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MMC 2013 

 

CAN in Automation 



 

 

03-7 



System and Software Design for a modern  

Grape Harvester Fulfilling State of the Art  

Functional Safety Requirements 

 

 



Erik Lautner (Hydac International GmbH) 

 

 



The  article  presents  an  overview  of  the  complex  system  design  as  well  as  of  the 

interactive functionality of the drive and control system of a modern self-driven grape 

harvester machine.  

A  modular  design  for  hard  and  software  was  developed  to  fulfill  the  extensive 

functional  and  operator  requirements.  This  approach  also  complies  with  the  legal 

requirements  of  functional  safety  according  to  the  2006/42/EC  Machinery  Directive 

and the standard “Safety of machinery – safety related parts of control systems” EN 

ISO 13849-1:2008. 

 

With  the  new  grape  harvesting  machine 



model  „ERO-Grapeliner  Series  6000“  (see 

Figure  1)  a  bunch  of  innovative  machine 

functions  and  unique  technical  machine 

characteristics  could  be  realized.  The 

effort  for  the  machine  assembly  and  the 

end-of-line 

commissioning 

could 

be 


reduced.  Additionally  the  diagnostic  and 

service capabilities were improved.  

 

Figure 1: Grapeliner Series 6000 

The  redesign  process  did  incorporate  the 

electric/electronic  machine  control,  the 

hydraulic  drive  system  as  well  as  the 

application  software.  To  be  able  to  fulfill 

state  of  the  art  control  systems  safety 

requirements, it is necessary to look at the 

system  with  its  different  modules  in  its 

entirety.  

The  development  process  included  all 

necessary steps to comply with the increa-

sed  safety  requirements  according  to  the 

Machinery Directive 2006/42/EC [1].  

 

Harvesting 



Process 

and 

Machine 

Functionality 

 

A self-driven grape harvester harvests the 



grapes by shaking the grape-vines.  

To  realize  this,  the  grape  harvester  drives 

over  the  rows  using  the  double  shaker 

drive to shake the grapes off of the grape-

vine.  

The  separated  grapes  fall  on  the  shingle 



conveyor  and  slide  sideways  onto  the  big 

conveyor  belt.  In  the  course  of  the 

conveying  residue  leaves  will  be  removed 

by  three  fan  drive  systems.  Fehler! 

Verweisquelle  konnte  nicht  gefunden 

werden.  shows  a  clear  model  of  the 

harvesting process subsystems.  

The  destemmer,  which  is  available  as  an 

option,  separates  the  grapes  in  the  next 

stage  of  the  harvesting  process  from  their 

stems. 

After passing the final transverse conveyor 



the  grapes  will  end  up  in  the  grape  bin. 

They  can  be  unloaded  sequentially  out  of 

the  bin  onto  a  truck  or  continuously  by 

using an additional conveyor belt. 




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03-8 

Cross flow 

nozzle

Double shaker drive



Shingle conveyor

Big 


conveyor belt

Small transverse

conveyor

Leaf rake

Shingle

conveyor


Lower 

suction fan

Cross flow 

fan


Upper 

suction fan

 

Figure 1: Harvesting process model 

Grape Harvester Machine Parameters 

The  new  “Grapeliner  Series  6000”  (see 



Figure 2) is characterized by the following 

specifications: 

•  Diesel engine power up to 147 kW 

•  Harvesting speed up to 6.5 kph 

•  On-road speed up to 40 kph 

•  Maximum steering angle of 90° 

Due to the optimized weight distribution in 

between  front  axle  (45 %)  and  rear  axle 

(55 %) and the overall machine design, the 

grape  harvester  can  realize  the  following 

driving characteristics: 

•  Inclines of up to 45 % 

•  Side  slope  compensation  of  36°% 

(up to 75 cm cylinder stroke)  

This 

short 


overview 

of 


the 

most 


challenging 

machine 


characteristics 

inevitably  makes  it  clear,  that  for  the 

design  of  many  of  the  machine  functions 

safety 


requirements 

need 


to 

be 


considered.  

 

Figure 2: Driving on-road 



Safety  Compliant  Concept  of  the 

Machine Controls  

Whilst  redeveloping  the  model  range,  the 

control system of the grape harvester was 

completely  revised.  This  revision  was 

particularly  necessary  to  comply  with  the 

tighter 


safety 

requirements 

of 

the 


Machinery Directive 2006/42/EC [1]  

The  development  of  the  safety-related 

parts  of  the  machine  control  system  is 

based on EN ISO 13849 [3].  

