Dźwiarek Marek: Supporting tools for risk assessment during the machine design process. Narzędzia wspomagające ocenę ryzyka przy projektowaniu maszyn. 199

SUPPORTING TOOLS FOR RISK ASSESSMENT

DURING THE MACHINE DESIGN PROCESS

NARZĘDZIA WSPOMAGAJĄCE OCENĘ RYZYKA

PRZY PROJEKTOWANIU MASZYN

Central Institute for Labour Protection - National Research Institute Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy

07-701 Warszawa ul. Czerniakowska 16 e-mail: madzw@ciop.pl

Abstract. According to directive 2006/42/WE published in 2006 a machine

manufacturer should ensure that the risk assessment is carried out to determine the occupational safety and health requirements applicable to the machine. A very important issue the researchers should deal with consists in supplying the designers with tools supporting both carrying out and documenting the risk assessment. The research project PRO-M aims at developing software tools facilitate the management of the risk assessment related activities in consecutive stages of the machine design process.

Keywords: safety of machinery, risk assessment, design of machinery, conformity

assessment

Streszczenie: Opublikowana w 2006 roku dyrektywa 2006/42/WE stanowi, że

producent maszyny musi zapewnić przeprowadzenie oceny ryzyka w celu określenia wymagań w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa, które mają zastosowanie do maszyny. Dlatego istotnym jest zapewnienie projektantom maszyn narzędzi wspomagających prowadzenie i dokumentowanie oceny ryzyka. Opracowanie narzędzi programowych wspomagających zarządzaniem oceną ryzyka w poszczególnych etapach projektowania jest głównym celem projektu badawczego PRO-M

Słowa kluczowe: bezpieczeństwo maszyn, ocena ryzyka, projektowanie maszyn,

SUPPORTING TOOLS FOR RISK ASSESSMENT

DURING THE MACHINE DESIGN PROCESS

1.

Introduction

Each time when designing a machine the designer aims at making it as effective and efficient as possible. There are well–justified both economical and practical reasons behind that. However, in the process of reaching the goals one cannot neglect a very important issue consisting in the safety of machine operator. Technological progress allows for constructing machines that are safe more and more. However, from the available statistical analyses it can be easily seen that the accidents that happened in machine operation have been still posing a serious problem in view of both their economical and social consequences. (see [1]). That means that if a machine poses a hazard it is obvious that negative consequences of the events happened due to the hazard are unavoidable. Therefore, it is of crucial importance that the machines should be designed and manufactured in which the risk has been reduced to the lowest possible level in view of the state of the art in the field. The most effective tool for reaching of the aforementioned goal consists in making the risk assessment as early as possible in the course of machine design process. That was also included into amended Machinery Directive 2006/42/WE [3], according to which a machine manufacturer should ensure that the risk assessment is carried out to determine the occupational safety and health requirements applicable to the machine. Therefore, each machine should be designed and manufactured in the way ensuring that the risk assessment results have been considered. Additionally, a new procedure for assessing the conformity of machinery by full quality assurance, introduced in the directive, specifies that a notified body examines the applied design procedure, including the risk assessment. Therefore, the fact that manufactures should make risk assessment appears not only as a result of good engineering practice but is also imposed as a requirement in the regulations specifying the rules for placing the machine on the market. A very important issue the researchers should deal with consists in supplying the designers with tools supporting both carrying out and documenting the risk assessment. The development of software tools supporting the processes of carrying out and documenting of the assessment is the main goal the research project PRO-M aims at. The project consortium comprises 7 scientific centres: Central Institute for Labour

Protection - National Research Institute (Co-ordinator), Mining Mechanization Centre, The Institute Of Advanced Manufacturing Technology, Metal Forming Institute, Polish Foundry Research Institute, Polish Packaging Research And Development Centre and TMBK Partners.

