Die sichere Anlage - Festo€¦ · E-Mail: [email protected] Der Käufer erhält ein einfaches, ... Dieses Arbeitsbuch „Die sichere Anlage“ beschäftigt sich mit der Sicherheit

Festo Didactic

574143 de

Die sichere Anlage

MPS®

Ausbildungsunterlage

Mit CD-ROM

Bestell-Nr.: 574143

Stand: 02/2011

Autoren: Jürgen Hasel, Andrea Meles

Grafik: Frank Ebel

Layout: 05/2011

© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2013

Internet: www.festo-didactic.com

E-Mail: [email protected]

Der Käufer erhält ein einfaches, nicht-ausschließliches, zeitlich unbeschränktes und geografisch nur auf die

Nutzung innerhalb des Standortes/Sitz des Käufers beschränktes Nutzungsrecht wie folgt.

Der Käufer ist berechtigt, die Inhalte des Werkes zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter,

des Standortes zu nutzen und hierzu auch Teile der Inhalte zur Erstellung eigener Fortbildungsunterlagen

zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Standortes unter Angabe der Quelle zu

verwenden und für die Fortbildung am Standort zu kopieren. Bei Schulen/Hochschulen und

Ausbildungsstätten umfasst das Nutzungsrecht auch die Nutzung für deren Schüler, Lehrgangsteilnehmer

und Studenten des Standortes für den Unterricht.

Ausgeschlossen ist in jedem Fall das Recht zur Veröffentlichung sowie zur Einstellung und Nutzung in

Intranet- und Internet- sowie LMS-Plattformen und Datenbanken wie z. B. Moodle, die den Zugriff einer

Vielzahl von Nutzern auch außerhalb des Standortes des Käufers ermöglichen.

Weitere Rechte zu Weitergabe, Vervielfältigungen, Kopien, Bearbeitungen, Übersetzungen,

Mikroverfilmungen sowie die Übertragung, Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen,

unabhängig ob ganz oder in Teilen, bedürfen der vorherigen Zustimmung der Festo Didactic GmbH & Co. KG.

Hinweis

Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine geschlechtsspezifische Benachteiligung sein,

sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem besseren Verständnis der Formulierungen.

Sicherheitshinweis

Diese Ausbildungsunterlage dient dem Lernenden, sich das Gebiet der Sicherheit zu erschließen.

Die Ausbildungsunterlage bietet Hinweise und zeigt ein mögliches Vorgehen vereinfacht auf.

Bei der Umsetzung einer konkreten Maschine ist es jedoch zwingend erforderlich, alle für die

Maschine geltenden Richtlinien und Normen zu beachten und einzuhalten. Dazu muss mehr mit

diesen Richtlinien und Normen gearbeitet werden, als es in dieser Ausbildungsunterlage der Fall ist.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143 III

Inhalt

Bestimmungsgemäße Verwendung __________________________________________________________ V

Didaktische Hinweise _____________________________________________________________________ VI

Einführung _____________________________________________________________________________ VIII

Projektaufgaben und Lösungen

Projektaufgabe 1: FMEA Station Handhaben ____________________________________________________ 3

Projektaufgabe 2: Risikobeurteilung Station Handhaben ________________________________________ 15

Projektaufgabe 3: Sicherheitseinrichtungen Station Handhaben __________________________________ 33

Projektaufgabe 4: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Not-Halt-Schlagtaster) ________________ 39

Projektaufgabe 5: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Tür) _______________________________ 45

Projektaufgabe 6: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Tür mit Zuhaltung) ___________________ 49

Projektaufgabe 7: Sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais (Lichtvorhang) _______________________ 53

Projektaufgabe 8: Zweikanaligkeit betrachten und dokumentieren ________________________________ 57

Projektaufgabe 9: Sichere Eingänge und Ausgänge für eine SPS __________________________________ 61

Projektaufgaben und Arbeitsblätter










Inhalt

IV © Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143

Anhang

1 FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) _____________________________________________ I-3

2 Inhärente sichere Konstruktion (mechanische Konstruktion) ______________________________ I-6

3 Die Risikobeurteilung ______________________________________________________________ I-7

4 Grenzen der Maschine _____________________________________________________________ I-9

5 Die Betriebsarten ________________________________________________________________ I-10

6 Bestimmungsgemäßer Gebrauch, vorhersehbarer Missbrauch ____________________________ I-13

7 Gefährdungen ___________________________________________________________________ I-14

8 Risikoeinschätzung – Der Risikograph _______________________________________________ I-15

9 Ermittlung von MTTFd _____________________________________________________________ I-16

10 Steuerungskategorie nach EN ISO 13849-1:2006 ______________________________________ I-20

11 Common Cause Failure ____________________________________________________________ I-22

12 Diagnostic Coverage ______________________________________________________________ I-24

13 Schutzeinrichtungen ______________________________________________________________ I-26

14 Sicherheitsrelais _________________________________________________________________ I-31

15 Zweikanaligkeit __________________________________________________________________ I-33

16 Sicherheits-SPS und sichere Ein- und Ausgänge _______________________________________ I-34

Normen ____________________________________________________________________________ I-36

Glossar ____________________________________________________________________________ I-38

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143 V

Bestimmungsgemäße Verwendung

Das Arbeitsbuch „Die sichere Anlage“ ist nur zu benutzen:

für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb

Die Komponenten der Station Handhaben sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten

sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib

und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen.

Das Arbeitsbuch „Die sichere Anlage“ von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung

im Bereich Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen

und/oder die Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die

Sicherheitsvorkehrungen, die in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten.

Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des

Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes

außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden

vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht.

