Funktionale Sicherheit – Leiterplattendesign für Robotersteuerungen

Funktionale Sicherheits-Leiterplatten für kollaborative Robotersteuerungen müssen eines beweisen: Im Fehlerfall erkennt die Sicherheits-Leiterplatte des Cobots diesen und führt das System innerhalb der geforderten Reaktionszeit in einen definierten sicheren Zustand. Die Zertifizierung nach IEC 61508 (SIL) und ISO 13849 (PL) basiert auf Redundanz, umfassender Diagnoseabdeckung, Unabhängigkeit von Fehlern durch gemeinsame Ursachen, Isolationsintegrität und revisionssicheren Nachweisen. Leiterplattenarchitektur und Fertigungskonsistenz haben direkten Einfluss darauf, ob ein Cobot die Zertifizierung besteht und in der Serienproduktion die Anforderungen erfüllt.

Highleap Electronics unterstützt die Entwicklung sicherheitsrelevanter Elektronik durch die Abstimmung von kontrollierter Konstruktion, Montage und Verifizierung auf die für Zertifizierungsprüfungen erforderlichen Kriterien. Der Fokus liegt auf messbaren Parametern: Kanalunabhängigkeit, Isolationsabstände, zuverlässige Diagnose und eine Dokumentationsqualität, die Audits standhält – nicht nur eine funktionierende Platine. Für angrenzende Servoelektronik, die in Robotikprogrammen oft ähnliche Zuverlässigkeits- und Validierungsanforderungen stellt, siehe unsere Übersicht zur Leiterplattenbestückung für Servoantriebe von Robotergelenken.

Funktionale Sicherheitsstandards für Cobot-Steuerungen

Funktionale Sicherheitsstandards bewerten, ob die implementierte Sicherheitsfunktion die Risikoziele erfüllt und ob der Entwicklungsprozess systematisch und nachvollziehbar ist. Bei Sicherheitssteuerungen für Cobots prüfen die Gutachter, wie Entscheidungen auf Leiterplattenebene die Unabhängigkeit wahren, die Ausbreitung gefährlicher Fehler verhindern und die im Sicherheitsnachweis verwendeten Diagnoseabdeckungsansprüche ermöglichen.

• Sicherheitsintegritätsstufen (SIL): IEC 61508 definiert SIL 1–4 basierend auf der Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls. Die Sicherheitsfunktionen von Cobots zielen üblicherweise auf SIL 2 und mitunter auch auf SIL 3 ab. Dies wird durch Hardware-Fehlertoleranz, Diagnoseverfahren und systematische Steuerungen erreicht, die den FMEDA-Annahmen entsprechen.
• Leistungsstufen (PL): ISO 13849 definiert PL a–e. Viele Cobot-Anwendungen zielen auf PL d ab und verwenden typischerweise eine Architektur der Kategorie 3 (redundante Kanäle mit Überwachung) mit hoher Diagnoseabdeckung und kontrolliertem Risiko gemeinsamer Ursachen.
• Definition des sicheren Zustands: Die Zertifizierung beginnt mit einem definierten sicheren Zustand. Bei Cobots ist dies häufig ein kontrollierter Stopp, gefolgt von Drehmomententfernung oder Stromunterbrechung, wobei eine Rückmeldung bestätigt, dass der tatsächliche Zustand dem Sollzustand entspricht.
• Erwartungen an die Beweisführung: Die Prüfer genehmigen Dokumente und Prüfnachweise. Konstruktionsbegründungen, FMEA/FM(E)DA-Ergebnisse, Verifizierungsberichte und Produktionskontrollen sollten bereits während der Konstruktionsphase erstellt werden, damit beim Zertifizierungsbeginn keine Lücken entstehen.

Redundante Sicherheitsarchitektur auf der Leiterplatte

Redundanz bietet nur dann Fehlertoleranz, wenn Kanäle unabhängig bleiben und gegen Ausfälle durch gemeinsame Ursachen resistent sind. Auf der Leiterplatte wird diese Unabhängigkeit am häufigsten beeinträchtigt – beispielsweise durch gemeinsame Stromversorgung, gemeinsame Taktung, gemeinsame Leitungsengpässe oder unbeabsichtigte Kopplungen durch Masse und die Nähe zum Layout.

