Verfahren zur Risikobetrachtung EMV mit Analyse und numerischer Bewertung

1. Risikoanalyse

Betrachtungsziel der Risikoanalyse und -kalkulation bzgl. EM Beeinflussung Umgebung durch das Betriebsmittel und des Betriebsmittel durch externe EM Beeinflussung nach EMV Richtlinie

 

Risiko der Beeinflussung der Einhaltung der nachgewiesenen Grenzwerte der harmonisierten Normen und / oder Stand der Technik für bestimmungsgemäßen Gebrauch z.B. Konformitätsnachweis durch Fachgrundnormen oder Produktnorm.

 

Kalkulation des Risikos der Beeinflussung der Verfügbarkeit durch theoretischen Nachweis der:

  • Überschreitung der durch ein gewähltes normatives Nachweisverfahren nachgewiesenen Grenzwerte auch bei bestimmungsgemäßem Gebrauch und Serienfertigung
  • Überschreitung der gesetzlichen Grenzwerte der Richtlinie, deren messtechnischer Nachweis durch das gewählte normative Nachweisverfahren nicht abgedeckt wird.
  • Einhaltung des Standes der Technik

Risikobetrachtung

Entsprechend Schnittstellen EMV RL

Einzelmaßnahmen

 Externe Beeinflussung

 Festlegung EMV Umgebung durch techn. Spezifikation nach Stand  der Technik, auch Netzqualität und Impedanz des versorgenden Netzes.

Struktur Komponenteneinbau

 Feldentkopplungspfade eingebauter Komponenten zur EMV

Umgebung bei bestimmungsgemäßen Gebrauch, auch abweichend von normativem Prüfaufbau

Strukturierung Verkabelung

 Überkopplung Leitungen von externen Schnittstellen zu intern direkt verbundenen Komponenten bei bestimmungsgemäßen Gebrauch, auch abweichend von normativem Prüfaufbau.

Validierung IST Zustand

Sicherstellung der Nachhaltigkeit entspr. EMV Richtlinie "Fertigungskontrolle"

Fixierung IST Zustand des Typprüflings in Bezug zu obigen Kopplungspfaden durch Bauvorschrift oder Checklisten.

Risikobetrachtung

Entsprechend Schnittstellen EMV RL

Einzelmaßnahmen

 

Risikobetrachtungsziel Risiko Ursachen bei bestimmungsgemäßen Gebrauch

 

  

Risiken durch Unterschiede zwischen normativen Prüfaufbauten und bestimmungsgemäßem Gebrauch

Beeinflussungen bei bestimmungsgemäßem Gebrauch und Einsatz Umgebung nach Stand der Technik
Risiken durch stochastische Ereignisse bei mannigfaltigen Zyklen störaussendender Störquellen und empfindlichen Störsenken
Risiken durch Veränderung von EMV Performance von Komponenten und deren konstruktiver Konfiguration im System während Serienfertigung
Risiken durch Veränderung von EMV Performance von Komponenten und deren konstruktiver Konfiguration im System während life time Gebrauch

Risikobetrachtung der qualitätsrelevanten optimalen Verfügbarkeit durch externe und INTRA EM Beeinflussung bei einer inhärent elektromagnetisch verträglichen Konstruktion

Qualitativer Anspruch an Zuverlässigkeit des Gesamtsystems (nicht gefordert durch EMV Richtlinie)

 

Kalkulation des Risikos der

  • Optimalen Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Systems
  • maximalen Sicherstellung der Nachhaltigkeit für
    • Nutzungsdauer
    • Serienfertigung
  • minimalen Kosten und Risiken bei Folgeentwicklungen

Risikobetrachtung

Entsprechend Qualitätsanspruch

Einzelmaßnahmen

 Externe Beeinflussung

 Festlegung EMV Umgebung durch techn. Spezifikation nach Stand

der Technik, auch Netzqualität und Impedanz des versorgenden

Netzes.

Struktur Komponenteneinbau

 Feldentkopplungspfade eingebauter Komponenten zur EMV

Umgebung und zu benachbarten Komponenten mit unterschied-

licher Störrelevanz.

