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Kleiner Einstieg in die Thematik der funktionalen Sicherheit
Andreas Schunkert • 7. Oktober 2024
Funktionale Sicherheit ist ein entscheidender Aspekt in der Entwicklung sicherheitskritischer Systeme, insbesondere in Branchen wie Automobil, Luftfahrt und Maschinenbau. Sie bezieht sich auf die Fähigkeit eines Systems, sicher zu funktionieren, selbst in der Präsenz von Störungen oder Fehlfunktionen. Ein zentrales Konzept in diesem Kontext ist der Performance Level (PL), der sowohl die erforderlichen Sicherheitsanforderungen als auch die tatsächliche Sicherheitsleistung eines Systems beschreibt.
Performance Level Required (PLr)
Ermittlung des PLr
Der Performance Level Required (PLr) wird durch eine umfassende Risikoanalyse ermittelt. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte:
- Identifikation von Gefahren: Zunächst müssen alle potenziellen Gefahren identifiziert werden, die mit dem System verbunden sind. Dies beinhaltet sowohl mechanische als auch elektrische Gefahren. Eine gute Hilfestellung, welche Gefahren alle betrachtet werden sollen, bietet der Anhang I der Maschinenrichtlinie mit den darin enthaltenen Allgemeinen Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen.
- Risikoabschätzung: Jede identifizierte Gefahr wird hinsichtlich der Schwere einer möglichen Verletzung beim Eintritt, der Häufigkeit und der Möglichkeit der Vermeidung bewertet. Hierbei kommen Methoden wie die Fehlerbaumanalyse (FTA) oder die Gefährdungsanalyse (HAZOP) zum Einsatz.
- Klassifizierung: Basierend auf der Risikoabschätzung wird der PLr in eine der Kategorien (PLa bis PLe) eingestuft, wobei PLa die niedrigste und PLe die höchste Sicherheitsanforderung darstellt. Die Einstufung erfolgt nach den Kriterien der Normen wie ISO 13849 oder IEC 61508, wobei letztere statt eines Performance Levels (PL) einen Safety Integrity Level (SIL) beschreibt.
- Anforderungen an die Sicherheitsfunktionen: Der PLr legt fest, welchen Performance Level die implemetierten Sicherheitsfunktionen aufweisen müssen, um die identifizierten Risiken ausreichend zu minimieren.
Tatsächlicher Performance Level (PL)
Berechnung des PL
Nachdem der PLr definiert wurde, muss der tatsächliche Performance Level (PL) des Systems ermittelt werden. Dies geschieht durch die Bewertung der implementierten Sicherheitsfunktionen und ihrer Wirksamkeit:
- Analyse der Sicherheitsfunktionen: Zunächst müssen die Sicherheitsfunktionen, die zur Erfüllung des PLr implementiert wurden, detailliert analysiert werden. Dazu gehört die Betrachtung der Funktionsweise, der Redundanz (des Aufbaus der Sicherheitsfunktion) und der Zuverlässigkeit der Systeme.
- Bestimmung der Sicherheitsmerkmale: Jedes System hat spezifische Sicherheitsmerkmale, wie Fehlertoleranz, Diagnosefähigkeit und die Möglichkeit zur Fehlererkennung. Diese Merkmale werden quantifiziert, um die Leistungsfähigkeit der Sicherheitsfunktionen zu bewerten.
- Berechnung der Sicherheitswerte: Anhand von statistischen Daten und Erfahrungswerten wird die Wahrscheinlichkeit von Fehlfunktionen ermittelt. Diese Werte fließen in die Berechnung des PL ein. Die Berechnung erfolgt typischerweise durch die Formel:
PL = f(MTTFd, SFF, DC)
Hierbei stehen MTTFd (Mean time to failure dangerous), SFF (Safe Failure Fraction) und DC (Diagnostic Coverage) für die relevanten Parameter zur Berechnung der Sicherheitsleistung.
- Überprüfung und Validierung: Der berechnete PL muss mit dem PLr abgeglichen werden. Wenn der PL den Anforderungen des PLr entspricht oder diese übersteigt, gilt das System als sicher. Andernfalls sind weitere Maßnahmen erforderlich.
Fazit
Die funktionale Sicherheit ist ein komplexes, aber essentielles Konzept, das eine systematische Herangehensweise zur Identifizierung, Bewertung und Minimierung von Risiken erfordert. Die korrekte Ermittlung des Performance Level Required (PLr) und die anschließende Berechnung des tatsächlichen Performance Levels (PL) sind entscheidend, um die Sicherheit von Systemen zu gewährleisten. Unternehmen müssen sicherstellen, dass sie die richtigen Methoden und Normen anwenden, um die Sicherheit ihrer Produkte und Systeme zu garantieren.