VI © Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143

Didaktische Hinweise

Dieses Arbeitsbuch „Die sichere Anlage“ beschäftigt sich mit der Sicherheit von Anlagen bzw. Maschinen

und richtet sich nach der neuen Maschinenrichtlinie. Weiter orientieren sich die Aufgaben an die Station

Handhaben.

Da viele sich mit der „neuen Maschinenrichtlinie“ auf Neuland begeben, ist dieses Arbeitsbuch gerade ideal

in diese Materie einzusteigen und einen Einblick zu bekommen. Die Sicherheit von Anlagen ist ein wichtiges

Spektrum in der Ausbildung, damit die Schüler sicher an der Anlage bzw. der Maschine arbeiten können.

Die Arbeitsblätter dieses Arbeitsbuches sind hierarchisch aufgebaut. Zuerst bekommen die Schüler einen

Einblick, wie eine Anlage von einem Maschinenhersteller nach der neuen Maschinenrichtlinie entwickelt

wird. Anschließend sollen die Schüler eine fertige Anlage – die Station Handhaben – nach deren Sicherheit

beurteilen. Dabei lernen sie unter anderem, wie eine FMEA abläuft, wie sie das Verfahren anwenden und

auch welche Arten es bei einer FMEA gibt. Im Weiteren wird den Schülern es dann möglich sein, eine

Risikobeurteilung einer Anlage – hier die Station Handhaben – durchzuführen. Damit die Schüler eine

Risikobeurteilung durchführen können, erhalten sie die notwendigen Grundlagen über:

Den Performance Level PL

Den Mean Time to Failure MTTF

Die Steuerungskategorien

Den Common Cause Failure CCF

Den Diagnostic Coverage DC

Die Betriebsarten einer Anlage bzw. Maschine

Mit diesen Grundlagen können die Schüler dann eine Anlage nach ihrem Risiko beurteilen.

Danach ist es sinnvoll sich mit zusätzlichen Sicherheitseinrichtungen zu beschäftigen, da der erforderliche

Performance Level nicht bei jeder Anlage sofort erreicht wird. Eine sichere Verdrahtung über

Sicherheitsrelais der Sicherheitseinrichtungen ist für die Sicherheit einer Anlage bzw. Maschine ein sehr

wichtiger Faktor. Daher lernen die Schüler erst theoretisch eine sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais

einer Sicherheitseinrichtung durchzuführen und anschließend soll diese in der Praxis an der Station

Handhaben durchgeführt werden. Dabei wird die sichere Verdrahtung über Sicherheitsrelais eines Not-Halt-

Schlagtasters, einer Tür, einer Tür mit Zuhaltung und eines Lichtvorhanges betrachtet. Die

Sicherheitskomponenten in den Aufgaben sind von der Firma Sick und Pilz gewählt.

In einer weiteren Aufgabe geht es darum, die Zweikanaligkeit zu betrachten und zu dokumentieren. Dabei

lernen die Schüler unter anderem den Unterschied zwischen eines einkanaligen Systems und eines

zweikanaligen Systems in Bezug auf die Sicherheit kennen. Auch der Aufbau und der Anschluss eines

zweikanaligen Systems sind dabei sehr von Bedeutung.

Didaktische Hinweise

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143 VII

Die letzte Aufgabe bezieht sich auf die sicheren Ein- und Ausgänge einer SPS. Die Aufgaben 8 und 9 werden

in diesem Arbeitsbuch hauptsächlich theoretisch abgehandelt und nicht direkt auf die Station Handhaben

bezogen. Dies hat den Hintergrund, dass die Station Handhaben nicht zweikanalig aufgebaut ist und keine

fehlersichere SPS eingebaut ist. Jedoch beinhaltet die neue Maschinenrichtlinie diese zwei Themen und die

Schüler sollen die Zweikanaligkeit und die fehlersichere SPS kennenlernen.

Dieses Arbeitsbuch enthält auch einen Theorieteil im Anhang. Jede Aufgabe wird eingeführt durch die

zugehörigen Lernziele sowie einen Hinweis, welches Arbeitsblatt zum Kapitel gehört. Diese Lösungen haben

oft nur Vorschlagscharakter, denn oft gibt es mehrere Möglichkeiten, ein technisches Problem zu lösen.

Wenn die Lösung der Schüler die Aufgabe erfüllt, ist diese richtig! Die Arbeitsblätter ohne Lösung sind am

Ende des Arbeitsbuches und zum Ausdrucken auf der CD zu finden.

Die Arbeitsblätter enthalten Verständnisfragen, welche dazu dienen, Wissen abzufragen und einzuüben, und

Aufgaben, die mit der Station Handhaben gelöst werden müssen.

Die Informationen sind Basisinformationen zum Thema Sicherheitstechnik. Auf der mitgelieferten CD finden

Sie zusätzliche Informationen unter anderem über die Gefahrenanalyse der Station PicAlpha und

Datenblätter der Sicherheitsrelais. Die Datenblätter können auch im Internet von den Schülern gesucht

werden lassen.

Ob sie die Theorieteile des Arbeitsbuches komplett oder teilweise ausdrucken und den Schülern zur

Verfügung stellen, bleibt Ihnen überlassen. Sie können die Schüler auch mit der pdf-Datei des Buches

arbeiten lassen. Allerdings ist es nicht erlaubt, die Copyrightvermerke zu entfernen! Ob die Schüler sich die

Inhalte aus dem Buch selbst erarbeiten oder Sie als Lehrer diese vortragen, obliegt ebenfalls Ihrer

Entscheidung.

Die Arbeitsblätter enthalten auf der ersten Seite immer einen sehr kurz gefassten Abriss des notwendigen

Theoriewissens, auf der zweiten Seite die Aufgaben.