Strukturierung Verkabelung

 Leitungen von Schnittstellenverbindungen unterschiedlicher

Störrelevanz untereinander.

Validierung IST Zustand

Betrachtung Verfügbarkeit und

Nachhaltigkeit

Fixierung IST Zustand des Typprüflings in Bezug zu obigen 

Kopplungspfaden durch Bauvorschrift oder Checklisten.

1.1 Risikobeurteilung der Komplexität eines Systems

 

Die Risikopriorität eines Systems durch Gefährdungsereignisse ohne Anwendung von EMV Minderungsmaßnahmen, ist von der Komplexität der Beeinflussungspfade zwischen Komponenten unterschiedlicher Störrelevanz und zwischen Leitungen unterschiedlicher Leitungsklasse abhängig.

Je höher die Komplexität umso mehr Aufwand in die Anwendung konstruktiver Detailmaßnahmen ist notwendig.

 

2. Risikobewertung

Errechnung numerischer Eintrittswahrscheinlichkeit von Fehlern ist auf Grund der Komplexität der Systeme und der mannigfachen Zyklen mit unterschiedlichen Ereignisfrequenzen deterministisch nicht möglich. Es fehlen statistische Werte bei komplexen Zyklen (Lastwechsel, Transienten, Übertragungsraten, Übertragungsfrequenzen usw.)

 

Wenn man zugrunde legt, dass durch Einhaltung normativer elektromagnetischer Grenzwerte für Geräte der Einfluss auf die Verfügbarkeit zwischen den Geräten akzeptabel ist, muss das Prinzip der Sicherstellung der Verfügbarkeit durch Sicherheitsabstände von Störaussendung und Störfestigkeit auch für gleiche Risikopriorität innnerhalb Betriebsmittel wie normativ zwischen Geräten gelten.

Prinzip Risikobetrachtung Entkopplungsabstand

  • normativ im Fernfeld übertragen auf
  • Entkopplung Nahfeld im Gerät

3. Risikobetrachtung des Systems in Bezug auf Beeinflussungspfade unterschiedlicher EM Phänomene

Die Vorgehensweise zu einer numerischen Risikobewertung EMV , kann sinngemäß analog zu dem, für die Maschinenrichtlinie normativen Verfahren aufgebaut sein.

 

In nachstehendem Text ist der analoge Abschnitt der DIN ISO/ EN 12100 in den umrandeten Kästen zum Vergleich.

Für alle Gefährdungsereignisse sind die möglichen Pfade einer Beeinflussung im System zu überlegen. Im späteren Verfahren ist die Minderung der gegenseitigen Beeinflussungsmöglichkeit zu bewerten.

 

Das Ziel der Risikobewertung muss sein, die Tiefe und den Umfang der Anwendung der konstruktiv notwendigen Detailmaßnahmen zu bewerten um zu akzeptablem Ergebnis zu kommen

 

3.1 Risikobetrachtung des Systems in Bezug auf Folgen von EM Beeinflussungen

Für jedes Gefährdungsereignis ist die Möglichkeit zur Schadensvermeidung zu identifizieren

 

3.2 Risikobetrachtung des Systems in Bezug auf Auftretenswahrscheinlichkeit von EM Beeinflussung

Für jedes Gefährdungsereignis ist die Auftretenswahrscheinlichkeit zu identifizieren

 

3.3 Risikobetrachtung des Systems in Bezug auf Entdeckungswahrscheinlichkeit von EM Beeinflussung

Die Entdeckungswahrscheinlichkeit beschreibt die Möglichkeit, vor Eintreten eines Gefährdungsereignisses aber auch nach einem eingetretenen Gefährdungsereignis, die Ursache feststellen und nachfolgende Störungen ausschließen zu können.

