Funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit als Wettbewerbsvorteil nutzen

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Published on
2022-08-31
Written by
Tuomas Eerola

Ansys

Funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit sind stark diskutierte Themen, die stark von der Branche und den persönlichen Erfahrungen abhängen. Einige betrachten sie als bloße Erfüllung der funktionalen Sicherheitsanforderungen in ihrer Branche, während andere sie als Bewertung der Risiken betrachten. Für einige Unternehmen sind sie ein entscheidender Erfolgsfaktor für ihr Markenimage und ihre Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt.

Was ist funktionale Sicherheit?

Gemäß dem Oxford-Wörterbuch bezieht sich Sicherheit auf den Zustand, in dem man vor Gefahren, Risiken oder Verletzungen geschützt ist oder in dem es unwahrscheinlich ist, dass sie auftreten. In Bezug auf Produkte und deren Entwicklung wird Sicherheit oft als die Fähigkeit eines Produkts definiert, für den beabsichtigten Gebrauch sicher zu sein. Diese Form der Sicherheit wird als technische Sicherheit bezeichnet und ist auch als Sicherheit der beabsichtigten Funktion (SOTIF = Safety of the Intended Function) bekannt. Sie ist verhältnismäßig einfach zu definieren, da sie passiv ist und in das Produkt integriert wird. Sie gewährleistet, dass Maschinen und Systeme sicher funktionieren, wenn sie ordnungsgemäß verwendet werden.

Die funktionale Sicherheit konzentriert sich auf Elektronik und die zugehörige Software und aktiviert eingebaute Sicherheitsmechanismen, um potenzielle Risiken, die jemanden schädigen oder etwas zerstören könnten, auf ein tolerierbares Maß zu reduzieren.“ – IEC

Die funktionale Sicherheit ist etwas komplizierter; sie ist aktiv, wie ein unabhängiges Kontrollsystem, das einen sicheren Betrieb gewährleistet. Sicherheit wird erreicht, indem man „aktiv“ etwas tut, oder verhindert, dass etwas passiert.

Funktionale Sicherheit – einige Beispiele aus der Praxis

Ein einfaches Beispiel für ein funktionales Sicherheitssystem ist eine Haushaltskaffeemaschine mit einem Sensor, der die Kaffeetemperatur oder die Kaffeemenge in der Kanne erfasst. Wenn der Sensor feststellt, dass die Temperatur einen Schwellenwert überschritten hat, schaltet er das Heizelement aus. Stellen Sie sich die negativen Auswirkungen auf das Geschäft der führenden Haushaltsgerätemarke vor, wenn das nicht funktionieren würde!

Ein weiteres Beispiel für funktionale Sicherheit ist eine Forstmaschine, die mit einem Sicherheitsradar ausgestattet ist. Sollte das Radar irgendeine Bewegung in der Umgebung des Fahrzeugs feststellen, hält es die Bewegung des Mähdrescherkopfes an. Die normalen Umgebungsbedingungen einer Forstmaschine können von schönem, sonnigem Wetter bis hin zu einer stürmischen Nacht alles sein. Beim Einsatz unter schwierigen, nassen Schneebedingungen können die Radarsensoren verschmutzt werden. Sollte dies der Fall sein, erkennt die Steuerelektronik das fehlerhafte Radarsignal und informiert den Fahrer über die Unzuverlässigkeit, noch bevor ein Sicherheitsrisiko entsteht. Denken Sie an die Verantwortung des Herstellers der Steuerelektronik!

Komponenten eines sicherheitsrelevanten Systems

Die Bestandteile eines sicherheitsrelevanten Systems sind recht einfach. Sie bestehen in der Regel aus 3 Elementen

  • Sensoren – um den Zustand von etwas zu erkennen, z. B. wie hoch ist die Temperatur des Kaffees in der Kaffeemaschine?

  • Logic Solver – ein programmierbares elektronisches Gerät, das entscheidet, was zu tun ist, z. B. wenn sich etwas um das Fahrzeug herum bewegt, und dann den Fahrer warnt.

  • Aktuatoren – um etwas zu tun, z. B. die Stromzufuhr zum Element des Kolbens zu unterbrechen oder den Bediener der Forstmaschine über die aktuelle Zuverlässigkeit und das potenzielle Sicherheitsrisiko zu informieren.

Funktionale Sicherheit bedeutet nicht, dass es keine Ausfälle gibt. In den Normen wird eine maximal zulässige Rate unsicherer Ausfälle festgelegt, um das Ziel „As Low as Reasonably Practicable“ (ALARP) zu erreichen. Wie die britische Gesundheits- und Sicherheitsbehörde (Health and Safety Executive, HSE) feststellt, „Bei der Bewertung, ob ein Risiko auf ein akzeptables Maß reduziert wurde (ALARP – As Low As Reasonably Practicable), geht es darum, das Risiko mit dem erforderlichen Aufwand abzuwägen, um es weiter zu verringern.