VIII © Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143

Einführung

Ziel der Sicherheitstechnik

Ziel der Sicherheitstechnik ist den Menschen, die Umwelt und die Maschine vor Gefährdungen zu schützen.

Dazu müssen Gefährdungen auf ein akzeptables Maß reduziert werden oder im besten Fall ganz beseitigt

werden. Die Bedienbarkeit von Produktionsanlagen soll jedoch wenn möglich dadurch kaum eingeschränkt

werden.

Mit der Anwendung der Sicherheitstechnik sollen Unfälle infolge von Fehlverhalten der Maschine oder des

Menschen ganz oder weit gehend vermieden werden. In Bezug auf den Arbeitsplatz soll die

Sicherheitstechnik einen vorbeugenden Gesundheitsschutz für die dort arbeitenden Menschen bieten. Auch

die Ausfallzeiten sollen durch den Einsatz von Sicherheitstechnik verringert werden. Weiter soll dank der

Sicherheitstechnik Kosten eingespart werden, die direkt oder indirekt durch das Fehlverhalten der Maschine

oder deren Bediener entstehen können. Dazu zählen unter anderem die Zerstörung von Maschinenteilen,

Werkzeugen aber auch die Entschädigungsleistungen, die für eine verunglückte Person geleistet werden

müssen.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143 1

Projektaufgaben und Lösungen










Projektaufgaben

2 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143


Projektaufgabe 1

FMEA Station Handhaben

Lernziele

Wenn Sie dieses Projekt bearbeitet haben,

kennen Sie den Ablauf einer FMEA.

können Sie das FMEA-Verfahren anwenden.

können Sie FMEA mechanisch, elektrisch, steuerungstechnisch, einzelne Bewegungen und einzelne

Positionen durchführen.

kennen Sie die verschiedenen Arten einer FMEA.

Problemstellung

Die Konstruktion der Station Handhaben ist fertig und stellt die Ausgangsposition dar. Ein paar Stationen

sind schon fertig gebaut und sollen bald dem Kunden geliefert werden. Die Sicherheit der Station

Handhaben wurde zwar schon bei der Konstruktion von den Konstrukteuren betrachtet. Da

Kundenreklamationen jedoch sehr kostspielig werden können, soll die Station nochmals von mindestens

einem „FMEA-Team“ auf ihre potenziellen Gefährdungen überprüft werden.

Dabei soll die Station Handhaben im Folgenden ohne eine Sicherheitseinrichtung betrachtet werden. Die

Station soll weiter als eine Einheit betrachtet werden, also die Maschine als Ganzes.

Lageplan

Projektaufgabe 1 – FMEA Station Handhaben


Projektaufträge

1. Bearbeiten Sie das Arbeitsblatt 1

2. Führen Sie das FMEA-Verfahren für die Station Handhaben durch.

3. Präsentieren Sie Ihre Ergebnisse im Klassenverbund.

4. Lösen Sie zur Ergebnissicherung die zweite Aufgabe.

Durchführung

Ein oder mehrere Teams von Auszubildenden erhalten die Aufgabe, das FMEA-Verfahren an der Station

Handhaben durchzuführen. Dazu steht Ihnen das Handbuch der Station Handhaben und im Anhang das

Kapitel 1 „FMEA“ zu Verfügung. Vorbereitung, Planung und Durchführung der Aufgabe liegt in der

Verantwortung des Teams.

Hilfsmittel

Handbuch Station Handhaben

Anhang Kapitel 1 FMEA

Gefahrenanalyse der Station PicAlfa (auf CD zu finden)

Liste der Gefährdungen (auf CD zu finden)

Anmerkungen Arbeitsblatt 2

Randbedingungen

Sie haben Zugriff auf die Station Handhaben.

Die technischen Beschreibungen stehen Ihnen zur Verfügung.



1. Das FMEA-Verfahren

a) Wann sollten bestehende Gefahren bzw. Risiken in einer technischen Dokumentation aufgenommen

werden?

Bevor ein Hinweis in der technischen Dokumentation über bestehende Risiken bzw. Gefahren

aufgenommen werden, sollte versucht werden die Gefahr ganz zu beseitigen. Dies kann eventuell

durch weitere Schutzmaßnahmen erlangt werden.

Das Vorgehen ist dabei wie folgt:

– Gefahr bzw. Risiko einsäumen.

– Gefahrenstelle in diesem Fall polstern.

– Gefahrenstelle farblich kennzeichnen und dadurch hervorheben.

Erst wenn alles versucht wurde die Gefahr zu beseitigen, ist diese in der technischen Dokumentation

aufzunehmen.

b) Wie kann eine Quetschgefahr verhindert werden?

Eine Quetschgefahr kann durch Änderung der Mechanik (abweisende Schrägen) vermieden werden.

c) Welche Geschwindigkeit des Antriebes und der Masse sind bei einer Berechnung für eine Quetschkraft

zu verwenden?

Bei der Berechnung sind die maximale mögliche Geschwindigkeit und die maximale Masse zu

verwenden.

d) Wann werden Stoßdämpfer eingesetzt?

Stoßdämpfer werden eingesetzt, um im Gefahrenfall (Fehler in der Steuerung) den Antrieb vor

Beschädigungen und Zerstörung zu schützen.

e) Darf ein Stoßdämpfer abgedeckt werden, um eine Gefahr durch ihn zu beseitigen? Begründen Sie.

Nein, da sonst eine neue Gefahrenstelle „Scheren“ entstehen würde. Also muss ein Warnhinweis

gegeben werden bzw. der Antrieb eingezäunt werden.



f) Muss ein Energieausfall und ein Wiederkehr von der Maschine erkannt werden?