This  standard  enables  the  electrical, 

mechanical  and  hydraulic  subsystems,  as 

well  as  the  complex  programmable 

electronic  control  technology,  to  be 

included  in  the  safety  considerations  of  a 

complex  machine  control  system.  In 

contrast to other standards, EN ISO 13849 

with  several  physical  domains,  offers  a 

comprehensive  approach,  unique  for  the 

use in the safety analysis of the controls of 

mobile  machines.  The  standard  is  on  its 

way  to  being  developed  into  a  standard 

approach for machine manufacturers. 

It  is  particularly  significant  to  consider  the 

safety  requirements  of  a  control  system 

from the very start of the design process. 

At  the  beginning  of  the  development 

process  the  safety  functions  of  a  machine 

must  be  identified.  Furthermore,  the 

following  specific  characteristics  (chosen 

as examples) of the safety functions need 

to be defined:  

•  Error reaction times 

•  Safe state (in case of error)  

•  Safety-related  function  parameters 

(such  as  permitted  acceleration, 

speed, temperature, ...)  

•  Transient  response  or  function  se-

quence into the safe state, as well as 

•  Priorities between the individual safety 

functions 

Subsequently  a  hazard  and  risk  analysis 

must  be  carried  out  to  determine  the 

required  performance  level  (PL

r

)  of  the 



individual 

safety-related 

machine 

functions.  To  enable  an  efficient,  clear 

approach  in  the  analysis  of  the  individual 

functions,  the  machine  functions  were 

subdivided into groups:  

•  Work functions 

•  Drive functions 

•  Steering 

•  Height adjustment 



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03-9 

The  risk  analysis  of  the  machine  gave  a 

maximum  required  performance  level  of 

PL

r



"c".  

It  is  important  to  be  aware  of,  that  an 

increased  safety  level  at  machine  level 

results  not  only  exclusively  into  increased 

requirements 

concerning 

electronic 

components.  In  fact  it  results  into  increa-

sed requirements concerning: 

•  the  design  of  the  hydraulic  and 

electronic control system,  

•  the communication system, 

•  the  configuration  of  the  user  interface 

(HMI),  


•  the  safety-related  characteristics  of 

the components, as well as,   

•  the layout of the software architecture 

and its implementation 

The  implementation  of  the  safety  require-

ments  in  the  development  of  the  new 

series is described below.  

Electronic  Control  System  of  the 

Machine 

Besides  the  mandatory  consideration  of 

the  functional  requirements,  the  design  of 

the electronic control system of a machine 

is  generally  based  on  three  main 

principles:  

•  the  safety  requirements  arising  from 

the results of the risk analysis,  

•  the components available and  

•  the target costs.  

The 

complete 



electronic 

system 


architecture  of  the  machine  controls  is 

shown  in  Figure  3.  In  order  to  implement 

the  comprehensive  functions  of  the 

working  hydraulics,  a  total  of  three  control 

units  were  installed.  The  control  units  are 

connected  to  each  other,  to  the  "machine 

control CAN" and to the 10.4" display via a 

CAN  bus  connector.  Another  CAN  bus 

connector, 

the 


so-called 

"Powertrain 

CAN",  enables  a  direct  communication 

with  the  control  units  of  the  diesel  engine 

and the hydrostatic drive unit.  

As  the  core  module  of  each  control,  the 

electronic  controller,  an  in-house  safety 

certified  controller  HY-TTC90  [7]   with 

PL”d” was chosen. The architecture of the 

controller 

generally 

determines 

the 

architecture  of  the  whole  system.  In  order 



to  achieve  optimum  functionality  of  the 

control  system  the  different  machine 

functions  each  had  to  be  allocated  to  one 

of  the  three  control  units  C1,  C2  and  C3 

that were installed. Optimization of the bus 

communication  was,  therefore,  crucial  to 

the design of the software. 

 

Figure 3: Machine communication 



architecture 

The USB port on the display allows data to 

be up-/downloaded and provides a simple, 

customer-friendly  means  of  downloading 

software  in  the  field.  As  well  as  being 

downloaded  to  the  screen,  the  software  is 

automatically  transferred  to  control  units 

C1, C2 and C3.  