2. General methodology of risk assessment

The process of risk assessment provides a designer with most important information necessary for taking decisions about the safety ensuring methods to be applied. It is an iterative procedure, that should be followed at particular consecutive stages of the machine life cycle. Basic principles for risk reduction are specified in standard PN-EN 1050:1999 [4]. When planning the risk assessment related activity one should take also standard ISO 14121:2007 [5] into account. Fig. 1 shows the scheme of risk assessment methodology specified in the aforementioned documents.

Fig. 1. General methodology of risk assessment

The risk assessment process comprises the following consecutive activities: machinery identification, determination of the limits of the machinery, hazard identification, risk estimation and a decision about risk reduction. The risk assessment should be carried out for each identified hazard separately. Different methods for risk assessment can be used for different hazards. Usually, the nature of hazard determines the way of risk level estimation. All the risk assessment related operations should be documented. The applied risk assessment procedure together with the results obtained should appear in the documentation. Depending on the considered machine the documentation should comprise:

- identification of machinery,

- description of the identified hazards and hazardous situations,

- description of safety measures applied,

- information on residual risk,

- results of risk assessment.

The form of each document depends on a particular identified hazard. However, all the documents produced in the course of risk assessment process should fit into a uniform whole.

Fig. 2. Structure of developed software tools supporting risk assessment during machine design

3. Structure of the developed software

The principles gives above paved the way of defining a structure of a computer program which can support the risk assessment at the machine design stage (Fig. 2). One should emphasize the following features of the system:

1. modular structure,

2. main module provides a tool for managing of the risk assessment

3. particular modules deal with common hazards: mechanical,

electrical, related to control system fault, noise-related, explosion-related, biomechanical and dust-related.

The program action starts at the main module level. The module collects general information about the design and supervises the processes of

documentation as well as information sharing between the particular modules. Fig. 3 shows the structure of main module. Elements of the main module are marked with a thickened line. According to the general methodology of risk assessment the fist operation consist in machine identification. Initial identification of the machine to be designed is necessary for the effective design management.

Fig. 3. Structure of main module

The folder called „Determination of the machinery limits” serves for introducing a general information about the machine to be designed. It provides texts fields for putting the information about:

- intended use of the machine;

- basic parameters from the specification sheet;

- machine operation in different operation modes, including

maintenance and repairs;

- foreseeable misuse of the machinery.

In the course design process development the data could be completed and modified. The information the main module provides in of a general nature, however, it can be detailed and given in a more precise way in particular modules, depending on their requirements. The folder „Determination of the machinery limits” should be detailed enough to allow for identification of hazards generated by the machine.

4. Managment of the risk assessment

When developing the software the Authors concentrated their attention on the simplicity of the risk assessment managing process as well as on a straightforward documentation procedure. For that reason the program was developed to be applied to multi-workstation-operations. As an option different people can work with particular modules. A monitored access to

the information gathered in particular modules ensures that the process is under control.

The risk assessment is managed at the main module level. The program distinguishes the following kinds of users:

- administrator : opens and edits the designs, manages the risk

assessment at the level of main module, carries out initial hazard identification, grants the access rights to other persons involved in the design process, develops final risk assessment documentation;

- designer : has the access right to the module specified by the

administrator, conducts the risk assessment within the module, produces the documentation of the assessment made and forwards the obtained results to the main module;

- validator : has the access right to the module specified by the

administrator, conducts the design validation and checks the documentation produced by the designer;

- database editor : has the right to modify and complete the

information in databases.

One person can be granted with different rights. A documentation developed by a particular person is part of the machine documentation. A designer conducts the risk assessment for a particular hazard and forwards the information about proposed safety means to the designer in chief, who analyses the problem at the level of main module and, if necessary verifies the hazard identification. The operation is repeated at the stage of detailed design and after the machine has been designed.