Ja, ein Energieausfall und Wiederkehr aller verwendeten Energiearten muss erkannt und

steuerungstechnisch darauf reagiert werden, um die Maschine sicher zu machen. DIN EN 1088

„Unerwarteter Wiederanlauf“

g) Wie kann ein unerwarteter Anlauf eines Steuerungssystems verhindert werden?

Steuerelemente (Ventile, Relais, ...) sind so auszuwählen, dass sie bei Energieausfall und vor allem bei

Energiewiederkehr keine gefährliche Bewegung erzeugen.

2. Ausfüllen des FMEA Formblatts

a) Füllen Sie das Formblatt „FMEA“ im Team aus. Gehen Sie dabei wie folgt vor:

1. Füllen Sie den Kopf des Formblattes aus.

2. Beschreiben Sie funktionsrelevante Merkmale.

3. Geben Sie mögliche Fehler, Fehlerursachen und die Folgen an.

4. Im derzeitigen Stand geben Sie z.B. die vorgesehene Prüfmaßnahme an.

5. Bewerten Sie das Risiko und berechnen Sie die Risiko-Prioritätszahl.



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keine = 1 gering = 4-6 mäßig schwerer Fehler = 4-6 gering = 6-8

mäßig = 7-8 schwerer Fehler, Kunde verärgert = 7-8 sehr gering = 9

hoch = 9-10 äußerst schwerwiegend = 9-10 unwahrscheinlich = 10

Anmerkungen (ergänzende fachliche Hinweise)

1. Ein Hinweis in der Dokumentation ist erst der letzte Schritt in einer solchen Maßnahme. Vorher sollte

folgendes erfolgen: Ggf. einzäunen, Gefahrenstelle in diesem Fall polstern und farblich kennzeichnen

und dadurch hervorheben.

2. Durch Änderung der Mechanik (abweisende Schräge) kann eine Quetschgefahr ebenfalls verhindert

werden.

3. Manometer zwar von der eigentlichen Arbeitsseite her sichtbar und damit ablesbar. Durch eine

mechanische Absperrung (Gitter) Wartungsarbeiten nur von der ungefährlichen Seite her zulassen oder

Wartungseinheit nach vorne setzen. Wartungseinheit vorne ist beste Lösung, da preisgünstig.

4. Zunächst einmal besteht durch die Schlittenbewegung ebenfalls seine Stoßgefahr wie unter Punkt 1 der

FMEA.

Hier etwas zu berechnen kann dazu verleiten, Gefahren mit Stoßdämpfern zu unterschätzen. Bei der

Berechnung sind die maximale mögliche Geschwindigkeit des Antriebs und der Masse anzusetzen.


Beschädigung und Zerstörung zu schützen. Der Stoßdämpfer kann nicht abgedeckt werden, denn dann

entsteht eine neue Gefahrenstelle "Scheren". Also Warnhinweis bzw. Antrieb Einzäunen.

5. Die ist zwar auch eine Gefahr, die jedoch durch folgende Maßnahmen möglichst ausgeschaltet werden

sollte. Hierzu gibt es übrigens eine Norm DIN EN 1088 Unerwarteter Wiederanlauf. Energieausfall und

Wiederkehr aller verwendeten Energiearten muss erkannt und steuerungstechnisch darauf reagiert

werden, um die Maschine sicher zu machen. Steuerelemente (Ventile, Relais, ...) sind so auszuwählen,

dass sie bei Energieausfall und vor allem bei Energiewiederkehr keine gefährliche Bewegung erzeugen.



3. Überprüfen Sie Ihre „FMEA-Kenntnisse“

FMEA mechanisch, elektrisch, steuerungstechnisch

a) Welche Arten von FMEA gibt es und wodurch unterscheiden Sie sich?

System-FMEA: In einem übergeordneten Systemverbund wird das Zusammenspiel von Teilsystemen

untersucht. Ziel: Es sollen hauptsächlich an den Schnittstellen die potenziellen Schwachstellen

identifiziert werden, welche in einem komplexen System durch Zusammenspiel einzelner

Komponenten entstehen können.

Konstruktions-FMEA: Aufgabe der Konstruktions-FMEA ist es, einzelne Bauteile und Produkte auf

Ausfallmöglichkeiten und potenzielle Schwachstellen zu untersuchen. Dabei wird eine bereits

vorhandene Maschine oder Bereiche davon untersucht.

Prozess-FMEA: Die Prozess-FMEA baut auf die Ergebnisse und Untersuchungen der Konstruktions-

FMEA auf. Diese FMEA beschäftigt sich mit möglichen Schwachstellen im Leistungs- und

Fertigungsprozess. Dabei werden die Abläufe auf mögliche Fehlerpotenziale untersucht.

Die Arten der FMEA unterscheiden sich also in den Zielen und den Zeitpunkten der Durchführung.

b) Zerlegen Sie die die Station Handhaben in Teilsysteme.

Teilsysteme der Station Handhaben sind das Modul Aufnahme, das Modul PicAlfa und das

Modul Rutsche.

c) Welche Teilsysteme sind in der Station Handhaben für die mechanische Gefährdung zu betrachten?

Für die mechanische Gefährdung der Station Handhaben ist vor allem das Modul PicAlfa, also der

Greifer, die Linearachse und die –Achse, zu betrachten. Die Schnittstelle zwischen dem Greifer und

Modul Aufnahme und zwischen dem Greifer und dem Modul Rutsche (Quetschgefahr durch den

Greifer).

