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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Funktionale Sicherheit ist der Teil der allgemeinen Sicherheit, der sich auf eine überwachte Einrichtung (EUC; Equipment under control) und das Steuersystem für die überwachte Einrichtung bezieht und der von dem korrekten Funktionieren der elektrischen sicherheitsbezogenen Systeme abhängig ist. Um funktionale Sicherheit zu erreichen, müssen sich in einem sicherheitsbezogenen System alle Teilsysteme, die an der Ausführung von Sicherheitsfunktionen beteiligt sind, unter allen relevanten Bedingungen in einer festgelegten Weise verhalten. Die grundlegende Sicherheitsnorm für die funktionale Sicherheit von elektrischen/elektronischen/programmierbar elektronischen sicherheitsbezogenen Systemen ist die Norm IEC 61508. Sie nennt die umfassenden Anforderungen für das Erreichen der funktionalen Sicherheit. Ausreichende Immunität gegen elektromagnetische Störungen ist eine dieser Anforderungen. Das Konzept von IEC 61508 unterscheidet zwischen der Betrachtung der Anwendung und der Konstruktion von sicherheitsbezogenen elektrischen und elektronischen Steuerungssystemen. Die Schnittstelle zwischen beiden ist die Spezifikation der Sicherheitsanforderungen (en: System Safety Requirements Specification, SSRS). Sie legt für die beabsichtigte Anwendung alle relevanten Anforderungen wie folgt fest: a) Definition der sicherheitsbezogenen Funktion, basierend auf einer Risikoabschätzung der beabsichtigten Anwendung (für die Risikominderung vorgesehene Funktion); b) angepasste Sicherheits-Integritätslevel (en: Safety Integrity Level, SIL) für jede Sicherheitsfunktion, basierend auf einer Risikobeurteilung der beabsichtigten Anwendung; c) Definition der Umgebung, einschließlich - wie von IEC 61508-2 gefordert - der elektromagnetischen Umgebung, in der das System arbeiten soll. Deshalb ist hinsichtlich der Störfestigkeit gegen elektromagnetische Störgrößen der wesentliche Ansatzpunkt, dass - wie von IEC 61508-2 gefordert - die elektromagnetische Umgebung und ihre Erscheinungen in der Spezifikation der Sicherheitsanforderungen (SSRS) betrachtet werden. Das sicherheitsbezogene System, das für das Erfüllen der Sicherheitsfunktion vorgesehen ist, hat die Spezifikation der Sicherheitsanforderungen (SSRS) zu erfüllen. Daraus sind die entsprechenden Störfestigkeitsanforderungen für die einzelnen Geräte abzuleiten, woraus sich die Spezifikation der Geräteanforderungen (en: equipment requirement specification) ergibt. Hinsichtlich der elektromagnetischen Umgebung sollten sowohl die Spezifikation der Sicherheitsanforderungen (SSRS) als auch die Spezifikation der Geräteanforderungen auf einer kompetenten Abschätzung der vorhersehbaren elektromagnetischen Bedrohungen in der tatsächlichen Umgebung über den ganzen betrieblichen Nutzungszeitraum der Geräte hinweg beruhen. Deshalb hängen die Störfestigkeitsanforderungen für ein Gerät von den Eigenschaften der elektromagnetischen Umgebung ab, in der es benutzt werden soll. Der Gerätehersteller hat deshalb nachzuweisen, dass das Gerät die Spezifikation der Geräteanforderungen erfüllt, und der Systemintegrator muss nachweisen, dass das System die Spezifikation der Sicherheitsanforderungen (SSRS) erfüllt. Die Nachweise sind durch Anwendung geeigneter Methoden zu führen. Andere Aspekte der Anwendung, zum Beispiel das mit einem Ausfall des sicherheitsbezogenen Systems verbundene Risiko, brauchen sie nicht zu betrachten. Das Ziel für alle Geräte im System ist, die besonderen Bewertungskriterien zu erfüllen, die die Aspekte der funktionalen Sicherheit berücksichtigen (zum Beispiel das Bewertungskriterium DS), und zwar bis zu den in den Spezifikationen der Sicherheitsanforderungen (SSRS) unabhängig vom erforderlichen Sicherheits-Integritätslevel (SIL) festgelegten Schärfegraden. Es gibt im Grunde zwei Vorgehensweisen, sich mit den elektromagnetischen Umgebungen zu befassen und auf die Störfestigkeitsanforderungen zu schließen: (A) Betrachtung einer allgemeinen, nicht besonderen Einschränkungen unterworfenen elektromagnetischen Umgebung, zum Beispiel einer industriellen Umgebung, und Berücksichtigung