ISO 13849-1, Contoh desain : Performance Level d (Safety Related Part)

KASUS : 
Dalam suatu mesin dibutuhkan guard door interlocking, dengan fungsi sbb : ketika pintu guard di buka maka bagian yang bergerak/berputar (dangerous movement) akan dihentikan/di stop dengan cara mematikan motor penggerak.
Yang perlu ditentukan dahulu adalah Performance Level yang dibutuhkan, setelah itu baru kita desain Safety Related Part nya (sebagai guard)
dalam kasus ini, Jarak interlocking guard dan moving part dianggap sudah sesuai dengan ISO 13855 : 2010 (Safety of Machinery - Positioning of safeguards).

Risk Graph :

* Severity of injury (S) = S2 Serius (jika terjadi kecelakan ; maka keparahan cedera = serius)
* Frequency and/or exposure to hazard (F) = F2 frequent to continuous and/or the exposure time is long
* Possibility of avoiding the hazard (P) = P1 (kemungkinan menghindari bahaya = bisa dan mungkin dengan kondisi khusus)

Dari risk graph di atas maka PLr yg di butuhkan adalah PLd

Performance Level PL d sebanding dengan SIL2 dengan nilai PFH (probability of dangrous failure per hour) ≽10E-7 sampai < 10E-6.

Performance Level PL d dapat dicapai dengan arsirektur Cat 2 dan Cat 3.


Identifikasi  SAFETY RELATED PART (SRP)

Safety related part yang akan didesain adalah seperti gambar di bawah ini, komponen-komponen lain yang tidak ada kaitan dengan Functional Safety tidak ditampilkan untuk menyederhanakan (mis : start dan stop switch)

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa safety related part nya adalah :

- redundant channel, one electromechanical and pgrogrammable electronic
- position switch SW1B (Normally Close) dan SW2 (Normally Open) and keduanya memiliki High B10D
- Contactor relay K1B dengan High MTTFD
- electronic component PLC dan CC, dengan medium MTTFD
- the safety related application software oh the PLC (SRASW) dengan verifikasi PLr d 
 

Safery Related Part dapat di ilustrasikan dalam safety related block berikut :

 
Perhitungan MTTFD, DCavg, CCF, dan Catagory  

 MTTFD (Mean Time To Failure) 

 B10D adalah  jumlah nilai siklus sampai dengan nilai 10% komponen fail 

Diketahui : 

B10D,SW1B = 20 000 000 cycle
B10D,K1B = 400 000 cycle 
B10D,SW2 = 1 000 000 cycle
MTTFD, PLC  = 20 years
MTTFD, CC = 20 years 
Working day per year  = 300 days (dop), 16 hour (hop), 4 minutes (tcycle)


nop = (300 day/year x 16 hour/day x 3600 sec/hour) /(4x60 sec/cycle)  = 72000 cycles/years



MTTFD, SW1B = 20 000 000 /(0,1 * 72000) = 2778 years


MTTFD, K1B = 400 000 /(0,1 * 72000) = 56 years

MTTFD, SW2 = 1 000 000 /(0,1 * 72000) = 139 years

**MTTFD,C1 channel pertama dapat di hitung : 
  1/MTTFD,C1 = 1/MTTFD,SW1B + 1/MTTFD,K1AB

                 = 1/2778 years + 1/56 years = 0,0182/years

 atau MTTFD = 55 years





 berdasarkan tabel 4, maka MTTFD = 55 years termasuk katagori HIGH
 
 **MTTFD,C2 channel kedua dapat di hitung :

 1/MTTFD,C2 = 1/MTTFD,SW2 + 1/MTTFD,PLC + 1/MTTFD,CC


                                 = 1/139 years + 1/20 years + 1/20 years = 0.107/year


 atau MTTFD = 9.3 years 

 berdasarkan tabel 4, maka MTTFD = 9.3 years termasuk katagori LOW


 Karena kedua channel memiliki MTTF yg berbeda, maka MTTF average tiap channel dapat dihitung dengan formula :

