход: не уточняйте SIL. Используйте анализ графа риска для обоснования цели каждой функции безопасности SIL. Упростите с помощью модульного дизайна и тщательного выбора компонентов.

Задача 4: Проверка программного обеспечения

Проверка программного обеспечения, особенно для программируемых контроллеров безопасности, занимает много времени. Используйте сертифицированные ПЛК безопасности, которые имеют предварительно утвержденные программные модули. Реализуйте стратегию систематического тестирования с четкими показателями покрытия. Автоматизируйте регрессионные тесты, где это возможно.

Краткое изложение лучших практик

Начните оценку риска на ранней стадии проектирования.
Документируйте все предположения, расчеты и решения.
По возможности используйте сертифицированные компоненты.
Регулярно проводить внутренние аудиты процессов безопасности.
Поддерживайте четкую связь между командами по проектированию, производству и обслуживанию.
Оставайтесь в курсе последних выпусков IEC 62061 (в настоящее время 2021).

Заключение

IEC 62061 обеспечивает надежную, международно признанную основу для проектирования и оценки функциональной безопасности систем управления машинами. Систематично оценивая риски, назначая соответствующие уровни целостности безопасности и придерживаясь строгих требований к оборудованию и программному обеспечению, производители могут достичь высоких уровней безопасности машин. Согласование стандарта с ISO 13849 и Регламентом по машинному оборудованию гарантирует, что соответствие не только защищает людей, но и облегчает доступ к рынку и операционную эффективность. Для любой организации, участвующей в проектировании, производстве или развертывании машин, инвестиции в понимание и внедрение IEC 62061 являются стратегическим решением, которое дает долгосрочную безопасность и бизнес-отдачу.

Для дальнейшего чтения обратитесь к официальному документу IEC 62061, доступному через веб-магазин IEC , , ISO 13849-1:2023 и отраслевые рекомендации от таких организаций, как ZVEI (Немецкая ассоциация производителей электроники и электроники) .