Wie berechnet man den Performance Level einer Maschine?

Den Performance Level einer Maschine berechnet man, indem man zunächst den erforderlichen Performance Level (PLr) aus einer Risikobeurteilung ableitet und anschließend den tatsächlich erreichten PL der Sicherheitsfunktion anhand definierter technischer Kenngrößen ermittelt. Beide Werte müssen verglichen werden: Der erreichte PL muss mindestens dem PLr entsprechen. Die Grundlage dafür bildet die Norm ISO 13849-1, die ein strukturiertes Verfahren zur Bewertung der Maschinensicherheit vorschreibt. Die folgenden Abschnitte erklären jeden Schritt dieser Berechnung im Detail.

Welche Norm liegt der Performance-Level-Berechnung zugrunde?

Die PL-Berechnung basiert auf der Norm ISO 13849-1 („Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen“). Diese internationale Norm legt fest, wie sicherheitsbezogene Steuerungsfunktionen zu bewerten und zu dokumentieren sind. Sie gilt für Maschinenbauer und Integratoren gleichermaßen und ist in der EU durch die Maschinenrichtlinie harmonisiert.

ISO 13849-1 löste ältere Ansätze wie die EN 954-1 ab und führte eine probabilistische Betrachtungsweise ein. Das bedeutet: Statt rein struktureller Kategorien (wie Kategorie B bis 4) werden nun messbare Ausfallwahrscheinlichkeiten in die Bewertung einbezogen. Ergänzend dazu existiert die IEC 62061, die einen alternativen Ansatz über den Safety Integrity Level (SIL) bietet. Für viele Maschinenbauanwendungen ist ISO 13849-1 jedoch der bevorzugte Standard, da er besonders gut auf mechanisch-elektrische Steuerungsarchitekturen zugeschnitten ist.

Wichtig: Die Norm beschreibt nicht nur die Berechnung, sondern auch die gesamte Dokumentationspflicht. Wer eine Maschine in den Verkehr bringt, muss nachweisen können, dass die sicherheitsbezogenen Steuerungsfunktionen den ermittelten PLr erreichen.

Was sind die fünf Performance Level und was bedeuten sie?

Die fünf Performance Level reichen von PL a bis PL e und beschreiben die Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls pro Stunde (PFHd). PL a steht für die geringste Sicherheitsanforderung, PL e für die höchste. Je kritischer die Gefährdung, desto höher muss der geforderte Performance Level sein.

Die konkreten Grenzwerte der PFHd lauten:

PL a: PFHd von 10⁻⁵ bis 10⁻⁴ (geringe Sicherheitsanforderung)
PL b: PFHd von 3×10⁻⁶ bis 10⁻⁵
PL c: PFHd von 10⁻⁶ bis 3×10⁻⁶
PL d: PFHd von 10⁻⁷ bis 10⁻⁶ (hohe Sicherheitsanforderung)
PL e: PFHd von 10⁻⁸ bis 10⁻⁷ (höchste Sicherheitsanforderung)

In der Praxis begegnen Maschinenbauern vor allem PL c, d und e. PL d ist beispielsweise typisch für Schutzeinrichtungen an Roboterzellen oder Pressen, während PL e für besonders kritische Anwendungen wie Not-Halt-Systeme an großen Anlagen gefordert werden kann. PL a und b kommen bei geringem Verletzungsrisiko vor, etwa bei einfachen Positionsüberwachungen ohne direktes Gefährdungspotenzial.

Wie wird der erforderliche Performance Level (PLr) ermittelt?

Der erforderliche Performance Level (PLr) wird aus einer Risikobeurteilung nach ISO 13849-1 mithilfe eines Risikographen abgeleitet. Dabei bewertet man jede Gefährdungssituation anhand von drei Parametern: Schwere der Verletzung (S), Häufigkeit der Exposition (F) und Möglichkeit zur Vermeidung (P).

