Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-05-12T04:03:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2014 / O desenvolvimento de sistemas elétricos e eletrônicos permitiu a massificação do uso de dispositivos eletrônicos programáveis para comando e controle de operações de sistemas técnicos. Tais dispositivos possibilitaram o desenvolvimento de sistemas técnicos mais complexos, porém, devido a essa elevada complexidade, observou-se um aumento de acidentes causados por falhas inerentes ao controle de tais sistemas. Para se reduzir esses acidentes, foram criadas normas técnicas para sistemas de controle, cuja aplicação seja relevante a segurança, o que deu origem a segurança funcional. Segurança funcional refere-se à segurança que é mantida atráves do correto funcionamento de um sistema técnico. Diferentes segmentos industriais tem aplicado o conceito de segurança funcional, para criar máquinas e sistemas mais seguros. No setor de construção de máquinas, o uso de funções de segurança reduz o número de acidentes de trabalho, ao evitar que operadores, mantenedores e pessoas ao redor fiquem expostas aos perigos inerente das máquinas. As normas técnicos impõe requisitos quantitativos e qualitativos sobre os sistemas de controle de segurança. A norma técnica internacional IEC 61508 definiu um framework para quantificação de segurança funcional. Para cada setor industrial, normas específicas foram baseadas baseadas na IEC 61508. Esse framework é bem adequado para componentes elétricos e eletrônicos. Porém, na área de maquinário industrial, sistemas de controle são realizados não somente com tais componentes, mas também por componentes mecânicos, pneumáticos e hidráulicos, os quais apresentam um comportamento diferente de falha. Tais componentes são considerados pela norma técnica internacional ISO 13849. No entanto, os métodos de quantificação desta norma contém fortes limitações e não são completamente compreendidos pelos usuários. Este trabalho dedica-se ao estudo da norma técnica internacional de segurança funcional no setor de construção de máquinas industriais, a ISO 13849. O foco do estudo é a quantificação de falhas físicas de componentes. Falhas físicas sao quantificadas através de indicadores probabilísticos, sendo objeto de estudo da engenharia de confiabilidade. No primeiro capítulo, desenvolve-se o conceito de segurança funcional. O conceito é explorado como um todo, como uma ferramenta de redução de riscos, e posteriormente como esse conceito é aplicado no setor de construção de máquinas. O apêndice A complementa o capítulo 1 com a estrutura legal no que diz respeito à segurança de máquinas na Europa, definido pela Diretiva Europeia de Máquinas, da qual a norma técnica ISO 13849 faz parte. Ainda no capítulo 1 são identificadas as principais linhas de pesquisa, e o objetivo do trabalho é enunciado. Este trabalho, feito em parceria com a Bosch Rexroth, tem como objetivo o desenvolvimento de um método que possibilite a quatificação de índices de confiabilidade para segurança funcional utilizando distribuição de Weibull. No segundo capítulo, conceitos básicos para a compreensão do trabalho são apresentados. Os primeiros conceitos relacionam-se com conceitos da engenharia de confiabilidade, com o objetivo de esclarecer conceitos como probabilidade, confiabilidade, probabilidade de falha e construir o conceito do índice utilizado pela ISO 13849, a frequência média de falhas perigosas por hora, PFH. O apêndice B complementa esse capítulo, com uma explicação intuitiva do que é medido através do PFH. Neste capítulo também é apresentada a distribuição de Weibull, bem como métodos de cálculo de PFH. Os parâmetros para cálculo do PFH segundo a ISO 13849 são apresentados e explicados. No terceiro capítulo é apresentado como se é calculado o PFH através de simulação a eventos discretos. Um método para cálculo do PFH considerando distribuição de Weibull, para estruturas simples e estruturas redundantes, correspondendo às categorias B, 1, 3 e 4 da norma técnica ISO 13849. O apêndices C desenvolve a equação para determinaão do número mínimo de simulações para se alcançar o resultado desejado, e o apêndice D desenvolve as equações utilizadas pelo método proposto para estruturas redundantes com falha de componentes seguindo a distribuição de Weibull. Os resultados para os casos de comparação com a ISO 13849 são apresentados no apêndice E. No quarto capítulo é apresentado um exemplo de aplicação do método proposto em uma máquina hidráulica simples do Laboratório de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos (LASHIP), da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). A determinação do PFH e subsequentemente do PL é realizada através do procedimento dado pela norma e pelo método proposto. Utilizando-se o método proposto, foi possível calcular PFH para intervalos de utilização diferente do considerado pela ISO 13849, bem como reconhecer o efeito do desgaste do componente, caracterizado pela distribuição de Weibull. No quinto capítulo é apresentado uma visão geral de como integrar o cálculo de PFH com distribuição de Weibull com o processo de desenvolvimento de uma máquina, baseado em experiência com a Bosch Rexroth. No capítulo de conclusão é analisado o potencial de se realizar análises mais realistas, e as limitações do método proposto, sendo adequado apenas para máquinas o subsistemas produzidos em série, devido ao requerimento de dados de campo para extrair os parâmetros da distribuição de Weibull para cada componente. Analisa-se também como que a pesquisa desenvolvida se encaixa na linha de pesquisa explicitada no primeiro capítulo, e qual a relevância para o cenário brasileiro. Adicionalmente, sugestões para trabalhos futuros são feitas. / Abstract : The IEC 61508 standard series defined a framework for quantification of functional safety. For each particular industry sector, specific standards are being developed based on it. This framework is well suited for
electrical and electronic components. However, in the field of machinery, control systems are realized not only by such components, but also by mechanical, pneumatic and hydraulic components, which exhibit a different failure behavior. Such components are considered by the ISO 13849 standard. However, quantification methods of this standard are still not quite well understood by the users, and have strong limitations. This work presents a study an alternative method of how to calculate the average frequency of dangerous failures (PFH), required
by ISO 13849 in order to achieve a Performance Level (PL). This alternative method includes modeling safety functions as Reliability Block Diagram and evaluation of PFH using the software BlockSim, through Discrete Event Simulation. Modeling hypothesis and limitations are discussed. The proposed method enables calculation of the standard s cases, as well as consideration of different failure distributions, of which Weibull distribution is considered. A study case considering Weibull distributed failures is presented. Applicability of the method is also
discussed.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/132745 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Kuhlhoff, Igor Ribeiro |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Moreno, Ubirajara Franco |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | 152 p.| il., tabs., grafs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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