Die anderen Teilsysteme sind für das FMEA-Verfahren nicht relevant, da von ihnen keine Gefährdung

ausgeht.



d) Nennen Sie die beweglichen Teile des Moduls PicAlfa.

Die beweglichen Teile des Moduls PicAlfa sind

• die elektrische Linearachse,

• der Greifer und

• der pneumatische Hubzylinder (Z-Achse).

e) Ist die Z-Achse auch aufwärts gefährlich? Begründen Sie.

Ja, die Z-Achse ist aufwärts gefährlich, da die Flächen des Greifers nicht abweisend sind. Es besteht

die Gefahr sich die Finger einzuklemmen (Quetschgefahr). Die Konstruktion des Greifers an der Stelle

ändern durch abweisende Flächen.

f) Was kann bei plötzlichem Druckabfall der Station Handhaben am Greifer passieren?

Der Greifer kann bei plötzlichem Druckabfall das gegriffene Werkstück fallen lassen. Dadurch kann die

Maschine wie die bedienende Person gefährdet werden.

g) Welches Bauteil muss bei der Sicherheitsbetrachtung in Bezug auf den Greifer mit berücksichtigt

werden, wenn dieser seinen Zustand beibehalten soll? Warum?

Mit zu beachten ist das 5/3-Wegeventil, da dieses in der Mittelstellung gesperrt ist. Das 5/3-

Wegeventil ist aufgrund der erforderlichen Schutzmaßnahme und des Verhaltens bei Energieausfall

gewählt worden. Dies gilt auch für die anderen Achsen der Station Handhaben.

h) Was macht die Z-Achse bei Druckluftausfall und bei Stromausfall?

Die Z-Achse muss sowohl bei einem Druckluft- wie auch bei einem Stromausfall in einem sicheren

Zustand bleiben. Die Z-Achse darf nicht unkontrolliert nach unten fallen. Dazu muss der eingesperrte

Druck des 5/3-Wegeventil die Z-Achse halten.



i) Der Greifer soll seinen Zustand beim Stillsetzen der Station beibehalten. Was ist zu beachten?

Es sind zwei Punkte zu beachten.

Erstens, ist das Teil gegriffen ja oder nein.

Zweitens, was macht der Greifer bei Druckluftausfall.

j) Welchen Zylinder soll bei dem Greifer verwendet werden?

Einfachwirkender Zylinder

Doppelwirkender Zylinder

k) Begründen Sie ihre Entscheidung.

Ein einfachwirkender Zylinder öffnet bei Druck und schließt mit Federkraft.

Hinweis

Durch eine Feder kann das Teil noch gehalten werden. Solche Federn gehören zu den bewährten

Konstruktionsprinzipien in der Mechanik (siehe DIN EN ISO 13 849-2).

l) Muss der elektrischen Linearachse eine Schutzmaßnahme und eine Stopp Kategorie zugewiesen

werden?

ja

nein

m) Begründen Sie Ihre Entscheidung.

Da die Stopp-Funktion die elektrische Linearachse im Notfall ausschaltet oder stillsetzt.

Die Linearachse stellt eine Gefahr durch ihre Bewegung dar. Folglich ist ihr Verhalten im Notfall

(Betätigen des Not-Halt-Schalters) festzulegen. Die Schutzmaßnahme legt fest, wie sich ein

gefahrbringender Antrieb verhalten soll und die Stopp Kategorie legt fest, wann die Energie zu dem

Antrieb abgeschaltet wird.



n) Warum ist eine elektrische Gefährdung durch das Modul PicAlfa nicht zu erwarten?

Das Netzteil ist mindestens in Schutzart IP 2X ausgeführt. Alle frei verlegten Leitungen sind

basisisoliert. Die Stromversorgung ist eine Stromquelle mit sicherer Trennung vom Versorgungsnetz.

Das Modul ist mit einer Netzsteckvorrichtung zum Trennen der Netzversorgung versehen.


Projektaufgaben und Arbeitsblätter










Projektaufgaben


© Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143 Name: __________________________________ Datum: ____________ 3

Projektaufgabe 1 FMEA Station Handhaben

Lernziele Wenn Sie dieses Projekt bearbeitet haben,

• kennen Sie den Ablauf einer FMEA

• können Sie das FMEA-Verfahren anwenden

• können Sie FMEA mechanisch, elektrisch, steuerungstechnisch, einzelne Bewegungen und einzelne

Positionen durchführen.

• kennen Sie die verschiedenen Arten einer FMEA

Problemstellung Die Konstruktion der Station Handhaben ist fertig und stellt die Ausgangsposition dar. Ein paar Stationen

sind schon fertig gebaut und sollen bald dem Kunden geliefert werden. Die Sicherheit der Station

Handhaben wurde zwar schon bei der Konstruktion von den Konstrukteuren betrachtet. Da

Kundenreklamationen jedoch sehr kostspielig werden können, soll die Station nochmals von mindestens

einem „FMEA-Team“ auf ihre potenziellen Gefährdungen überprüft werden.

Dabei soll die Station Handhaben im Folgenden ohne eine Sicherheitseinrichtung betrachtet werden. Die

Station soll weiter als eine Einheit betrachtet werden, also die Maschine als Ganzes.

Lageplan


4 Name: __________________________________ Datum: ____________ © Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143

Projektaufträge 1. Bearbeiten Sie das Arbeitsblatt 1

2. Führen Sie das FMEA-Verfahren für die Station Handhaben durch (Aufgabe 1).

3. Präsentieren Sie Ihre Ergebnisse im Klassenverbund.

4. Lösen Sie zur Ergebnissicherung die zweite Aufgabe.

Durchführung Ein oder mehrere Teams von Auszubildenden erhalten die Aufgabe, das FMEA-Verfahren an der Station

Handhaben durchzuführen. Dazu steht Ihnen das Handbuch der Station Handhaben und das Kapitel 3

„FMEA“ zu Verfügung. Vorbereitung, Planung und Durchführung der Aufgabe liegt in der Verantwortung des

Teams.