Operating Concept 

The  operating  concept  was  revised  with 

regard  to  the  requirements  of  the  safety 

functions. Due to the fact, that many of the 



safety functions are related to: 

•  a "Prevention of unintentional start-up”  

of  an  e.g.  specific  fan  drive  or  a  conveyor 

belt,  special  attention  need  to  be  given  to 

the  user  interface  (HMI)  design  of  the 

activation (start-up) commands.  

In  respect  of  the  avoidance  of  an 

unexpected  activation  and  since  the 

display is not a safety certified component, 

specifically  the  activation  commands have 

to be implemented as a solution based on 

hard wired switches or buttons.  



Harvester unit button

Hydraulic main switch

 

Figure 4: Operating elements for safety 



compliant function activation 

After  the  re-design  the  only  remaining 

significant  components  to  activate  a 

harvesting  function  are  the  "Harvester 

activation  button”  and  the  “Main  hydraulic 



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03-10 

switch”. Their position in the driver's cab is 

shown in Figure 4.  

Alongside  these  safety-related  amend-

ments  to  the  user  interface,  all  of  the 

machine's,  monitoring,  parameter  setting, 

comfort and configuration functions are on 

the  other  hand  completely  realized  and 

monitored  from  the  operator's  cab  on  the 

intuitive  10.4´´  color  touch-screen  (see 



Figure 5).  

 

Figure 5: Main screen on 10.4´´ display 

It  shows  a  complete  overview  of  the 

harvest parameters and simplifies the ope-

ration of the grape harvester considerably. 

The  harvest  parameters  can  easily  be 

adjusted  by  the  driver  during  operation 

(online) via the touch-screen. 

All of the working hydraulics (shaking unit, 

fan,  conveyor  belts,  grape  bin,  ...),  the 

automatic  steering  and  even  the  de-

stemmer  are  controlled  by  HYDAC  safety 

controller units. A high level of precision is 

demanded. For example, the oscillation of 

the  shaking  unit  must  be  a  maximum  of 

0.5 %, 


even 

under 


fluctuating 

load 


conditions.  This  means  that  the  operation 

of  the  whole  machine  is  permanently 

monitored. As well as a visualization of the 

harvest  parameters,  stoppages  in  the 

conveyor  belts  and  the  speed  of  the 

harvesters,  the  driver  can  also  see 

displayed on the terminal information from 

the  diesel  engine  and  hydrostatic  drive 

unit. This enables the operator to deal with 

malfunctions immediately. 



Integrative 

electro-hydraulic 

Drive 

System 

The  electro-hydraulic  drive  system  of  the 

working hydraulics was completely revised 

during  the  redevelopment.  The  redesign 

incorporated the following aspects: 

•  Compliance  to  the  increased  safety 

requirements, 

•  Improved machine functionality  

(e.g. control accuracy and sensitivity), 

•  Reduction in assembly time and  

end-of line commissioning times, 

•  Reduction in leakage points, 

•  Improvement  of  the  filter  system  and 

the suction performance of the pumps, 

as well as,  

•  Reduction  in  material  costs  and 

production costs. 

The  result  of  this  redesign  is  a  modern, 

integrated  modular  electro-hydraulic  drive 

system.  The  use  of  HYDAC's  flexible 

"HyFlex" range (see Figure 6) on the one 

hand and customized valve block solutions 

on  the  other,  led  to  a  significant  reduction 

in assembly costs and leakage points. The 

number of hoses was essential reduced by 

approx.  60 %.  The  assembly  time  was 

therefore substantially shortened.  

D=3,0


80 bar

T

a



T

b

LS



P

A

B



D=4,5

D=4,5


A

B

A



B

A

B



A

B

Other functions

Steep slope safety

stroke adjustment

Width adjustment

Spreading auger

Leaf rake

Front axle

lift / lower

 

Figure 6: Section of a customized block 



solution based on the HyFlex 

The  customized  valve  technology  resulted 

e.g.  in  significantly  improved  and  precise 

speed control of the fan drives. Calibration 

work  on  the  speed  drives  is  now  not  any 

longer needed. 