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Einleitung Kollaborative Roboter, oder Cobots, haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten rasant entwickelt. Sie bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine, insbesondere in der Fertigung und Automatisierung. Dieser Artikel beleuchtet die Geschichte und Entwicklung des Cobotmarktes, angefangen von den Anfängen mit wenigen Herstellern bis hin zu den heutigen, vielfältigen Marktangeboten und den Herausforderungen in Bezug auf Normen. Die Anfänge der Cobots Die ersten Kollaborationsroboter wurden in den frühen 1990er Jahren entwickelt. Pioniere wie Kiva Systems und Universal Robots (UR) legten damals den Grundstein für eine neue Ära der Robotik. Die Technologien waren jedoch noch in einem sehr frühen Stadium, und die Anwendungen waren begrenzt. 1996: Der erste Cobot, das „Robot Arm“ von Professor Harry Mak, wurde entwickelt. Diese Roboter waren darauf ausgelegt, sicher in der Nähe von Menschen zu operieren und einfache Aufgaben zu übernehmen. 2000er Jahre: Universal Robots (gegründet 2005) stellte 2008 den UR5 vor, der durch seine Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit besticht und vielen Unternehmen den Einstieg in die Automatisierung mit Cobots erleichtert hat. Herausforderungen und Normenlage Ein wesentliches Hindernis in den frühen Jahren der Cobot-Entwicklung waren die uneinheitlichen Normen und Sicherheitsvorschriften. Der Mangel an klaren Richtlinien führte zu Unsicherheiten bei der Implementierung und Nutzung von Cobots. Sicherheitsbedenken: Unternehmen waren besorgt, dass Cobots, die in direkter Zusammenarbeit mit Menschen operieren, zu Verletzungen führen könnten. Dies führte zu einer Skepsis gegenüber der Technologie. UN-ISO-Normen: Die internationale Normenorganisation begann, sich mit dem Thema auseinanderzusetzen. Die Notwendigkeit für einheitliche Normen wurde zunehmend erkannt, um eine sichere und effiziente Entwicklung der Cobots zu gewährleisten. Fortschritte in der Normierung Ein entscheidender Schritt in der Entwicklung des Cobotmarktes war die Einführung spezifischer Normen. Ein Meilenstein war die Veröffentlichung der ISO/TS 15066 im Jahr 2016, die erstmals umfassende Sicherheitsrichtlinien für Cobots bereitstellte. Diese Norm definiert, unter welchen Bedingungen und wie Cobots sicher in Zusammenarbeit mit Menschen eingesetzt werden können. Im Jahr 2025 wurde die ISO/TS 15066 nun in die aktualisierte ISO 10218-2:2025 integriert, was den Cobots eine noch breitere Akzeptanz und Standardisierung im Markt verschafft. Der heutige Cobotmarkt Heute ist der Markt für Cobots stark gewachsen, sowohl in der Anzahl der Hersteller als auch in der Vielfalt der angebotenen Produkte. Cobots sind jetzt in vielen Branchen anzutreffen, von der Automobilproduktion bis hin zur Elektronikfertigung, und bieten Unternehmen flexible Lösungen zur Automatisierung. 10 verbreiteste Cobot-Hersteller Hier ist eine Liste der 10 bekanntesten Cobot-Hersteller weltweit: Universal Robots – Pionier im Cobot-Bereich mit verschiedenen Modellen wie UR3, UR5 und UR10. KUKA – Bekannt für ihre industriellen Roboter und Kollaborationslösungen. Rethink Robotics – Hersteller des berühmten Cobot „Baxter“ FANUC – Bietet eine breite Palette von Robotern einschließlich Cobots. Yaskawa – Hersteller von Industrierobotern, einschließlich Cobot-Lösungen. ABB – Bietet verschiedene Cobot-Modelle, die für Zusammenarbeit mit Menschen ausgelegt sind. Techman Robot – Kombiniert Roboterarm mit einer integrierten Kamera zur intelligenten Automatisierung. Doosan Robotics – Südkoreanischer Hersteller von Cobots, bekannt für Benutzerfreundlichkeit und Sicherheit. Denso Robotics – Bietet Cobots mit Fokus auf Effizienz. Nachi-Fujikoshi – Umfasst robuste und sichere Cobot-Optionen.
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