Hilfsmittel • Handbuch Station Handhaben

• Anhang Kapitel 1 FMEA

• Gefahrenanalyse der Station PicAlfa (auf CD zu finden)

• Liste der Gefährdungen (auf CD zu finden)

• Anmerkungen Arbeitsblatt 2 (Blatt 3)

Randbedingungen • Sie haben Zugriff auf die Station Handhaben.

• Die technischen Beschreibungen stehen Ihnen zur Verfügung.



1. Das FMEA-Verfahren

a) Wann sollten bestehende Gefahren bzw. Risiken in einer technischen Dokumentation aufgenommen

werden?

b) Wie kann eine Quetschgefahr verhindert werden?

c) Welche Geschwindigkeit des Antriebes und der Masse sind bei einer Berechnung für eine Quetschkraft

zu verwenden?

d) Wann werden Stoßdämpfer eingesetzt?

e) Darf ein Stoßdämpfer abgedeckt werden, um eine Gefahr durch ihn zu beseitigen? Begründen Sie.



f) Muss ein Energieausfall und ein Wiederkehr von der Maschine erkannt werden?

g) Wie kann ein unerwarteter Anlauf eines Steuerungssystems verhindert werden?

2. Ausfüllen des FMEA Formblatts

a) Füllen Sie das Formblatt „FMEA“ im Team aus. Gehen Sie dabei wie folgt vor:

1. Füllen Sie den Kopf des Formblattes aus.

2. Beschreiben Sie funktionsrelevante Merkmale.

3. Geben Sie mögliche Fehler, Fehlerursachen und die Folgen an.

4. Im derzeitigen Stand geben Sie z.B. die vorgesehene Prüfmaßnahme an.

5. Bewerten Sie das Risiko und berechnen Sie die Risiko-Prioritätszahl.



Teil:

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RPZ =

Risiko-Prioritätszahl

Wahrscheinlichkeit des Auftretens

Bedeutung (Auswirkung auf den Kunden) Entdeckungswahrscheinlichkeit vor Auslieferung an den Kunden

hoch = 1000 unwahrscheinlich = 1 kaum wahrnehmbar = 1 hoch =1

mittel = 125 sehr gering =2-3 unbedeutend, geringe Belästigung = 2-3 mäßig = 2-5

keine = 1 gering = 4-6 mäßig schwerer Fehler = 4-6 gering = 6-8

mäßig = 7-8 schwerer Fehler, Kunde verärgert = 7-8 sehr gering = 9

hoch = 9-10 äußerst schwerwiegend = 9-10 unwahrscheinlich = 10

Anmerkungen (ergänzende fachliche Hinweise) 1. Ein Hinweis in der Dokumentation ist erst der letzte Schritt in einer solchen Maßnahme. Vorher sollte

folgendes erfolgen: Ggf. einzäunen, Gefahrenstelle in diesem Fall polstern und farblich kennzeichnen

und dadurch hervorheben.

2. Durch Änderung der Mechanik (abweisende Schräge) kann eine Quetschgefahr ebenfalls verhindert

werden.

3. Manometer zwar von der eigentlichen Arbeitsseite her sichtbar und damit ablesbar. Durch eine

mechanische Absperrung (Gitter) Wartungsarbeiten nur von der ungefährlichen Seite her zulassen oder

Wartungseinheit nach vorne setzen. Wartungseinheit vorne ist beste Lösung, da preisgünstig.

4. Zunächst einmal besteht durch die Schlittenbewegung ebenfalls seine Stoßgefahr wie unter Punkt 1 der

FMEA.

Hier etwas zu berechnen kann dazu verleiten, Gefahren mit Stoßdämpfern zu unterschätzen. Bei der

Berechnung sind die maximale mögliche Geschwindigkeit des Antriebs und der Masse anzusetzen.


Beschädigung und Zerstörung zu schützen. Der Stoßdämpfer kann nicht abgedeckt werden, denn dann

entsteht eine neue Gefahrenstelle "Scheren". Also Warnhinweis bzw. Antrieb Einzäunen.

5. Die ist zwar auch eine Gefahr, die jedoch durch folgende Maßnahmen möglichst ausgeschaltet werden

sollte. Hierzu gibt es übrigens eine Norm DIN EN 1088 Unerwarteter Wiederanlauf. Energieausfall und

Wiederkehr aller verwendeten Energiearten muss erkannt und steuerungstechnisch darauf reagiert

werden, um die Maschine sicher zu machen. Steuerelemente (Ventile, Relais, ...) sind so auszuwählen,

dass sie bei Energieausfall und vor allem bei Energiewiederkehr keine gefährliche Bewegung erzeugen.



3. Überprüfen Sie Ihre „FMEA-Kenntnisse“

FMEA mechanisch, elektrisch, steuerungstechnisch

a) Welche Arten von FMEA gibt es und wodurch unterscheiden Sie sich?

b) Zerlegen Sie die die Station Handhaben in Teilsysteme.

c) Welche Teilsysteme sind in der Station Handhaben für die mechanische Gefährdung zu betrachten?



d) Nennen Sie die beweglichen Teile des Moduls PicAlfa.

e) Ist die Z-Achse auch aufwärts gefährlich? Begründen Sie.

f) Was kann bei plötzlichem Druckabfall der Station Handhaben am Greifer passieren?

g) Welches Bauteil muss bei der Sicherheitsbetrachtung in Bezug auf den Greifer mit berücksichtigt

werden, wenn dieser seinen Zustand beibehalten soll? Warum?

h) Was macht die Z-Achse bei Druckluftausfall und bei Stromausfall?



i) Der Greifer soll seinen Zustand beim Stillsetzen der Station beibehalten. Was ist zu beachten?

j) Welchen Zylinder soll bei dem Greifer verwendet werden?