**MTTFD = 2/3 (55 years + 9.3 years - (1/(0,0182/year +  0.107/year)

               = 37 years

berdasarkan tabel 4, maka MTTFD = 37 years termasuk katagori HIGH


**Perhitungan T10

T10 adalah jumlah waktu sampai dengan nilai 10% komponen fail 

T10D = B10D / nop

T10D, SW1B = 20000000 cycle/ 72000 cycle /years =  278 years
T10D, K1B = 400000 cycle/ 72000 cycle /years =  5.5 years        
T10D,SW2 = 1000000 cycle/72000 cycle/years =  13.9 years

dengan misson time selama 20 years maka untuk K1B dan SW2 harus di ganti sebelum 5.5 years dan 13.9 years, agar memenuhi estimasi penentuan PL dan PFH.


  
DC (diagnostic coverage) 

dalam rangkaian di atas lima safety related part di test oleh PLC.
yaitu : SW1B, SW2, K1B, CC (via RS), dan PLC self test
DC value masing2 adalah :
-- DCSW1B = DCSW2 = 99%, is HIGH 
-- DCK1B = 99% is HIGH 

-- DCPLC = 30%, is NONE due to low effectiveness of self test
-- DCCC = 90% is MEDIUM 

**perhitungan DCavg :

DCavg = (0.99/2778 + 0.99/56 + 0.99/139 + 0.3/20 + 0.9/20) / (1/2778 + 1/56 + 1/139 + 1/20 + 1/20)
            = 0.085 / 0.125
            = 68 %
maka DCavg is LOW



**CCF (common cause failure)
Measure against CCF :

 

 dari tabel di atas hasil estimasi CCF adalah 85, berarti karakteristik untuk arsitektur Category 3 sudah terpenuhi.

Catagory = Catagory 3 dengan  MTTFD  HIGH = 37 years dan DCavg is LOW

dari  (Annex K; ISO 13849-1:2015) MTTF 36 tahun sudah dapat mencapai Catagory 3 dan PLd  dengan PFHD = 5.16E-07 /h

KESIMPULAN :

dari hasil perhitungan di atas bahwa desain yg di proposal kan sudah SESUAI dengan kebutuhan (Performance Level d)

Contoh : desain Safety Function dan penentuan Performance Level ; ISO 13849-1:2015

Contoh ini diambil dari Annex I; ISO 13849-1:2015.

KASUS : 
Dalam suatu mesin dibutuhkan guard door interlocking, dengan fungsi sbb : ketika pintu guard di buka maka bagian yang bergerak/berputar (dangerous movement) akan dihentikan/di stop dengan cara mematikan motor penggerak.
Yang perlu ditentukan dahulu adalah Performance Level yang dibutuhkan, setelah itu baru kita desain Safety Related Part nya (sebagai guard)
dalam kasus ini, Jarak interlocking guard dan moving part dianggap sudah sesuai dengan ISO 13855 : 2010 (Safety of Machinery - Positioning of safeguards).



SAFETY FUNCTION  dan  kebutuhan PERFORMANCE LEVEL (PLr)


Penjelasan tentang Risk Graph ISO 13849 dapat di lihat di sini Risk Graph

Berikut cara penentuan PLr dengan Risk Graph :

* Severity of injury (S) = S2 Serius (jika terjadi kecelakan ; maka keparahan cedera = serius)
* Frequency and/or exposure to hazard (F) = F1 seldom to less often and/or the exposure time is short (frekuensi terjadi kecelakan = jarang atau tidak sering)
* Possibility of avoiding the hazard (P) = P1 (kemungkinan menghindari bahaya = bisa dan mungkin dengan kondisi khusus)

Dari risk graph di atas maka PLr yg di butuhkan adalah PL c

Performance Level PL c sebanding dengan SIL1 dengan nilai PFH (probability of dangrous failure per hour) ≽10E-6 sampai < 3x10E-6.

Performance Level PL c dapat dicapai dengan arsirektur Cat 1 , Cat 2 dan Cat 3.