The final result the procedure aims at consists in ensuring that basic safety requirements are satisfied. In each in particular modules the risk analysis is conducted in view of a given hazard resulting in the determination of necessary protective means, at the same time the documentation if produced bringing about solutions that can ensure meeting the respective basic requirements. The applied basic requirements and normative references are determined at the level of detail-related modules. According to directive 2006/42/WE [3] the manufacturer should also list the essential safety requirements that apply to the machine. It was proved in [2] that a checklist is the most suitable form of the aforementioned list. The checklist provides the possibility of indicating particular requirements, applied normative references as well as references to the document specifying the implemented protective means for elimination of the identified risk.

5. Conclusion

The principles for risk assessment to be conducted at the machine design stage developed in the course of the project were verified by means of their application to the design of the following three machines

woodworking machine: cutt-off saw, mining machine: heading machines, packing machine: tube cutting machine.

The risk assessment documentation has been produced for each design. The machine designers performed the verification. They also judged the developed risk assessment principles in terms of filling in the corresponding questionnaire. Both the verification results and the questionnaires obtained have proved that the developed tools allow for risk assessment for particular hazards as early as at the machine design stage making it at the same time much more easy to produce the documentation required by the machinery directive. Moreover, the designers emphasized the usefulness of particular modules together with the fact that they satisfy perfectly the needs of machine designers. The developed software attracted much attention among machine designers, many inquires have been received. The software will be available in the fourth quarter of 2008. It is planned that the software will be improved in the near future comprising modules that reveal other hazards posed by machinery depending on the users’ needs.

The paper presents part of the research conducted within the special research projecty “Systematic tool for risk assessment in the machine design process” supported by the EU within the Sector Operational Programme "Improvement of the Competitiveness of Enterprises, years 2004-2006", Priority 1 – Enhancement of a knowledge-based economy business environment, Measure 1.4 Strengthening of co-operation between the R&D sphere and the economy.

Literature

1. Dźwiarek M.: An analysis of Accident Caused by Improper Functioning of Machine

Control Systems. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics, 10

(2004), nr 2, pp. 129-136

2. Dźwiarek M.: Documenting functional safety as a part of conformity documentation according to Machinery Directive. In: Production Engineering Knowledge Vision

-Framework Programmes E. Chlebus (ed.). Oficyna Wydawnicza Politechniki

Wrocławskiej, ISBN 83-7085-989-5, pp. 141-147. Wrocław, 2006.

3. Directive 2006/42/Ec Of The European Parliament And Of The Council of 17 May 2006 on machinery, and amending Directive 95/16/EC (recast) Official Journal of the

European Union, L 157/24 - 86, 9.6.2006

4. EN 1050:1999 Safety of machinery - Risk assessment - Part 1: Principles. 5. ISO 14121:2007 Safety of machinery - Risk assessment - Part 1: Principles

NARZĘDZIA WSPOMAGAJĄCE OCENĘ RYZYKA

PRZY PROJEKTOWANIU MASZYN

1.