Einfachwirkender Zylinder

Doppelwirkender Zylinder

k) Begründen Sie ihre Entscheidung.

Hinweis

Durch eine Feder kann das Teil noch gehalten werden. Solche Federn gehören zu den bewährten

Konstruktionsprinzipien in der Mechanik (siehe DIN EN ISO 13 849-2).

l) Muss der elektrischen Linearachse eine Schutzmaßnahme und eine Stopp Kategorie zugewiesen

werden?

ja

nein

m) Begründen Sie Ihre Entscheidung.



n) Warum ist eine elektrische Gefährdung durch das Modul PicAlfa nicht zu erwarten?

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143 I-1

Anhang

1 FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) _____________________________________________ I-3

2 Inhärente sichere Konstruktion (mechanische Konstruktion) ______________________________ I-6

3 Die Risikobeurteilung ______________________________________________________________ I-7

4 Grenzen der Maschine _____________________________________________________________ I-9

5 Die Betriebsarten ________________________________________________________________ I-10

6 Bestimmungsgemäßer Gebrauch, vorhersehbarer Missbrauch ____________________________ I-13

7 Gefährdungen ___________________________________________________________________ I-14

8 Risikoeinschätzung – Der Risikograph _______________________________________________ I-15

9 Ermittlung von MTTFd _____________________________________________________________ I-16

10 Steuerungskategorie nach EN ISO 13849-1:2006 ______________________________________ I-20

11 Common Cause Failure ____________________________________________________________ I-22

12 Diagnostic Coverage ______________________________________________________________ I-24

13 Schutzeinrichtungen ______________________________________________________________ I-26

14 Sicherheitsrelais _________________________________________________________________ I-31

15 Zweikanaligkeit __________________________________________________________________ I-33

16 Sicherheits-SPS und sichere Ein- und Ausgänge _______________________________________ I-34

Normen ____________________________________________________________________________ I-36

Glossar ____________________________________________________________________________ I-38

Anhang

I-2 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 574143


1 FMEA (Failure Modes and Effects Analysis)

Ins Deutsche übersetzt bedeutet FMEA Fehler-Möglichkeits- und Einflussanalyse bzw. Ausfalleffektanalyse.

Anwendung findet die FMEA Methode in der Gestaltung und Entwicklung von Prozessen und Produkten.

Durch diese analytischen Methoden, die in der Zuverlässigkeitstechnik angewandt wird, lassen sich

potenzielle Schwachstellen finden. 85% der Fehler sind auf Unzuverlässigkeit in der Beschaffenheit,

Entwicklung und Arbeitsvorbereitung zurückzuführen.

Diese Methode wird daher am häufigsten verwendet in der vorbeugenden Qualitätssicherheit. Ebenso ist

diese in der Risikoabschätzung Prozessen, Systemen und Produkten ein unverzichtbarer Bestandteil.

Es gibt drei verschiedene Arten der FMEA:

• Konstruktions-FMEA: Aufgabe der Konstruktions-FMEA ist es, einzelne Bauteile und Produkte auf

Ausfallmöglichkeiten und potenzielle Schwachstellen zu untersuchen. Dabei wird eine bereits

vorhandene Maschine oder Bereiche davon untersucht.

• Prozess-FMEA: Die Prozess-FMEA baut auf die Ergebnisse und Untersuchungen der Konstruktions-FMEA

auf. Diese FMEA beschäftigt sich mit möglichen Schwachstellen im Leistungs- und Fertigungsprozess.

Dabei werden die Abläufe auf mögliche Fehlerpotenziale untersucht.

• System-FMEA: In einem übergeordneten Systemverbund wird das Zusammenspiel von Teilsystemen

untersucht. Ziel: Es sollen hauptsächlich an den Schnittstellen die potenziellen Schwachstellen

identifiziert werden, welche in einem komplexen System durch Zusammenspiel einzelner Komponenten

entstehen können.

Bei allen drei Arten ist das Vorgehen gleich, jedoch haben sie andere Ziele und werden zu anderen

Zeitpunkten angewandt.

Das Ziel der FMEA ist es, das Risiko zu vermindern und wenn möglich ganz zu vermeiden.



Das FMEA-Verfahren kann in sechs Schritte unterteilt werden:

1.

Ermittlung der potenziellen Fehler

2.

Wirkung und Folgen der Gefährdungen

3.

Ermittlung der Fehlerursache

4.

Systematische

Bewertung der Fehlerursachen

5.

Maßnahmen zur Fehlerminimierung

6.

Optimierung

− Bildet das Grundgerüst

− Formblatt ausfüllen

– Definition der Fehlermerkmale und –orte

– Wirkung und Folgen der Gefährdungen bzw. Folgen werden dargestellt und analysiert

– Identifikation der Gefährdungen bzw. der Fehlerursachen

− Systematische Bewertung der Gefährdungen und Fehlerursachen

− Kundenbedeutung, Auftretens- und Entdeckungs-wahrscheinlichkeit der Gefährdungen bzw. Folgen spielen eine Rolle

– Ermittlung der Risiko-Prioritätszahl

− Zielführende Maßnahmen zur Minimierung der Gefahrenrisiken bzw. Fehlern werden getroffen

– Präsentation der vorherigen Schritte vor Verantwortlichen und des betroffenen Personals

− Umsetzung der bewerteten Maßnahmen

– Graphische Darstellung der möglichen bzw. erzielten Ergebnisse

Ermittlung der Risiko-Prioritätszahl Die Ermittlung der Risiko-Prioritätszahl ist in der DIN EN 60812 „Analysetechniken für die Funktionsfähigkeit

von Systemen…“ zu finden.

