Funktionale Sicherheit in HMI-Systemen
Funktionale Sicherheit ist eine entscheidende Anforderung an moderne Maschinen und Fahrzeuge. Die zunehmende Systemkomplexität – bedingt durch Elektronik, Vernetzung und Automatisierung – führt zu neuen Ausfallmodi, die kontrolliert werden müssen, um Risiken zu reduzieren.
Funktionale Sicherheit gewährleistet, dass Systeme korrekt auf Fehler reagieren und in einen sicheren Zustand übergehen, wodurch die Folgen gefährlicher Ereignisse minimiert werden.
Für OEMs ist dies unerlässlich. Die Einhaltung internationaler Standards wie ISO 13849, ISO 26262, der EU-Maschinenverordnung (EU) 2023/1230 oder IEC 61508 ist wesentlich, um die Konformität der Maschinen sicherzustellen, die Haftung zu begrenzen und die Bediener zu schützen.
In diesem Kontext agiert APEM als technischer Partner und liefert Zuverlässigkeitsdaten, Fehleranalysen und validierte HMI-Bausteine, die zum Gesamtsicherheitskonzept des Systems beitragen.
WAS FUNKTIONALE SICHERHEIT WIRKLICH BEDEUTET
Funktionale Sicherheit wird oft fälschlicherweise als Produktmerkmal verstanden. Tatsächlich handelt es sich um einen Ansatz auf Systemebene.
Ziel ist:
Inakzeptable Risiken durch Systemausfälle zu reduzieren
Ein vorhersehbares Systemverhalten im Fehlerfall sicherzustellen
Zu gewährleisten, dass Sicherheitsfunktionen ein definiertes Zuverlässigkeitsniveau erreichen
💡Schlüsselerkenntnisse:
Funktionale Sicherheit bezieht sich auf die gesamte Maschine und ihr Steuerungssystem, nicht auf einzelne Komponenten.
Eine Komponente (z. B. ein Schalter oder Joystick) kann zwar zu einer Sicherheitsfunktion beitragen, definiert aber nicht allein das Sicherheitsniveau.
EIN STANDARDORIENTIERTER ANSATZ
Funktionale Sicherheit wird durch international anerkannte Standards strukturiert. Die Wahl hängt von der Anwendung und der Branche ab.
ISO 13849 – MASCHINEN („PERFORMANCE LEVEL, PL“, ZU DEUTSCH „LEISTUNGSNIVEAU“)
Weit verbreitet in Industrieanlagen und Geländefahrzeugen
Definiert Leistungsniveaus von
PL a bis PL e
Basierend auf:
MTTFd („Mean Time To Failure, dangerous“, zu Deutsch „Mittlere Zeit bis zum gefährlichen Ausfall“)
Diagnoseabdeckung („Diagnostic Coverage, DC“)
Systemarchitektur (Kategorien)
IEC 61508 / EN 62061 – Safety Integrity Level (SIL, zu Deutsch „Sicherheitsintegritätsstufe“)
Allgemeiner branchenübergreifender Rahmen
Definiert
SIL 1 bis SIL 3 (bzw. 4 in IEC 61508)
Basierend auf der Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls
ISO 26262 – Automobilindustrie (ASIL)
Speziell für Straßenfahrzeuge und Fahrzeuge der neuen Mobilität
Definiert
ASIL A bis ASIL D
Basierend auf:
Schweregrad
Exposition
Kontrollierbarkeit
ISO 19014 – GELÄNDEMASCHINEN
Von zunehmender Bedeutung für mobile Geräte
Inspiriert von den ISO 26262-Prinzipien
👉 Eine wichtige Regel: Ein Projekt muss sich konsequent an einen Standard halten – Standards können nicht willkürlich miteinander vermischt werden.
VOM RISIKO ZUR SICHERHEITSSTUFE: WIE OEMS ANFORDERUNGEN FESTLEGEN
Funktionale Sicherheit beginnt beim OEM. Der Prozess umfasst typischerweise folgende Schritte:
Identifizierung unerwünschter Ereignisse
Beispiel: unbeabsichtigte Bewegung, blockierte Steuerung, Funktionsverlust
Risikobewertung
Basierend auf:
Schweregrad einer potenziellen Verletzung
Aussetzung gegenüber der Gefahr
Kontrollierbarkeit der Situation
Definition der Sicherheitsziele
Zielsetzung eines akzeptablen Restrisikos
Zuordnung zu Teilsystemen
Aufschlüsselung der Sicherheitsanforderungen für alle Systemelemente, einschließlich HMIs
👉 Dieser Prozess ermittelt, ob eine Funktion beispielsweise PL e, SIL 2 oder ASIL D erfordert.