4. Numerische Bewertung der Risikominderung mittels FMEA Risikoprioritäts-kalkulation (failure mode and effects analysis)

 

Basis einer Risikokalkulation:

Analog DIN ISO/TR 14121-2 1 Anwendungsbereich

6 Instrumente der Risikoeinschätzung 6.4 numerische Bewertungsverfahren

6.4.2 Beispiel eines Instruments oder Verfahren der numerischen Bewertung zur Einschätzung des Risikos

SS 100 Katastrophal SS 0 geringfügig.. …

 

Bei einer FMEA Analyse sind die Kennzahlen durch eine plausible Einschätzung jeweils zwischen 1 und 10

vorzugeben. Im Gegensatz zu DIN ISO/TR 14121-2 für Maschinensicherheit 1-100 geht die FMEA Kalkulation von Kennzahlen 1 -10 aus

Dabei entspricht 1 einer positiven Einschätzung, 10 der negativsten Einschätzung.

 

Eine FMEA Risikokalkulation (failure mode and effects analysis) ist eine numerische Kalkulation, durch die ein relativer Vergleich des Risikos eines Betriebsmittels, mit dem Risiko eines bekannten sicheren Betriebsmittel möglich ist.

Die Risikoprioritätszahl RPZ, das Ergebnis der numerischen FMEA Risikokalkulation, hat zumindest den Anspruch, im Vergleich mit anderen RPZ eine Aussage im Sinne besser/ schlechter zu erlauben.

 

Diese Vorgehensweise kann zwar keine Gewissheiten und eindeutig beschreibbare Ursache-Wirkung aufzeigen, aber sie vermittelt durch relative Risikopriorität wertvolle Erkenntnisse über die Wahrscheinlichkeit ihrer Verursachung. Für jede Detailmaßnahme sind Risikominderungsfaktoren zu bewerten, die die Wahrscheinlichkeiten der 3 Kennzahlen beeinflussen können.

 

Die Risikominderungsfaktoren für die Kennzahlen A E B sind plausibel zu erstellen.

 

A für Auftretenswahrscheinlichkeit von Störbeeinflussung

E für Entdeckungswahrscheinlichkeit von Störbeeinflussung

B für Bedeutung der möglichen Fehlerfolgen

 

Um eine sachgerechte Risikoeinschätzung zu erreichen, ist eine Mindestanzahl von Stufen der Bewertung der Schwellwerte für die Wahrscheinlichkeit der Beeinflussung der Kennzahlen einzuhalten. Durch mindestens 4-5 Stufen der Schwellwerte sollen tendenziell extreme oder unterschwellige Ergebnisse vermieden werden.

 

Um eine Risikokalkulation zu ermöglichen ist eine Bezugsquelle, auf die sich die Algorithmen der Kalkulation beziehen können, festzulegen. Jede Detailmaßnahme zur Risikominderung muss durch Risikokalkulation adressierbar und mit Minderungsfaktoren versehen sein.

 

Um eine firmenquerschnittlich universelle Kalkulationssoftware anwenden zu können, sind die Werksnormen/Bauvorschriften einheitlich zu gliedern.

 

In einer Bauvorschrift sind Maßnahmen für die Entkopplungen festzulegen, die aus der Fachliteratur entnommen, durch eigene oder fremde Messungen nachgewiesen oder durch empirische Erfahrungen der vorangegangenen Projekte dokumentiert sind.

 

Die Maßnahmen müssen der Realität entsprechen und durchführbar sein.

 

Bewertbarkeit der einzelnen Detailmaßnahmen :

  • Keine Anleitungen zu theoretischen Überlegungen zu Wirkungen
  • Konstruktionsdetail praktisch anwendbar
  • Umsetzung überprüfbar durch Checklisten
  • Risiko bewertbar in FMEA Kalkulation

Die Wirkung der Beeinflussung kann sich nicht nur auf innerhalb einer Wirkungskette beschränken.

4.1 Beeinflussung der Komplexität durch Minderung der Beeinflussungspfade

Durch Zusammenfassung von Störsenken gleicher Störrelevanz in EMV Bereiche bzw. Leitungsklassen, sind die Interaktionen innerhalb dieser Einheiten nicht mehr risikoanalytisch zu betrachten. Die Anzahl der Beeinflussungspfade sinkt somit wesentlich und damit die gesamte Risikopriorität.