Verlässlichkeit

Eine gängige Definition von Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Produkt unter normalen Bedingungen über einen bestimmten Zeitraum hinweg seine beabsichtigte Funktion erfüllt.

Trotz der etablierten Rolle der Verlässlichkeitsanalyse im Konstruktionswesen und der Einfachheit vieler verwendeter Methoden und Techniken wurde sie bisher nicht ausreichend genutzt. Dies ändert sich nun mit neuen Gesetzesvorschlägen wie der Verordnung über das Ökodesign für nachhaltige Produkte. Eine verstärkte Konzentration auf die Langlebigkeit, Verlässlichkeit, Wiederverwendbarkeit, Aufrüstbarkeit, Reparierbarkeit und Wartungsfreundlichkeit von Produkten wird zudem gefördert. Die Bedeutung der Zuverlässigkeit für die Produktentwicklung und den Betrieb von Anlagen kann nur zunehmen. Dies verdeutlicht die enge Beziehung zwischen Verlässlichkeit und Nachhaltigkeit in der heutigen Gesellschaft.

Betrachten wir unsere beiden Beispiele – die Kaffeemaschine und die Forstmaschine. Es handelt sich um zwei verschiedene Produkte mit sehr unterschiedlichen Märkten, von denen eines eine hohe und das andere eine niedrige Stückzahl hat. Die Verlässlichkeitsanalyse wird für jedes Produkt auf unterschiedliche Weise angewendet. Die Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA) spielt eine entscheidende Rolle bei der Identifizierung potenzieller Produktfehler in der Konzept- und Konstruktionsphase sowie bei der Prozess-FMEA zur Begrenzung von Produktfehlern in der Fertigungsphase. Effektive FMEAs tragen maßgeblich zum Erfolg eines Produkts bei.

Trotz aller Bemühungen können unerwartete Ausfälle auftreten. Erfolgreiche Unternehmen gehen damit um, indem sie ihren Kunden zeigen, dass sie die Situation im Griff haben und über die erforderlichen Instrumente und Verfahren verfügen, um das Problem zu lösen. Werkzeuge wie FRACAS (Failure Reporting and Corrective Action System) können dabei eine wichtige Rolle spielen.

Für den Hersteller einer Kaffeemaschine kann eine verbesserte Verlässlichkeitsanalyse während der Produktentwicklungsphase dem Hersteller mehr Vertrauen geben, um längere Garantiezeiten anzubieten – vielleicht 5 Jahre statt 1? Ein interessantes Phänomen in Bezug auf die Verlässlichkeitsleistung ist oft, dass diese umso schlechter sein kann, je mehr Merkmale in einer Maschine vorhanden sind (und somit mehr Komponenten) – vielleicht ist also weniger mehr?

Für den Hersteller von Forstmaschinen kann eine effektive Analyse der Verlässlichkeit, Verfügbarkeit und Wartbarkeit dazu beitragen, die beste Strategie für Wartung, Ersatzteil- und Logistikmanagement festzulegen – insbesondere für Maschinen, die in sehr abgelegenen Gebieten eingesetzt werden. Dies gibt dem Maschinenführer die Gewissheit, dass Ausfallzeiten minimal sind.

 

Ansys Support

Support Management durch Simulation

Unternehmen berücksichtigen zunehmend die Kosten von Risiken wie Bränden, Verletzungen, Todesfällen, Markenschäden und dem Ruf von Lieferanten. Computer Aided Engineering (CAE) und Simulation bieten Methoden, um die hinter den sichtbaren Faktoren liegenden Zusammenhänge zu verstehen. Die Kombination von Simulationsmodellen mit empirischen Daten aus Prototypentests und Feldversuchen ermöglicht es uns, sicherere Produkte für Kunden zu entwickeln und gleichzeitig den Erfolg unseres Unternehmens zu steigern. Ein Simulationsmodell, das mit empirischen Daten abgeglichen ist, stellt den digitalen Zwilling unseres Produkts dar. Der digitale Zwilling hilft uns dabei, die Ursachen von Fehlern zu verstehen, das Produktdesign zu optimieren und das Risiko unsicherer Fehler zu verringern.

 

Übernehmen Sie die Kontrolle über funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit

Unabhängig von Ihrer Branche und Ihrer individuellen Definition von funktionaler Sicherheit und Zuverlässigkeit ist es unbestreitbar wichtig, Risiken zu identifizieren, Prozesse und Werkzeuge zu verwalten und die Sicherheit Ihrer Produkte zu gewährleisten.

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