aller elektromagnetischen Störgrößen, die auftreten können, sowie Berücksichtigung ihrer größten Amplituden, wenn geeignete Störschwellen für das System und das Gerät abgeleitet werden. Diese Vorgehensweise wurde in IEC 61326-3-1 bei der Festlegung der Störschwellen gewählt und führte für einige elektromagnetische Störgrößen zu erhöhten Störschwellen, verglichen mit Störschwellen, die ohne Betrachtungen zur funktionalen Sicherheit ermittelt werden. (B) Beherrschung der elektromagnetischen Umgebung, zum Beispiel durch Anwendung besonderer Installations- und Abhilfepraktiken in der Art, dass elektromagnetische Erscheinungen und deren Amplituden nur in einem bestimmten Ausmaß auftreten können. Diese Störerscheinungen und eingeschränkten Amplituden werden dann mit geeigneten Störschwellen berücksichtigt. Diese Pegel sind nicht notwendigerweise höher als diejenigen, die ohne Berücksichtigung der funktionalen Sicherheit ermittelt werden, weil durch entsprechende Maßnahmen sichergestellt ist, dass höhere Amplituden normalerweise nicht erwartet werden. Diese Vorgehensweise wird in IEC 61326-3-2 betrachtet. Das Anwenden der Vorgehensweise (B) ergibt sich daraus, dass eine spezifizierte elektromagnetische Umgebung infolge der strikten Beachtung besonderer Installationsbedingungen und Abhilfemaßnahmen vorhanden ist. Zusätzlich jedoch sind geeignete Kenntnisse der elektromagnetischen Erscheinungen und deren zu erwartenden Amplituden in dieser spezifizierten Umgebung erforderlich. Diese wurden gewonnen, indem in der Prozessindustrie statistische Daten über Fehler in Sicherheitsanwendungen berücksichtigt wurden. Jährlich werden für diese Beurteilung über 20000 Baugruppen von Sicherheitsanwendungen hinsichtlich Ausfallereignissen analysiert. Diese Daten haben gezeigt, dass die Ausfallraten die mit dem Sicherheits-Integritätslevel (SIL) in Zusammenhang stehenden Anforderungen erfüllen. Diese Baugruppen sind in Übereinstimmung mit den besonderen Anforderungen der Prozessindustrie an die elektromagnetische Verträglichkeit. Der Vorgehensweise (B) folgend gibt IEC 61326-3-2 spezifische elektromagnetische Störfestigkeitsanforderungen an, die für sicherheitsbezogene Systeme und für Geräte, die für die Verwendung in sicherheitsbezogenen Systemen vorgesehen sind, gelten. Diese Anforderungen ergänzen einige Anforderungen von IEC 61326-1 (oder vergleichbarer EMV-Normen der Prozessindustrie), und von den ausgewählten elektromagnetischen Störgrößen und definierten Störfestigkeits-Prüfpegeln wird erwartet, dass sie für spezifizierte industrielle Anwendungen in Umgebungsbedingungen, wie sie im Anwendungsbereich dieser Norm beschrieben sind, passend sind. Der Zusammenhang zwischen den Normen IEC 61326-1, IEC 61326-2-x, IEC 61326-3-1 und IEC 61326-3-2 ist in einem Diagramm ausführlich beschrieben. In der vorliegenden Norm sind die festgelegten Prüfpegel von den höchsten Pegeln abgeleitet, die in industriellen Anwendungen in der spezifizierten Umgebung zu erwarten sind. Diese Prüfpegel sind auf die (möglicherweise vorhandene) elektromagnetische Umgebung bezogen. Sie können nicht in analytischer Weise auf den für die Anwendung erforderlichen Sicherheits-Integritätslevel (SIL) bezogen werden, weil es keine praktisch nachweisbare Beziehung zwischen Prüfpegel und Ausfallwahrscheinlichkeit während des Gebrauchs gibt. Die Einflüsse elektromagnetischer Störgrößen werden als systematische Effekte betrachtet, und sie führen von Natur aus oft zu Ausfällen mit gemeinsamer Ursache (en: common cause event). Konstruktionsmerkmale der Geräte müssen den erforderlichen Sicherheits-Integritätslevel (SIL) berücksichtigen und so entworfen sein, dass gefährliche systematische Ausfälle vermieden sind. Ausreichende Störfestigkeit gegen elektromagnetische Störgrößen kann nur durch Konstruktions-, Abhilfe- und Installationstechniken sichergestellt werden, die elektromagnetische Aspekte berücksichtigen. Die Beschreibung solcher Techniken gehört jedoch nicht zum Anwendungsbereich dieser Norm. Es wird daher als Vorgehensweise empfohlen, dass die Systemfähigkeit hinsichtlich des erforderlichen Sicherheits-Integritätslevels (SIL) einerseits durch die Einbringung von