O+P Fluidtechnik 4/2018

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN
Tabelle 01: Aufbau des Fehlerbaumes
der Beispielstruktur VSB in Quadrant II
Stopp
v1
In
Normalmodus
v1
NDreg
v1
In
v2
v2
v2
Logic
Allgemein
n Die Sicherheits- und Arbeitsfunktion fallen aus,
wenn eines der Subsysteme In, Logic oder Out
ausfällt.
Basisevent
n Die Subsysteme sind demnach mit einem
ODER-Glied verbunden.
n Unterschiede hinsichtlich Sicherheit und
Zuverlässigkeit sind lediglich im Subsystem
ODER-Glied
Out zu verzeichnen.
n Es werden die Fehlerfälle voll geöffnetes oder
geschlossenes Ventil betrachtet.
n Weitere Fehlerfälle (gemäß ISO 13849-2
UND-Glied
können hinzugezogen werden, zeigen jedoch
den gleichen Effekt mit einer geringeren
Ausprägung.
Sicherheit – Ausfall der Sicherheitsfunktion (SF)
n Das Subsystem Out fällt aus, wenn eines der
Sicherheit
beiden Ventile v1 oder v2 ausfällt.
n Dies ist bedingt durch die externe Lastkraft,
welche einen Energiefluss über die Pumpenleitung
zu einem parallel betriebenen
F L
Verbraucher oder zum Tank verursacht.
n Die beiden Ventile sind mit einem ODER-Glied
verbunden.
Ausfall SF
Logic
v1
v3
Out in
QII
v2
v4
Zuverlässigkeit – Ausfall der Arbeitsfunktion (AF)
Zuverlässigkeit
Ausfall AF
v
F L
v3
v
F L
v3
Out in
QII
normal NDreg
v4
v4
v3 v2 v4
n Das Subsystem Out fällt aus, wenn alle
möglichen Betriebsmodi ausfallen.
n Die Betriebsmodi sind mit einem UND-Glied
verbunden.
n Der Normalmodus fällt aus, wenn Ventil v2
oder v3 ausfällt.
n Modus NDreg fällt aus, wenn Ventil v2 oder v4
ausfällt.
n Modus HDreg fällt aus, wenn Ventil v1 oder v3
ausfällt. Da der Einsatz dieses Modus davon
abhängt wie groß die Lastkraft ist und diese
wiederrum in mobilen Applikationen stark
schwankt, wird dieser Modus nicht mit in die
Analyse einbezogen. Dieser Umstand muss bei
jeder Applikation geprüft werden.
n Die Ventile sind mit einem ODER-Glied
verbunden.
die nachstehenden Top-Ereignisse, die sich aus den
Sicherheits- und Arbeitsfunktionen ableiten:
n Sicherheit: Ausfall der Sicherheitsfunktion
“sicherer Stopp”;
n Zuverlässigkeit: Ausfall der Arbeitsfunktion „Die
Verbrauchbewegung soll den Bedienervorgaben
folgen“.
Das Ventilsystem VS B
dient als Grundlage zur Beschreibung
der Analysetechnik und ist in Bild 02
dargestellt. Diese Struktur ist aus vielen Veröffentlichungen
bekannt und wurde bereits aus funktionaler
Sicht unter anderem von [4, 5, 6] untersucht.
Das Antriebssystem wird in die folgenden Subsysteme
unterteilt:
n In (Joysticks),
n Logic (electronic control unit – ECU),
n Out (Ventilsystem bestehend aus v1 bis v4),
n Aktuator (Zylinder),
n Versorgungseinheit.
Der Zylinder verursacht die gefahrbringende
Bewegung aufgrund des Volumenstroms, welcher
durch die Ventile v1 bis v4 gesteuert wird. Da der
Zylinder selbst keine sicherheitskritischen Zustände
steuert, wird er nicht in der Berechnung der
Ausfallwahrscheinlichkeit berücksichtigt. Die
Versorgungseinheit beinhaltet neben der Pumpe
und der Verbrennungskraftmaschine bewährte
Sicherheitsprinzipien, wie Druckbegrenzung und
Filtration des Fluids. Die Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanalysen
konzentrieren sich deshalb auf
die grau hinterlegten Bereiche.
Das System ist so aufgebaut, dass über die
Pumpen leitung eine verbraucherübergreifende
Hochdruckregeneration möglich ist. Dieser
Zustand ist bei der Analyse des Einzelverbrauchers
zu berücksichtigen. Zunächst wird das System im
Quadrant II des v-F L
-Diagramms betrachtet. Dabei
fährt der Zylinder mit der Last ein. In diesem
Betriebsbereich sind die Betriebsmodi „normal“,
„NDreg“ und „HDreg“ möglich. Unter den genannten
Umständen können die Aussagen in Tabelle 01
getroffen und die sich daraus ableitenden Fehlerbäume
aufgestellt werden.
Mit dieser Methode ist es möglich, jeden
Quadranten zu analysieren. Kombiniert man die
Fehlerbäume aller Quadranten, lässt sich der
gesamte Zyklus der Applikation abdecken. Dabei
werden die Fehlerbäume der Quadranten mit einem
ODER-Glied verbunden. Dies resultiert aus der
Restriktion, dass sowohl Sicherheits- als auch
Arbeitsfunktion ausfallen, wenn diese in einem
beliebigen Quadranten ausfallen. Der Grund hierfür
liegt in der Unzulässigkeit des Betriebs einer Maschine
in nur einem Teil des benötigten Betriebsbereiches
sowie daraus resultierend fehlender Kundenakzeptanz
[3]. Im Folgenden wird das Subsystem „Out“ weiter
analysiert und quantifiziert. Es sei jedoch darauf
hingewiesen, dass auch die anderen beiden Subsysteme
„In“ und „Logic“ mit ihrer Ausfallwahrscheinlichkeit
Einfluss auf die Gesamtausfallwahrscheinlichkeit
der Steuerungskette haben.
Die Beispielapplikation Bagger wird in allen vier
Quadranten des v-F L
-Diagramms bewegt. Daraus
ergeben sich die in Bild 03 oben dargestellten
Fehlerbäume bezüglich Sicherheit und Zuverlässigkeit.
Die Zusammenführung der Quadranten
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