• Physikalische Kanaltrennung: Richten Sie für jeden Kanal klare Platzierungs- und Routingzonen mit kontrollierten Kreuzungspunkten ein. Stellen Sie sicher, dass Sperrzonen, wo erforderlich, herstellbar sind und während der CAM/DFM-Phasen eingehalten werden; koordinieren Sie dies. PCB-Herstellung Unterstützung hilft, Verstöße in späten Phasen zu verhindern.
• Unabhängige Machtdomänen: Jeder Kanal sollte über eine separate Regelung und einen separaten Schutz verfügen, damit der Ausfall einer einzelnen Komponente nicht beide Kanäle lahmlegt. Trennen Sie die Domänen frühzeitig und überwachen Sie jede Schiene.
• Unabhängigkeit von Uhr und Reset: Vermeiden Sie gemeinsam genutzte Oszillatoren oder Reset-Generierungen als Single Points of Failure. Falls eine gemeinsame Referenz verwendet wird, begründen Sie dies in der Analyse und fügen Sie Erkennungs-/Abhilfemaßnahmen hinzu.
• Bodenstrategie als Sicherheitsentscheidung: Unabhängig davon, ob getrennte Erdungen oder eine kontrollierte Einzelreferenz verwendet werden, dokumentieren Sie das Vorgehen und analysieren Sie, wie es Fehlerkopplungen verhindert und gleichzeitig die EMV-Anforderungen erfüllt.
• Signalaustausch ohne Ausbreitung: Die übergreifende Überwachung sollte verhindern, dass ein Kurzschluss oder ein dauerhafter Fehler in einem Kanal zu unsicherem Verhalten im anderen führt. Verwenden Sie Pufferung/Isolation und definierte Pull-Zustände, um das Fehlerverhalten einzuschränken.

Design der Diagnoseabdeckung und Fehlererkennung

Die Diagnoseabdeckung erfolgt nicht automatisch, sondern wird gezielt entwickelt. Sicherheitssteuerungen müssen gefährliche Fehler mit vorhersehbarem Verhalten unter dem Einfluss von Rauschen, Temperatur und Alterung erkennen. Ein durchdachtes Design ordnet jedem potenziell gefährlichen Fehler eine Erkennungsmethode und eine sichere Reaktion zu und bestätigt dies anschließend durch Verifizierungstests.

• Überwachung des Ausgabestatus: Sicherheitsausgänge (Schütz, STO, Bremse, Relais) sollten eine unabhängige Rückmeldung zur Bestätigung des Ist-Zustands aufweisen. Hilfskontakte, Strom-/Spannungsmessung oder redundante Bestätigungspfade verringern das Risiko, dass verschweißte Kontakte oder festsitzende Ausgänge unentdeckt bleiben.
• Plausibilitätsprüfung der Eingabe: Redundante Sensoren/Eingänge sollten auf Übereinstimmung, Grenzwertüberschreitungen und festsitzende Fehler geprüft werden. Toleranz- und Zeitfenster sollten definiert werden, um sowohl Fehlalarme als auch unnötige Auslösungen zu vermeiden.
• Hardware-Überwachungsschaltungen: Unabhängige Überwachungssysteme erkennen Prozessorblockaden und erzwingen einen sicheren Zustand, ohne auf Software angewiesen zu sein. Die Timing-Auslegung sollte so begründet sein, dass sie weder zu empfindlich noch zu langsam für die Sicherheitsreaktionsanforderungen ist.
• Unterstützung für Selbsttests: Tests für CPU, Speicher und Peripheriegeräte erfordern eine stabile Stromversorgung und Taktung während der Ausführung; das PCB-Design muss vorhersehbare Referenzen unterstützen, damit die Selbsttestergebnisse gültig sind.
• Kommunikationsüberwachung: Die Sicherheitskommunikation basiert auf CRC-Prüfsummen, Zählern und Timeout-Erkennung. Die Leiterplattenimplementierung sollte stabiles Timing und Signalintegrität gewährleisten, um Fehlalarme durch layoutbedingtes Jitter oder Rauscheinkopplung zu verhindern.

Isolation, Kriechstrom und Luftabstand für sichere Leiterplatten für Roboter

Isolationsbarrieren verhindern die Ausbreitung von Fehlern zwischen Domänen und stehen häufig im Fokus von Audits, da Abstands- und Leckagerisiken messbar sind. Das Leiterplattenlayout muss Kriech- und Luftstrecken nicht nur auf dem Papier, sondern auch nach Bestückung, Nachbearbeitung und Umwelteinflüssen gewährleisten.