Konstruktionsmerkmalen und andererseits durch geeignete Prüfparameter, die das Vertrauen in die Prüfergebnisse erhöhen, erreicht wird. Der Anwendungsbereich von IEC 61326-1 gilt auch für den hier vorliegenden Teil -3-2 der IEC 61326, jedoch ist er auf Systeme und Geräte für industrielle Anwendungen begrenzt, die innerhalb einer spezifizierten elektromagnetischen Umgebung für sicherheitsbezogene Funktionen, wie sie in IEC 61508 definiert sind, mit einem Sicherheits-Integritätslevel (en: Safety Integrity Level, SIL) von SIL 1, SIL 2 oder SIL 3 vorgesehen sind. Die elektromagnetischen Umgebungen, die in dieser Produktfamiliennorm berücksichtigt sind, sind industrielle Umgebungen sowohl innerhalb als auch außerhalb von Gebäuden, wie sie in industriellen Anwendungen (zum Beispiel in der Prozessindustrie) in einer elektromagnetischen Umgebung vorgefunden werden können, die spezifizierte Merkmale hat, welche in Anhang B aufgeführt sind. Der Unterschied zwischen der in dieser Norm berücksichtigten elektromagnetischen Umgebung zu der allgemeinen industriellen Umgebung (siehe IEC 61326-3-1) entsteht durch die gegen elektromagnetische Störungen gerichteten Abhilfemaßnahmen, die zu einer spezifizierten elektromagnetischen Umgebung führen. Die industrielle Umgebung mit einer spezifizierten elektromagnetischen Umgebung schließt typischerweise folgende Merkmale ein: - Industriebereich mit beschränktem Zugang; - beschränkter Gebrauch von mobilen Funksendern; - Zuordnung der Kabel für die Stromversorgung und Kabel für die Steuer-, Signal- oder Datenleitungen; - Trennung zwischen Kabeln für die Stromversorgung und Kabeln für Steuer-, Signal- oder Datenleitungen; - Fabrikgebäude bestehen größtenteils aus Metallkonstruktionen; - Überspannungs- und Blitzschutz durch geeignete Maßnahmen (zum Beispiel durch metallische Konstruktion des Gebäudes oder durch den Einsatz von Schutzeinrichtungen); - am Wechselstromnetz betriebene Rohrheizungssysteme können vorhanden sein; - Hochspannungsschaltanlagen sind nicht in der Nähe von empfindlichen Bereichen; - nur leistungsschwache ISM-Einrichtungen (en: Industrial, Scientific and Medical Equipment) der Gruppe 2 gemäß CISPR 11 sind vorhanden; - sachkundiges Personal; - regelmäßige Instandhaltung von Geräten und Systemen; - Montage- und Installationsleitlinien für Geräte und Systeme. Die Anforderungen an eine spezifizierte elektromagnetische Umgebung sind in Anhang B angegeben. Geräte und Systeme, die gemäß IEC 61508 oder IEC 61511 als "betriebsbewährt" betrachtet werden, sind vom Anwendungsbereich von IEC 61326-3-2 ausgenommen. Brandmeldeanlagen und Sicherheitsalarmsysteme, die für den Schutz von Gebäuden vorgesehen sind, sind vom Anwendungsbereich von IEC 61326-3-2 ausgenommen. Zuständig ist das DKE/UK 921.3 "Elektromagnetische Verträglichkeit in der Leittechnik" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE.

Änderungsvermerk

Gegenüber DIN EN 61326-3-2 (VDE 0843-20-3-2):2008-11 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Für die Prüfung der Störfestigkeit gegen elektromagnetische Felder nach IEC 61000-4-3 wurde der Frequenzbereich bis 6 GHz erweitert; b) das Bewertungskriterium FS wurde durch das Bewertungskriterium DS entsprechend der Fachgrundnorm IEC 61000-6-7 ersetzt; c) die "Tabelle 1 - Zu berücksichtigende Gesichtspunkte bei der Anwendung des Bewertungskriteriums DS" wurde hinzugefügt; d) für Geräte mit mehr als 16 A Stromaufnahme wurden Störfestigkeitsprüfungen nach IEC 61000-4-34 aufgenommen; e) Bild 1 und Bild 2 (betreffend Prüfanordnungen, bisher Bild 2 ff) und das Bild A.1 (betreffend Zusammenhang zwischen den Normen, bisher Bild 1) sind hinsichtlich besserer Lesbarkeit überarbeitet; f) Anforderungen an die Störfestigkeit gegen leitungsgeführte Gleichtaktspannungen (IEC 61000-4-16) für den Frequenzbereich 10 kHz bis 150 kHz wurden hinzugefügt. Sie ersetzen bis 150 kHz die bisherigen Anforderungen an die Störfestigkeit gegen leitungsgeführte Störungen, induziert durch hochfrequente Felder (IEC 61000-4-6).

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Zuständiges nationales Arbeitsgremium

DKE/UK 921.3 - Elektromagnetische Verträglichkeit in der Leittechnik