 

Die Betrachtung der Beeinflussungspfade ist unterschiedlich je nach Zielsetzung der Risikoprioritätskalkulation.

 

Bei Beurteilung der externen EMV nach EMV Richtlinie, sind im Unterschied zu inhärent elektromagnetisch verträglichen Konstruktionen, nur Pfade direkt zu externen Schnittstellen und Pfade zu Bereichen und Leitungen die unmittelbar zu diesen Verbindungen nach extern liegen zu betrachten.

 

4.2 Beeinflussung des Risikos durch Definitionen der Einsatzbedingungen

 

Voraussetzung für eine konstruktive EMV Planung ist es, die Umgebungsbedingungen des Systems bzgl. EMV zu definieren.

 

Risikominderung durch Festlegung EMV Einsatzbedingungen des Gesamtsystems (technische Spezifikation)

 

Im ersten Schritt ist die Risikopriorität des Gesamtsystems durch externe Beeinflussung zu mindern. Dies erfolgt durch die Festlegung der betriebsmäßigen Rahmenbedingungen für den vorgesehenen Betrieb. Die Minderungsfaktoren sind inkohärent und beziehen sich jeweils auf das Gesamtsystem

Beispiel im Maschinenbau

 

Minderungsfaktoren der FMEA Kennzahlen für alle Kennzahlen AEB

  • Netzform
  • Netzqualität
  • Überspannungs-Kategorie des versorgenden Netzes
  • Netzimpedanz ( frequenzselektiv )
  • EMV Umgebungs-Abgrenzung

 

Risikominderung durch Minderung Restrisiko

Entsprechend der Forderung durch die EMV Richtlinie sind Restrisiken durch unsachgemäße Inbetriebsetzung, Bedienung, Wartung und Instandhaltung nach Möglichkeit auszuschließen.

Für all diese Definitionen sind Risikominderungsfaktoren für die numerische Risikominderungs-Kalkulation zu bewerten und festzulegen, die sich auf die Risikopriorität des Gesamtsystems auswirken.

 

Validierung des fertigen Produktes durch INTRA EMV Überprüfung

Ist der Zustand des Typprüflings, nicht durch in Bauvorschrift vorgegebenen konstruktiven Detailmaßnahmen festgelegt, ist dieser durch eine visuelle und eventuell messtechnische Überprüfung des Ist Zustandes des Typprüflings festzulegen.

 

Durch Übernahme der dabei erkannten EMV relevanten Details in Checklisten Fertigung, soll die Nachhaltigkeit entsprechend. EMV Richtlinie sichergestellt werden.

 

4.3 Beeinflussung des Risikos der Beeinflussung durch konstruktive Minderungsmaßnahmen innerhalb der Beeinflussungspfade

 

Analog DIN ISO/TR 14121-2 / 8 Risikominderung / 8.1 Allgemeines

 

Nach konstruktiver Strukturierung von Komponenteneinbauorten in EMV Bereiche gleicher Störrelevanz und Leitungen in Kabelbündel gleicher Leitungsklasse, ist die Risikopriorität der Struktur durch Entkopplungsmaßnahmen zu minimalisieren.

Alle Maßnahmen sind als Kette kohärent verknüpft für alle Beeinflussungspfade:

  • Komponenteneinbau
  • Verdrahtung/Verkabelung

Eine Festlegung von Entkopplungsdämpfungen zwischen Geräten und Leitungen, erfordert vorab die Ermittlung von notwendigen Störabständen. zwischen den unterschiedlichen Störpegeln von Störfeldern und -strömen und Störfestigkeitsgrenzwerten von sensiblen Geräten und Datenleitungen.

 

Diese EMV Vorgaben durch die Bauvorschrift, sind durch eine EMV Vorentwurfsplanung in der Konstruktion eines Projektes umzusetzen.

Für die EMV Maßnahmen ist die Bewertungskette rückverfolgbar.