Identifikasi  SAFETY RELATED PART (SRP)

Safety related part yang akan didesain adalah seperti gambar di bawah ini, komponen-komponen lain yang tidak ada kaitan dengan Functional Safety tidak ditampilkan untuk menyederhanakan (mis : start dan stop switch)

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa safety related part nya adalah :

- one channel of electromechanical component (no fault exclusion justified)
- position switch SW1A (Normally Close) dengan positive mechanical contact and High B10D
- Contactor relay K1A dengan High B10D

Safery Related Part dapat di ilustrasikan dalam safety related block berikut :

  
Perhitungan MTTFD, DCavg, CCF, dan Catagory  

 MTTFD (Mean Time To Failure) 

 B10D adalah  jumlah nilai siklus sampai dengan nilai 10% komponen fail (lieur nerjemah na 😖)

Diketahui : 
B10D,SW1A = 20 000 000 cycle
B10D,K1A = 400 000 cycle 
Working day per year  = 220 days (dop), 8 hour (hop), 60 minutes (tcycle)


nop = (220 day/year x 8 hour/day x 3600 sec/hour) /(60x60 sec/cycle)  = 1760 cycles/years



MTTFD, SW1A = 20 000 000 /(0,1 * 1760) = 113 636 years


MTTFD, K1A = 400 000 /(0,1 * 1760) = 2 273 years

1/MTTFD = 1/MTTFD,SW1A + 1/MTTFD,K1A

                 = 1/113636 years + 1/2273 years = 0,00045/years

 atau MTTFD = 2222 years





T10 adalah jumlah waktu sampai dengan nilai 10% komponen fail 

T10D = B10D / nop

T10D, SWA1 = 20000000 cycle/ 1760 cycle /years =  11363 years
T10D, K1A = 400000 cycle/ 1760 cycle /years =  227 years        

karena nilai keduanya melebihi nilai 20 tahun maka tidak perlu ada preventive untuk penggantian komponen.


DC (diagnostic coverage) = 0, karna tidak ada diagnostic testing pada rangkaian SRP

CCF (common cause failure) = 0, karena SRP hanya menggunakan satu channel

Catagory = Catagory 1 dengan High MTTFD

 

dari  (Annex K; ISO 13849-1:2015) MTTF 100 tahun sudah dapat mencapai Catagory 1 dan PLc  dengan PFHD = 1,14E-06 /h

KESIMPULAN


dari hasil hitungan, maka desain Safety Realated Part diatas SESUAI dengan kebutuhan (Performance Level c)

Pengenalan ISO 13849-1 : 2015 (Safety of Machinery - Safety Related Parts of Control Systems)

Beberapa International standard yang relevant dengan Functional Safety for Process Industry & Machine ditunjukan seperti gambar di bawah ini :

Jika di IEC 61508, IEC 61511 dan IEC62061 kita menggunakan istilah SIL 1,2,3,4 untuk tingkat safety level, maka di ISO 13849 adalah menggunakan istilah PL (Performance Level a ... e).
ISO 13849 merupakan standard itu functional safety machinery, sama seperti IEC 62061.

Sama seperti standard yg lainnya, ISO 13849 juga menggunakan Risk Graph untuk menentukan safety level atau istilah di sini adalah Performance Level.

Dan di bawah ini adalah hubungan antara PL dan SIL :

Dari Risk Graph di atas dapat diketahui bahwa yg tertinggi safety levelnya adalah PL e, dan yang terendah adalah PL a. Tabel di bawahh ini adalah nilai PFH (average probability of dangerous failure per hour [1/h] ).

Di dalam ISO 13849 juga terdapat tabel Category yg merupakan hubungan langsung dengan PL, MTTF (Mean Time To Failure) dan DC (Diagnostic Coverage).
Dari tabel Category ini dapat dilihat bahwa, dengan menggunakan arsitektur Category B, maka maksimum PL yg dicapai adalah PL b.
Lihat tabel di bawah :

Architecture :

Category B

 

Category 1 

 

Category 2

 

 Category 3

 

 Category 4

 

Beberapa rumus pada ISO 13849