MTTF / MTTF_d berechnen

In diesem Tutorial soll gezeigt werden, wie man den MTTF-Wert berechnen kann. Die Berechnung des MTTF-Werts wird bei der Risikobeurteilung erforderlich, so wie es in der Norm EN ISO 13849  beschrieben wird.

Was ist der MTTF-Wert?

Der MTTF-Wert ist ein Begriff aus dem Bereich der Risikoanalyse & Gefährdungsbeurteilung. Die genaue Bedeutung von MTTF ist Mean Time To Failure, was zu Deutsch so viel bedeutet wie „mittlere Betriebsdauer bis zum Ausfall“ oder vereinfacht ausgedrückt die mittlere Lebensdauer einer Komponente.

Die MTTF hat durch die EN ISO 13849-1 besonders hohe Bedeutung erlangt, da man entsprechend dieser Norm den Performance Level auf Basis der MTTF berechnen kann. Das bedeutet, dass dieser Wert für die Risikobeurteilung von Maschinen und Anlagen verwendet wird. Somit ist der Wert auch für die CE-Kennzeichnung wichtig, da innerhalb der Konformitätsuntersuchungen auch die Maschinensicherheit bewertet werden muss.

Was ist der MTTF_d-Wert?

Wichtig in diesem Zusammenhang ist auch die sogenannte MTTF_d. Bei der MTTF_d handelt es sich um „Die mittlere Zeit bis zum gefahrbringenden Ausfall“. Ausgeschrieben bedeutet MTTF_d „Mean Time To Dangerous Failure“.

Entsprechend der Norm DIN EN 13849-1 wird der MTTF_d-Wert von technischen Schutzmaßnahmen in drei Bereiche unterteilt: niedrig, mittel und hoch (siehe Tabelle unten).

Quelle DIN EN ISO 13849-1 Kapitel 4.5.2

Unterschied zwischen MTTF und MTTF_d

Der Unterschied zwischen MTTF und MTTF_d ist, dass der MTTF-Wert nur neutral die mittlere Lebensdauer eines Bauteils angibt, während der MTTF_d-Wert bereits die Betriebsdauer bis zu einem gefahrbringenden Fehler aufzeigt. Das heißt, dass hier nur solche Ausfälle betrachtet werden und in den Performance Level einfließen, welche die Sicherheitsfunktion betreffen. Ungefährliche Ausfälle können zwar zum Maschinenschaden führen, sind jedoch für die Sicherheitsbetrachtung innerhalb der Risiko- und Gefährdungsbeurteilung nicht relevant.
In redundanten Strukturen gilt jedoch auch der Ausfall eines einzelnen Kanals bereits als Situation, die als gefahrbringend betrachtet wird, selbst wenn ein zweiter Kanal noch in der Lage ist die Sicherheitsfunktion auszuführen.

Was erhält einen MTTF_d-Wert?

Eine MTTF_d können einzelne Bauteile besitzen (z.B. Ventil, Transistor, Schütz), aber auch die Steuerungen, ein Kanal sowie Baugruppen. Es kann auch eine Gesamt MTTF_d gebildet werden, welche für einen Kanal gilt und auf der MTTF_d aller sicherheitsbezogenen Teile der Steuerungen (SRP/CS) basiert.

Woher bekommt man die MTTF und MTTF_d?

Die MTTF erhält man für einzelne Bauelemente (z.B. Ventil, Schütz) in der Regel direkt vom Hersteller, da dieser die gemittelte Lebensdauer für seine Maschinenelemente kennen sollte. Allerdings kann der Teilehersteller nicht den MTTF_d-Wert liefern, da er schließlich nur weiß, wann sein Bauteil im Durchschnitt ausfällt, nicht jedoch, ob dieser Ausfall einen gefährlichen Ausfall darstellt. Dies ist ganz individuell von der einzelnen Funktion abhängig. Zudem kann die Anordnung und Anreihung von mehreren Elementen ebenso einen Einfluss auf die Gesamt-Zeitspanne bis zu einem gefährlichen Ausfall haben. Vor allem auch die Möglichkeit eine Funktion zweikanalig und somit redundant auszuführen, hat einen erheblichen Einfluss auf den MTTF_d-Wert des Gesamtsystems.

Das bedeutet, dass der MTTF_d von demjenigen ermittelt werden muss, der die Maschine / Anlage mit dem entsprechenden Bauelement entwickelt und auch die dabei konstruierten Sicherheitsfunktionen plant. Es handelt sich hier zumeist um den Entwickler oder den Konstrukteur. Dieser kann die MTTF_d berechnen. Welche Formeln hierzu verwendet werden können, erfahren Sie im Folgenden.

Ermittlung der MTTF

Beim MTTF-Wert handelt  es sich um eine statistische Kennzahl/Kenngröße bzw. einen Mittelwert. Die Ermittlung erfolgt über Versuche und Erfahrungswerte und gibt somit keine Garantie auf eine bestimmte Lebensdauer. Der Wert bezieht sich auch nicht nur auf das gerade vorliegende Einzelbauteil, sondern auf ein typisches Bauteil. Die Berechnung der MTTF erfolgt aus der Zuverlässigkeitsfunktion R(t). Wird die Zuverlässigkeitsfunkton bei einer reparierten Komponente angewendet, so geht man davon aus, dass die Komponente nach der Reparatur neuwertig ist.

Wichtig zu wissen ist auch, dass der Mittelwert der Lebensdauer nur innerhalb der spezifizierten Einsatzbedingungen gilt. Wird die Komponente unter anderen Einsatzbedingungen betrieben – z.B. bei höherer Temperatur, Last oder auch anderem Klima – so gilt der genannte MTTF_d-Wert nicht mehr.

Berechnung der MTTF_d für eine Sicherheitsfunktion

MTTF_d berechnen für mechanische Komponenten

Die Berechnung der MTTF_d für mechanische Komponenten erfolgt mit Hilfe des sogenannten B_10d-Werts. Der B_10d-Wert bezeichnet die nominale Lebensdauer. Es handelt sich hier um die mittlere Zahl von Schaltspielen, nach welcher bis zu 10% der betrachteten Einheiten gefahrbringend ausgefallen sind.

MTTF_d berechnen für elektronische Komponenten

Zur Berechnung der MTTF_d von elektronischen Sicherheitsfunktionen mit nur einem Kanal kann man folgende Formel verwenden.

MTTF_d für einen Kanal:

Auch um die MTTF_d von gesamten Sicherheitsfunktionen mit zwei Kanälen (Redundanz) zu berechnen existieren Methoden, die der Entwickler selbst anwenden kann. Um die MTTF_d zu berechnen, muss zuerst jeder redundante Kanal einzeln berechnet werden. Es wird danach ein Gesamt-Wert berechnet. Die Formel für die Berechnung des Gesamt-MTTF_d-Werts finden Sie hier.

MTTF_d für zwei redundante Kanäle:

Dieser ermittelte Wert ist ein qualitativer Wert der Sicherheitsfunktion und wird in Jahren angegeben. Nach der Norm DIN EN 13849-1 ist der MTTF-Wert von technischen Schutzmaßnahmen in drei Bereiche unterteilt: niedrig, mittel und hoch (siehe auch Tabelle oben).