Wstęp

Podstawowym celem którym kieruje się projektant jest zaprojektowanie maszyny możliwie najbardziej efektywnej i wydajnej. Jednak przy realizacji tego celu nie można zapominać o szczególnie istotnej kwestii, jaką jest bezpieczeństwo operatora maszyny. Postęp techniczny umożliwia budowanie maszyn coraz bardziej bezpiecznych. Pomimo to statystyki wskazują, że wypadki przy obsłudze maszyn nadal stanowią istotny problem zarówno społeczny, jak i ekonomiczny (patrz. [1]). Tak więc należy założyć, że jeżeli maszyna stwarza zagrożenie, to wcześniej lub później nastąpi wydarzenie powodujące szkody związane z tym zagrożeniem. Dlatego też istotne znaczenie ma projektowanie i wytwarzanie maszyn przy obsłudze których zagrożenia są ograniczone tak dalece, jak to jest możliwe. Najskuteczniejszym działaniem zmierzającym do tego celu jest prowadzenie oceny ryzyka na możliwie wczesnym etapie projektowania maszyny. Zostało to także uwzględnione w znowelizowanej dyrektywie maszynowej 2006/42/WE [3], która wymaga aby producent maszyny zapewnił przeprowadzenie oceny ryzyka w celu określenia wymagań w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa, które mają zastosowanie do maszyny. Zatem maszyna musi być zaprojektowana i wykonana z uwzględnieniem wyników oceny ryzyka, która powinna być udokumentowana. Ponadto, wprowadzona w tej dyrektywie procedura oceny zgodności poprzez pełne zapewnienie systemu jakości przewiduje, że jednostka notyfikowana sprawdza zastosowane procedury projektowania, w tym wyniki oceny ryzyka. Tak więc konieczność prowadzenia oceny ryzyka przez projektanta maszyny wynika nie tylko z dobrej praktyki inżynierskiej, ale stanie się obligatoryjnym wymaganiem przepisów określających zasady dopuszczenia maszyny na rynek. Opracowanie narzędzi komputerowych wspomagających prowadzenie i dokumentowania takiej oceny jest głównym celem projektu badawczego PRO-M, realizowanego przez konsorcjum w skład którego wchodzi 7 jednostek badawczo-rozwojowych: Centralny Instytut ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy, koordynator i beneficjent projektu, Centrum Mechanizacji Górnictwa KOMAG, Centralny Ośrodek Badawczo –

Rozwojowy Opakowań COBRO, Instytut Obróbki Plastycznej INOP, Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania IZTW, Instytut Odlewnictwa IOD, Fundacja Partnerstwa Technologicznego Technology Partners.

2. Ogólna metodyka oceny ryzyka

Ocena ryzyka jest procesem pozwalającym na uzyskanie najistotniejszych informacji niezbędnych do podejmowania decyzji dotyczących metod zapewniania bezpieczeństwa. Jest ona procesem iteracyjnym, który powinien być wykonywany w poszczególnych etapach cyklu życia maszyny. Podstawowe zasady redukcji oceny ryzyka formułuje norma PN-EN 1050:1999 [4]. Przy planowaniu działań związanych z oceną ryzyka należy także uwzględnić normę ISO 14121:2007 [5]. Na rys. 1 przedstawiono schematycznie ogólną metodykę prowadzenia oceny ryzyka określoną w tych dokumentach.

Rys. 1. Schemat ogólnej metodyki prowadzenia oceny ryzyka

Działania wykonywane w ramach oceny ryzyka obejmują kolejno: identyfikację maszyny, określenie ograniczeń dotyczących maszyny, identyfikację zagrożeń, oszacowanie ryzyka i określenie konieczności redukcji ryzyka. Ocenę ryzyka należy przeprowadzać niezależnie dla każdego zidentyfikowanego zagrożenia. W przypadku różnych zagrożeń stosowane być mogą różne metody oceny ryzyka. Zazwyczaj specyfika zagrożenia decyduje o sposobie szacowania poziomu ryzyka. Wszystkie działania związane z prowadzeniem oceny ryzyka powinny być

dokumentowane. Dokumentacja oceny ryzyka powinna wskazywać zastosowaną procedurę postępowania oraz uzyskane rezultaty. Dokumentacja ta, odpowiednio do badanej maszyny, powinna zawierać:

- identyfikację maszyny,

- założenia dotyczące działania maszyny,

- opisy zidentyfikowanych zagrożeń i sytuacji zagrożenia,

- opisy środków redukcji ryzyka zastosowanych w kolejnych

etapach projektowania,

- informacje o ryzyku resztkowym,

- wyniki oceny ryzyka.

Dokumenty te będą miały różną formę dla poszczególnych zidentyfikowanych zagrożeń. Jednak dokumentacja wytworzona w trakcie oceny ryzyka powinna stanowić jednolitą całość.