Die Risiko-Prioritätszahl (RPZ) wird berechnet, um die Risiken in einer Hierarchie einordnen zu können. Sind

die Risiken in einer Hierarchie aufgelistet können ergreifende Schutzmaßnahmen abgeleitet werden und

ermittelt werden welche davon eine hohe oder niedrigere Priorität für die Minimierung des Risikos

bekommt.

Die Risiko-Prioritätszahl wird aus dem Produkt den drei ermittelten Werten, die einen Zahlenwert zwischen 1

und 10 annehmen können, errechnet:

RPZ = Auftreten*Bedeutung*Entdeckung

Das Ergebnis der RPZ kann zwischen 1 und 1000 liegen.

Die Risiko-Prioritätszahl kann wie folgt eingestuft werden:

• Hoch 1000

• Mittel 125

• Keine 1



Hinweis

Bevor das FMEA-Verfahren angewendet wird, sollten die Gefahren eingesäumt werden. Der letzte

Schritt um eine Gefahr einzusäumen ist die Übernahme in die technische Dokumentation. Vorher

sollte die Gefahr mit anderen Schutzmaßnahmen minimiert werden.

Das Vorgehen ist dabei wie folgt:

– Gefahr bzw. Risiko einsäumen.

– Gefahrenstelle in diesem Fall polstern.

– Gefahrenstelle farblich kennzeichnen und dadurch hervorheben.

Erst wenn alles versucht wurde die Gefahr zu beseitigen, ist diese in der technischen

Dokumentation aufzunehmen.

Anmerkungen zum FMEA-Verfahren der Station Handhaben

• Die Linearachse stellt eine Gefahr durch ihre Bewegung dar. Folglich ist ihr Verhalten im Notfall

(Betätigen des Not-Halt-Schalters) festzulegen. Die Schutzmaßnahme legt fest, wie sich ein

gefahrbringender Antrieb verhalten soll und die Stopp Kategorie legt fest, wann die Energie zu dem

Antrieb abgeschaltet wird.

• Durch das Netzteil wird mit einer Versorgungsspannung von 24 V DC gearbeitet, was "Arbeiten mit

Schutzkleinspannung" bedeutet.

Nach dem Netzteil sind keine elektrischen Schaltungen vorhanden, die eine gefahrbringende

Hochspannung erzeugen. Abschaltspitzen an Ventilen sind mit einer Schutzbeschaltung versehen.

• Es ist zu klären, ob bei Druckluftausfall der Druck der durch das 5/3 WV eingesperrt ist, noch ausreicht,

um das Teil zu halten. Gegebenenfalls sollte auf eine andere Art gegriffen werden oder ein anderer

Greifer (Prinzip einfachwirkender Zylinder) verwendet werden.


2 Inhärent sichere Konstruktion (mechanische Konstruktion)

Die inhärent sichere Konstruktion ist eine Schutzmaßnahme, die entweder Gefährdungen beseitigt oder die

von den Gefährdungen ausgehenden Risiken vermindert. Hierbei werden keine nicht trennenden oder

trennenden Schutzeinrichtungen angewendet, sondern die Konstruktions- oder Betriebseigenschaften der

Maschine werden geändert.

Hinweis

Schon bei der Konstruktion, Entwicklung und Gestaltung einer neuen Maschine muss der

Konstrukteur die Sicherheit mit betrachten. Dabei beachtet er nacheinander folgende Schritte:

1. Inhärente sichere Konstruktion

2. ergänzende Schutzmaßnahmen

3. Benutzerinformationen

Zur inhärenten sicheren Konstruktion gehört eine mechanische Konstruktion, die von vorneherein schon

keine Quetsch-, Scher-, Schnittstellen usw. aufweist. Es gehört jedoch auch die Steuerungstechnik der

gesamten Maschine dazu. Weitere Hinweise sind in der DIN EN ISO 12100-2 und der DIN EN ISO 14121 zu

finden.

Stopp-Funktion Die Stopp-Funktion gewährt ein Ausschalten im Notfall oder das Stillsetzen im Notfall und ist in der EN 418

(ISO 13850) EN 60204-1 geregelt. Es ist zwischen drei Stopp Kategorien zu unterscheiden:

• Stopp Kategorie 0

Den Maschinenantriebselementen wird sofort die Energie ausgeschaltet, dadurch wird die Maschine

ungesteuert stillgesetzt.


Den Maschinenantriebselementen wird erst die Energiezufuhr unterbrochen, wenn die Maschine

gesteuert den Stillstand erlangt.


Die Maschinenantriebselemente werden gesteuert stillgesetzt und die Energiezufuhr bleibt auch im

Stillstand erhalten.

Die Benutzerinformation unterteilt sich in Hinweis an der Maschine und die Betriebs- bzw.

Bedienungsanleitung. Es ist also eine ergänzende Maßnahme und darf die beiden ersten Schritte (

maßnahmen ) nicht ersetzen.

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Die sichere Anlage - Festo€¦ · E-Mail: [email protected] Der Käufer erhält ein einfaches, ... Dieses Arbeitsbuch „Die sichere Anlage“ beschäftigt sich mit der Sicherheit