Der Risikograph funktioniert wie folgt:

Schwere der Verletzung (S): S1 steht für leichte, reversible Verletzungen; S2 für schwere, irreversible Verletzungen oder den Tod.
Häufigkeit der Exposition (F): F1 bedeutet seltener oder kurzer Aufenthalt im Gefahrenbereich; F2 steht für häufigen oder dauerhaften Aufenthalt.
Möglichkeit zur Vermeidung (P): P1 bedeutet, die Gefährdung ist unter bestimmten Bedingungen vermeidbar; P2 bedeutet, sie ist kaum oder gar nicht vermeidbar.

Aus der Kombination dieser drei Parameter ergibt sich direkt ein PLr zwischen a und e. Beispiel: Eine Gefährdung mit S2, F2 und P2 führt zu PLr e, während S1, F1 und P1 zu PLr a führt. Die Risikobeurteilung muss für jede einzelne Sicherheitsfunktion separat durchgeführt werden, da unterschiedliche Funktionen an derselben Maschine unterschiedliche PLr-Werte haben können. Eine sorgfältige Risikobeurteilung für Steuerungssysteme bildet damit das Fundament der gesamten PL-Berechnung.

Welche technischen Kenngrößen bestimmen den erreichten Performance Level?

Der tatsächlich erreichte Performance Level einer Sicherheitsfunktion ergibt sich aus dem Zusammenspiel von vier technischen Kenngrößen: der Strukturkategorie (Kategorie B, 1, 2, 3 oder 4), dem mittleren Zeitraum bis zum gefährlichen Ausfall (MTTFd), dem Diagnosedeckungsgrad (DC) und der Anfälligkeit für Fehler gemeinsamer Ursache (CCF).

Strukturkategorie (Kategorie)

Die Kategorie beschreibt den strukturellen Aufbau der Sicherheitsfunktion. Kategorie B und 1 sind einkanalige Systeme ohne oder mit hochwertigen Komponenten. Kategorie 2 fügt eine Testfunktion hinzu. Kategorie 3 und 4 sind redundante, zweikanalige Architekturen, die auch bei einem Einzelfehler die Sicherheitsfunktion aufrechterhalten. Die Kategorie bestimmt maßgeblich, welcher PL überhaupt erreichbar ist.

MTTFd, DC und CCF

Der MTTFd (Mean Time To Dangerous Failure) gibt an, wie lange eine Komponente im Mittel bis zu einem gefährlichen Ausfall arbeitet. Er wird in Jahren angegeben und in drei Stufen eingeteilt: niedrig (3 bis 10 Jahre), mittel (10 bis 30 Jahre) und hoch (30 bis 100 Jahre). Hersteller geben MTTFd-Werte in ihren Datenblättern an.

Der Diagnosedeckungsgrad (DC) beschreibt, wie gut ein System seine eigenen Fehler erkennen kann. Er reicht von „keiner“ (DC < 60 %) bis „hoch“ (DC ≥ 99 %). Ein hoher DC setzt aktive Diagnosemaßnahmen voraus, etwa Querschlussüberwachung oder zyklische Tests.

Die CCF-Maßnahmen (Common Cause Failure) betreffen redundante Systeme: Sie verhindern, dass beide Kanäle durch denselben Auslöser gleichzeitig ausfallen. Maßnahmen umfassen Diversität der Technologie, physische Trennung oder erhöhte Schutzart.

Welche Software-Tools unterstützen die PL-Berechnung?

Das am weitesten verbreitete Software-Tool für die PL-Berechnung nach ISO 13849-1 ist SISTEMA (Safety Integrity Software Tool for the Evaluation of Machine Applications), das die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) kostenlos bereitstellt. SISTEMA führt die Berechnungen strukturiert durch und erzeugt eine normkonforme Dokumentation.

SISTEMA erlaubt es, Sicherheitsfunktionen in Subsysteme und Blöcke zu untergliedern, Herstellerdaten direkt aus Bibliotheken zu importieren und den erreichten PL automatisch zu berechnen. Viele Komponentenhersteller bieten eigene SISTEMA-Bibliotheken an, die zertifizierte MTTFd- und B10d-Werte enthalten. Das vereinfacht die Datenbeschaffung erheblich.