3. Struktura opracowanego systemu komputerowego

Przedstawione powyżej zasady stanowiły podstawę do określenia struktury (Rys. 2) systemu komputerowego wspomagającego prowadzenie oceny ryzyka na etapie projektowania maszyny:

4. system ma budowę modułową,

5. moduł główny stanowi narzędzie zarządzania procesem oceny

ryzyka,

6. moduły szczegółowe dotyczą najczęściej spotykanych zagrożeń:

mechanicznych, elektrycznych, związanych z niesprawnością systemu sterowania, hałasem, wybuchem, biomechanicznych, pyłowych.

Działanie programu rozpoczyna się na poziomie modułu głównego. Moduł ten gromadzi dane ogólne o projekcie oraz nadzoruje tworzenie dokumentacji i przepływ informacji pomiędzy modułami szczegółowymi. Struktura modułu głównego pokazana jest na rys. 3. Na rysunku tym elementy modułu głównego oznaczono linią pogrubioną. Zgodnie z ogólną metodyką prowadzenia oceny ryzyka, pokazaną na rys. 1 pierwszym działaniem jest identyfikacja maszyny. Ogólna identyfikacja projektowanej maszyny jest niezbędna do skutecznego zarządzania projektem.

Zakładka „Opis ograniczeń dotyczących maszyny” przeznaczona jest do wprowadzania ogólnych informacji o projektowanej maszynie. Zawiera ona pola tekstowe do wprowadzenia danych dotyczących:

- przeznaczenia maszyny,

- ogólnych danych technicznych maszyny,

- sposobów obsługi maszyny w różnych trybach pracy,

- przewidywanego nieprawidłowego użycia maszyny.

Rys. 2. Struktura systemu komputerowego wspomagającego prowadzenie oceny ryzyka na etapie projektowania maszyny

W miarę postępów prac w projekcie maszyny dane te będą mogły być uzupełniane i modyfikowane. Informacje zawarte w module głównym są informacjami ogólnymi. W ramach poszczególnych modułów przewidziano możliwość ich uszczegółowienia i doprecyzowania, stosowanie do potrzeb modułu. „Opis ograniczeń dotyczących maszyny” powinien być na tyle szczegółowy aby możliwe było dokonanie identyfikacji zagrożeń generowanych przez maszynę.

Rys. 3. Struktura modułu głównego 4. Zarządzanie oceną ryzyka

Przy opracowaniu oprogramowania szczególną uwagę zwrócono na łatwą formę zarządzania prowadzeniem oceny ryzyka i tworzeniem dokumentacji. Dlatego też program został opracowany z przeznaczeniem do obsługi wielostanowiskowej. Przewiduje się zarówno możliwość obsługi poszczególnych modułów przez różne osoby, jak i przez jedną. Odbywa się to poprzez mechanizm nadawania uprawnień dostępu do dokumentacji poszczególnych modułów.

Zarządzanie prowadzeniem oceny ryzyka odbywa się z poziomu modułu głównego. Program przewiduje następujące rodzaje użytkowników:

- administrator : otwiera i edytuje projekty, zarządza oceną ryzyka

z poziomu modułu głównego, przeprowadza wstępną identyfikację zagrożeń, nadaje uprawnienia pozostałym osobom uczestniczącym w projekcie, tworzy ostateczną dokumentację z oceny ryzyka,

- projektant : ma uprawnienia dostępu do modułu wskazanego przez

administratora, przeprowadza ocenę ryzyka w ramach tego modułu, tworzy dokumentację z przeprowadzonej oceny oraz przekazuje wyniki końcowe do modułu głównego,

- walidator : ma uprawnienia dostępu do modułu wskazanego przez

administratora, przeprowadza walidację projektu i sprawdza dokumentację wytworzoną przez projektanta,

- edytor baz danych : ma uprawnienia do modyfikacji i uzupełniania

baz danych.

Jedna osoba może mieć kilka uprawnień. Dokumentacja wytworzona przez poszczególne osoby stanowi część dokumentacji maszyny. Projektant

prowadzący ocenę ryzyka związanego z danym zagrożeniem przekazuje informację o proponowanych środkach bezpieczeństwa do kierownika projektu, który na poziomie modułu głównego dokonuje jego analizy oraz, w razie potrzeby, weryfikuje przeprowadzoną identyfikację zagrożeń. Działanie to powtarzane jest na etapie projektu szczegółowego oraz po skonstruowaniu maszyny.