• Spezifikation der Isolationsspannung: Wählen Sie die Isolationskomponenten anhand der Betriebsspannung zuzüglich realistischer Fehlerbedingungen und Stoßspannungsreserven aus, nicht nur anhand der nominalen Betriebsbedingungen.
• Kriech- und Freiräumungsregeln: Definieren Sie die Abstandsanforderungen für Oberflächen und innere Schichten. Ein gut kontrolliertes mehrschichtige Leiterplatte Die Konstruktion trägt dazu bei, Abstände zwischen Schichten, Ausschnitten und Ebenen einzuhalten.
• Verhalten des digitalen Trennschalters im Fehlerfall: Fehlermodi (offen, kurzgeschlossen, undefinierter Ausgang) verstehen und Empfangsschaltungen so entwerfen, dass Fehler erkannt oder auf sichere Ausgänge umgeleitet werden.
• Auswirkungen der Montage auf die Isolierung: Rückstände, Lötmittelspritzer und Beschichtungen können die effektive Kriechstromfestigkeit verringern oder Leckströme verursachen. Definieren Sie Montagekontrollen und Abnahmeverfahren, um die Isolationsintegrität zu gewährleisten.

Produktionssteuerung für sicherheitszertifizierte Leiterplatten

Die Zertifizierung erfordert den Nachweis, dass die Serienbaugruppen den analysierten Konstruktionsannahmen entsprechen. Der effektivste Ansatz besteht darin, sicherheitskritische Merkmale zu definieren und diese durch gezielte Inspektionen, Prüfnachweise und ein konsequentes Änderungsmanagement zu kontrollieren.

• Materialrückverfolgbarkeit (falls erforderlich): Bei sicherheitskritischen Komponenten (Überwachungs-ICs, Isolatoren, Referenzen, Sicherheits-E/A) sollten Beschaffungsregeln definiert und kritische Chargen-/Datumsinformationen erfasst werden, damit systematische Probleme von zufälligen Ausfällen unterschieden werden können.
• Prozessvalidierung: Die Fertigungsprozesse sollten hinsichtlich der Merkmale validiert werden, die sich auf Sicherheitsaussagen auswirken – Kanalunabhängigkeit, Isolationsintegrität und Diagnoseschaltungen – und nicht nur hinsichtlich der allgemeinen kosmetischen Qualität.
• Prüf- und Testprotokolle: Prüf- und Testnachweise in revisionsfreundlichen Formaten aufbewahren. Kontrolliert Leiterplattenmontage Dokumentationspakete tragen dazu bei, die Konsistenz der Produktion nachzuweisen.
• Änderungskontrolle: Jede Änderung an Teilen, Lieferanten, Materialien oder Prozessen sollte vor der Freigabe eine Sicherheitsfolgenabschätzung und festgelegte erneute Überprüfungsschritte auslösen.

Zertifizierungsdokumentation und Auditnachweise

Zertifizierungsstellen bewerten die Einhaltung der Vorschriften anhand von Dokumentationen. Eine umfassende Dokumentation gewährleistet die Rückverfolgbarkeit von Sicherheitsanforderungen über Konstruktionsentscheidungen, Fehleranalysen und Verifizierungsergebnisse bis hin zu Produktionskontrollen – sodass Auditoren die Logik ohne Annahmen nachvollziehen können.

• Design-Grundlagen: Erläutern Sie, warum die Leiterplattenarchitektur, die Isolationsstrategie und die Diagnoseverfahren die Sicherheitsanforderungen erfüllen. Ordnen Sie wichtige Entscheidungen nach Möglichkeit den Normen und Ihrer Definition des sicheren Zustands zu.
• FMEA-/FM(E)DA-Abdeckung: Berücksichtigen Sie PCB-bezogene Fehlerarten (Unterbrechungen/Kurzschlüsse, Lötstellenfehler, Kontaminationsleckagen, Isolationsdurchbrüche) und dokumentieren Sie die Erkennung und Behebung für jede einzelne.
• Verifizierungsprüfberichte: Liefern Sie Belege für die Reaktionszeit bei Störungen, das Diagnoseverhalten und die Durchsetzung des sicheren Zustands. Umwelt- und Stressbeeinflussung kann durch folgende Nachweise unterstützt werden: Zuverlässigkeitsprüfung wenn dies für die Robustheit im Betrieb erforderlich ist.
• Fertigungsdokumentation: Arbeitsanweisungen, Prüfkriterien und Prozessspezifikationen sollten für die Prüfer ausreichend sein, um zu bestätigen, dass die Produktionsanlagen das validierte Design umsetzen.

Bei Cobot-Programmen sind Sicherheitszertifizierung und Produktionsbereitschaft eng miteinander verknüpft: Die Leiterplatte muss auf Fehlererkennung und sichere Reaktion ausgelegt sein, und die Produktion muss dies über die gesamte Produktlebensdauer hinweg mit konsistenten Nachweisen belegen können.