 

Beispiel

Bewertung Top down Ketten

 

Komponenteneinbauorte

  • Strukturierung in EMV Bereiche
  • Einführung SEP`s
  • EMV Maßnahmen in Bereichen
  • Feldentkopplung Komponenten
  • Entkopplung Verdrahtung / Komponenten

Verschaltung/Verdrahtung

 

  • Strukturierung in Leitungsklassen
  • Strukturierung in Baumförmige Verlegewege
  • Zusammenfassung PE Struktur mit Verdrahtung
  • Entkopplung von Leitungsklassen
  • Einführung Orthogonale Masseflächen

5. Algorithmen zur Errechnung des Ergebnisses der Risikoprioritätskalkulation für das Gesamtsystem und dessen Beurteilung

Der Risikominderungsfaktor einer Maßnahme in einem Beeinflussungspfad ist durch Multiplikation A*E*B der einzelnen Kennzahlen zu errechnen. Die Risikoprioritätszahl RPZ eines Systems ist die Addition der RPZ aller möglichen Beeinflussungspfade.

 

5.1 Beurteilung Numerischer Risikopriorität RPZ eines Systems entsprechend Forderung der EMV Richtlinie:

Der Anspruch der EMV Richtlinie umfasst nur das Auftreten von Fehlern durch externen Einflüsse und die unzulässige Beeinflussung der Umgebung durch das Betriebsmittel.

 

Kalibrierbar durch Vergleich der als akzeptabel zugrunde gelegten

Risikowahrscheinlichkeit bei einzelnen miteinander verbundenen CE konformen Geräte

 

Eine Risikokalkulation in einem numerischen FMEA Verfahren mit identischen Algorithmen muss bei Zusammenschaltung von 2 CE konform nachgewiesenen Geräten unterschiedlichster Störrelevanz in einem System, zusammen mit deren vorgesehenen Schnittstellenverbindungen unterschiedlicher Leitungsklassen ein RPZ Ergebnis entsprechend der Zielsetzung der CE Konformität nach Produktnormen ein Ergebnis „ GUT „ ergeben .

Dabei ist der bestimmungsgenäße Gebrauch für das System entsprechend den Grenzwerten für die die Geräte qualifiziert wurden voraus zu setzen.

Plausibel lässt die Schlussfolgerung zu, dass ein komplexeres System mit entsprechenden Minderungsmaßnahmen der EM Entkopplung, unterhalb dieser RPZ Zahl ebenfalls als „ GUT „ zu bewerten ist.

 

5.2 Beurteilung numerische Risikopriorität RPZ eines Systems zur Erfüllung eines optimalen Qualitätsanspruchs:

Die Risikokalkulation durch ein FMEA Verfahren, hat dafür über den Anspruch der EMV Richtlinie hinaus, eine möglichst optimale Verfügbarkeit selbst bei interner Beeinflussung des Systems sicherzustellen.

Dabei sind alle internen Beeinflussungspfade innerhalb des Systems undin die Umgebung zu betrachten.

In Bezug zu Nutzungsdauer und Komplexität

Qualitätsanspruch = Verhältnis

  • Komplexität System
  • Erfahrung aus Vorgänger Modellen

Wie aus Erfahrungen mit elektronischen / elektrischen Systemen bekannt ist, tauchen erhöhte Fehlerraten sowohl in der Zeit nach Inbetriebnahme, als auch nach langfristigem Betrieb auf.

 

Bei Systemen mit langjährigen Erfahrungen mit ähnlichen Systemen in Vorgängermodellen, steigt der positive Einfluss auf die Auftretenswahrscheinlichkeit.

 

Bei Betrachtung einer Badewannenkurve ist ersichtlich, dass eine Fehlerrate sehr viel höher als die Rate der zufälligen Fehler sein kann.

Zur Erzielung eines Qualitätsanspruchs an die optimale Zuverlässigkeit bei einem inhärent elektromagnetisch verträglichem System, ist das errechnete Ergebnis RPZ mit Minderungsfaktoren einer Badewannenkurve zu multiplizieren und erneut mit der Vorgabe für „GUT“ zu vergleichen.

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