Końcowym efektem prowadzonych działań jest zapewnienie spełnienia zasadniczych wymagań bezpieczeństwa. Każdy moduł szczegółowy przeprowadzając analizę ryzyka związanego z danym zagrożeniem oraz określając środki bezpieczeństwa tworzy jednocześnie dokumentację rozwiązań umożliwiających spełnienie odpowiednich wymagań zasadniczych. Zastosowane wymagania zasadnicze oraz normy zharmonizowane są określone na poziomie modułów szczegółowych. Zgodnie z postanowieniami dyrektywy 2006/42/WE [3], końcowym podsumowaniem działań producenta powinien być wykaz zasadniczych wymagań w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa, które mają zastosowanie do maszyny. Tak jak to wykazano w [2], najkorzystniej jest gdy wykaz ten ma formę listy kontrolnej. Zawiera ona wskazanie poszczególnych wymagań, miejsce na wskazanie zastosowanych norm zharmonizowanych oraz miejsce na odwołanie do dokumentu zawierającego opis środków zapobiegawczych wdrożonych w celu wyeliminowania rozpoznanych zagrożeń.

5. Podsumowanie

Opracowane w ramach projektu zasady prowadzenia oceny ryzyka przez projektantów maszyn zostały praktycznie zweryfikowane poprzez ich zastosowanie przy projektowaniu trzech maszyn:

maszyny do obróbki drewna: Kapówka pionowa, maszyny górniczej: Kombajn chodnikowy,

maszyny stosowanej w technice opakowań: Wycinarka walcowa.

Do projektu każdej z maszyn została opracowywana dokumentacja oceny ryzyka. Weryfikację prowadzili projektanci maszyn. Dokonali oni oceny opracowanych zasad postępowania przy ocenie ryzyka za pomocą opracowanej do tego celu ankiety. Wyniki przeprowadzonej weryfikacji oraz ankiety wskazały, że opracowane narzędzia metodyczne umożliwiają przeprowadzenie oceny ryzyka związanego z poszczególnymi zagrożeniami na etapie projektowania maszyn oraz upraszczają procedurę sporządzania dokumentacji wymaganej przez dyrektywę maszynową. Ponadto realizatorzy badań podkreślili dużą przydatność poszczególnych modeli narzędzi metodycznych oraz ich dostosowanie do potrzeb projektantów

maszyn. Opracowane oprogramowanie wzbudziło także zainteresowanie wśród producentów maszyn, którzy zgłaszają zapytania ofertowe. oprogramowanie zostanie udostępnione zainteresowanym w IV kwartale 2008 r. W dalszej przyszłości przewidywane jest opracowanie kolejnych modułów dotyczących innych zagrożeń występujących przy maszynach, odpowiednio do potrzeb zgłaszanych przez użytkowników oprogramowania.

Publikacja przygotowana w wyniku realizacji projektu celowego pt.: „Narzędzia metodyczne do oceny ryzyka w procesie projektowania maszyn” w ramach Sektorowego Programu Operacyjnego Wzrost konkurencyjności przedsiębiorstw, lata 2004-2006, Priorytet 1 rozwój przedsiębiorczości i wzrost innowacyjności poprzez wzmocnienie instytucji otoczenia biznesu, Działanie 1.4 Wzmocnienie współpracy między sferą badawczo - rozwojową a gospodarką, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego UE.

PhD. Eng. DŹWIAREK Marek, Central Institute for Labour Protection - National Research Institute, Warsaw, Poland, head of Department of Safety Engineering, specialisation: safety systems for machinery, functional safety of machinery control systems, risk assessment, human-machine interaction. Several publications in field of safety of human-machinery