DIE ROLLE VON APEM IN IHREM SICHERHEITSKONZEPT
Funktionale Sicherheit ist ein kollaborativer Prozess zwischen dem OEM und dem Zulieferer. APEM unterstützt Ihre Sicherheitsbewertung durch die Bereitstellung der erforderlichen technischen Daten.
Was APEM bereitstellen kann:
Ausfallmodus-Analyse
Vorläufige Gefahrenanalyse
Zuverlässigkeitsberechnungen
Sicherheitsdaten auf Produktebene (z. B. B10d, MTTFd)
Diese Elemente sind wesentlich für:
Fehlerbaum-Analyse
Systemzuverlässigkeitsberechnungen
Sicherheitsvalidierungsprozesse
Was APEM von OEMs benötigt
Um eine optimale Unterstützung zu gewährleisten, müssen OEMs Folgendes bereitstellen:
Anwendungsbeschreibung
identifizierte unerwünschte Ereignisse
angestrebtes Sicherheitsniveau (PL/SIL/ASIL)
technische Spezifikationen mit Sicherheitsanforderungen
WICHTIGE ZUVERLÄSSIGKEITSKENNZAHLEN FÜR DIE FUNKTIONALE SICHERHEIT
Funktionale Sicherheit basiert auf der quantitativen Bewertung von Ausfallwahrscheinlichkeiten. Diese Kennzahlen ermöglichen es OEMs, das Restrisiko zu quantifizieren und Sicherheitsziele zu validieren.
MTTFd („Mean Time To Failure, dangerous“, zu Deutsch „Mittlere Zeit bis zum gefährlichen Ausfall“)
Mittlere Zeit bis zum Auftreten eines gefährlichen Ausfalls
Kernparameter nach ISO 13849
B10d-Wert
Anzahl der Zyklen, bis 10 % der Bauteile einen gefährlichen Ausfall erleiden
Besonders relevant für elektromechanische Geräte
➡️ Gemäß ISO 13849-1 kann der B10d-Wert zur Berechnung des MTTFD-Wertes verwendet werden.
Diagnoseabdeckung („Diagnostic Coverage, DC“)
Fähigkeit des Systems, gefährliche Ausfälle zu erkennen
SICHERHEITSARCHITEKTUR: MEHR ALS NUR EINZELNE KOMPONENTEN
Achieving a safety level requires system-level design strategies, such as:
Redundanz
- Zwei Kanäle oder redundante Signale
- Beispiel: Doppelkontakt-Schalter (Öffner/Schließer)
Selbstdiagnose
- Kontinuierliche Überwachung interner Zustände
- Erkennen von Inkonsistenzen oder Ausfällen
Fehlererkennung und -behebung
- Fehlersignalisierung (z. B. über den CAN-Bus)
- Übergang in einen sicheren Zustand (Stopp, Leistungsabfall, Alarm)
APEMS ENGAGEMENT FÜR FUNKTIONALE SICHERHEIT
APEM stärkt kontinuierlich seine Kompetenzen zur Unterstützung von OEM-Sicherheitsstrategien:
Veröffentlichung von Zuverlässigkeitsdaten (B10d, MTTFd)
verbesserte Fehlermodus-Charakterisierung
Cybersicherheitsresilienz
Integration von Diagnose- und Redundanzfunktionen
Anpassung an sich entwickelnde Standards (ISO 26262, IEC 62443)
Strukturierte Entwicklungs- und Validierungsprozesse
Dies gewährleistet die zuverlässige Integration von APEM-Lösungen in sicherheitskritische Anwendungen branchenübergreifend, beispielsweise in Geländefahrzeugen, Material Handling und Neuer Mobilität.
RESSOURCEN DER FUNKTIONALEN SICHERHEIT
In rauen industriellen Umgebungen mit Vibrationen, Staub und langen Kabelwegen sind herkömmliche elektrische Signale störanfällig. NAMUR-Sensoren lösen dieses Problem, indem sie ein kontinuierlich überwachtes Signal übertragen, das sowohl den Befehl als auch die Integrität der Verdrahtung überprüft.
In sicherheitskritischen Anwendungen reicht ein einfaches EIN/AUS-Signal nicht aus. Dieses Video erklärt, wie die NAMUR-Technologie einen einfachen Schalter in eine Diagnoseschnittstelle verwandelt und so eine kontinuierliche Überwachung sowohl des Befehls als auch der elektrischen Integrität des Stromkreises ermöglicht.
Integrieren Sie funktionale Sicherheit in Ihr HMI-Design
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