Neben SISTEMA existieren herstellerspezifische Tools wie der Safety Designer von Pilz oder das Safety Evaluation Tool von Sick. Diese sind oft stärker auf die eigenen Produktfamilien zugeschnitten, bieten aber eine ähnliche Funktionalität. Für komplexe Anlagen mit vielen Sicherheitsfunktionen empfiehlt sich SISTEMA aufgrund seiner Herstellerunabhängigkeit und der breiten Akzeptanz bei Prüfstellen und Berufsgenossenschaften. Wir bei KSV setzen bei der Sicherheitsbewertung von Steuerungssystemen ebenfalls auf SISTEMA als zentrales Berechnungswerkzeug.

Was passiert, wenn der erreichte PL den PLr nicht erfüllt?

Wenn der erreichte Performance Level unter dem geforderten PLr liegt, darf die Maschine in dieser Konfiguration nicht in Betrieb genommen werden. Der Maschinenbauer oder Integrator ist verpflichtet, die Sicherheitsfunktion so anzupassen, dass der PLr erreicht oder übertroffen wird.

Mögliche Maßnahmen zur Verbesserung des erreichten PL sind:

Erhöhung der Strukturkategorie: Wechsel von einem einkanaligen zu einem zweikanaligen Aufbau (z. B. von Kategorie 1 auf Kategorie 3)
Einsatz höherwertiger Komponenten: Auswahl von Bauteilen mit höherem MTTFd-Wert
Verbesserung der Diagnose: Integration von Selbsttestfunktionen zur Erhöhung des DC
Gezielte CCF-Maßnahmen: Physische Trennung, Verwendung unterschiedlicher Technologien in redundanten Kanälen
Risikominderung durch konstruktive Maßnahmen: Wenn technische Maßnahmen an der Steuerung nicht ausreichen, kann eine Anpassung der Maschinenkonstruktion den PLr reduzieren

Es ist wichtig zu verstehen, dass der Nachweis der PL-Erfüllung nicht einmalig ist. Bei Änderungen an der Maschine, am Steuerungssystem oder an einzelnen Komponenten muss die Berechnung aktualisiert und erneut dokumentiert werden. Sicherheitstechnik ist kein statisches Ergebnis, sondern ein kontinuierlicher Prozess über den gesamten Lebenszyklus der Anlage.

Wie KSV bei der Performance-Level-Berechnung unterstützt

Wir bei KSV begleiten unsere Kunden bei der vollständigen Umsetzung der Maschinensicherheit nach ISO 13849-1, von der ersten Risikobeurteilung bis zur abschließenden Dokumentation. Unser Team berücksichtigt in jedem Projekt die einschlägigen Regelwerke zur Industrial Safety und setzt dabei auf bewährte Werkzeuge wie SISTEMA für eine nachvollziehbare und normkonforme PL-Berechnung.

Konkret unterstützen wir unsere Kunden mit:

Erstellung von Sicherheitskonzepten und Gefährdungsbeurteilungen für Maschinen und Produktionsanlagen
Ermittlung des PLr auf Basis einer strukturierten Risikoanalyse für jede einzelne Sicherheitsfunktion
Berechnung des erreichten PL mit SISTEMA, inklusive Auswahl und Bewertung geeigneter Sicherheitskomponenten
Planung und Realisierung sicherheitsbezogener Steuerungsarchitekturen, vom einzelnen Sicherheitsrelais bis zur programmierbaren Sicherheitssteuerung
Vollständige Dokumentation für Prüfstellen, Berufsgenossenschaften und Behörden

Ob Neuanlage, Retrofit oder Erweiterung einer bestehenden Fertigungslinie: Wir denken Sicherheitstechnik und Automatisierungstechnik gemeinsam und entwickeln Lösungen, die technisch sicher und wirtschaftlich sinnvoll sind. Sprechen Sie uns an, damit wir gemeinsam prüfen, wie wir Ihre Maschinensicherheit auf den richtigen Performance Level bringen.