The  increased  safety  requirements  were 

an  integral  part,  amongst  other  things,  of 

the design of the customized valve blocks, 

e.g.  for  steering  and  the  speed-controlled 

fan  drives.  As  a  means  of  increasing  the 

failure  robustness  in  the  system  two 

valves  (a  proportional  pressure  reducing 

valve  and  a  switching  valve  are)  were 

connected in series (see Figure 7). 

 

Figure 7: Redundant valve installation 




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03-11 

The  new  filter  concept  is  based  on  a 

combined  return  line  &  suction  boost  filter 

(see  Figure  1).  The  component  was 

tailored  exactly  in  size  and  function  to  the 

required 

application, 

enabling 

it 

to 


guarantee  the  filter  function  and  ensure 

problem-free  suction  performance  of  the 

variable  displacement  pumps.  With  this 

specific design concept, the return lines of 

all the pumps are combined within the filter 

housing  before  going  through  the  filter 

element. This ensures, generally speaking, 

that  more  oil  is  returned  than  can  be 

extracted  by  the  variable  displacement 

pumps.  A  corresponding  back-pressure 

valve  in  the  tank  port  of  the  filter  housing 

provides  constant  positive  pressure  in  the 

suction  port  of  the  pumps.  This  effectively 

prevents cavitation in the suction port. 



P1

P2

P3

T

A

B

2,5 bar


0,5 bar

2,0 bar


Valve

contamination 

indicator

pump suction ports

B

A

T

return line

in tank installation

 

Figure 1: Combined return line and 



suction boost filter 

When  calculating  the  safety  function 

parameters,  an  accurate  filter  function  is 

furthermore 

incorporated 

into 


the 

calculation  of  the  common  cause  failure 

with a score of 25. 

Automatic Auxiliary Steering System 

The  automatic  steering  function  is  an 

example  for  the  complex  functional  and 

control  engineering  requirements  of  the 

drive system of the grape harvester. 

During the harvesting process the machine 

is guided along the grape-vine rows by an 

automatic steering system (s. Figure 2).  

The  operation  of  the  automatic  steering 

was  assessed  as  having  a  safety-related 

function in the risk analyses. The following 

safety  functions  need  to  be  implemented 

for the automatic steering: 

•  Safe activation 

•  Faultless steering function 

•  Safe deactivation to standard steering 

The  safe  state  is  “Deactivated  automatic 

steering  function”.  A  maximum  error 

reaction  time  of  300 ms  needed  to  be 

covered by the solution. 

 

Figure 2:  Automatic steering along 

the grape-vine rows 

The  basic  function  of  the  automatic 

steering  relies  on  the  signals  from  a  fully-

redundant  angle  sensor  on  the  steering 

axle,  the  sensor  being  operated  when  the 

positioning  control  loop  is  closed.  The 

steering  angle  can  be  manually  input  to 

compensate for a gradient.  

The  position  of  the  vine  row  is  detected 

automatically 

by 



combination 



of 

mechanical  steering  column  switches  and 

ultrasonic  sensors.  The  steering  column 

switches are prioritized. 



steering stick feeler 

(w/ attached angle sensors)

fully redundant steering angle 

sensor

ultrasonic sensors

 

Figure 3:  Automatic steering sensors 

In order to meet the safety requirements of 

the  steering  function  a  fully-redundant 

position  sensor  was  fitted  for  the  central 

sensor  element  of  the  position-controlled 

steering  axle.  This  fully-redundant  version 

also fulfills the requirements of the system 

FMEA.  

The  control  concept  is  based  on  a  



cascade  control  loop  with  PID  controllers. 

The  front  axle  is  in  the  position  control 

loop.  The  control  corrections  of  the 



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CAN in Automation 



03-12 

steering  column  switches  and  ultrasonic 

sensors are superposed onto it.  

The  change-over  function  from  automatic 

steering to the standard steering system is 

also  a  safety  function  (see  above).  The 

changeover  function  is  coupled  to  the  LS 

pressure.  This  means  that  a  sensor  with 

an  increased  level  of  safety  is  used  to 

detect  the  hydraulic  pressure.  Within  the 

project  the  safety  certified  cost-effective, 

single  channel,  Category  2  pressure 

sensor  HDA 8000  sensor  was  used  (see 

Figure 4). 

HDA 8000 Pressure Transducer

Certified pressure transducer

PL d acc.to EN ISO 13849-1

SIL 2 acc.to IEC 61508

Electronic

TE

O

I

Input

Signal

Output

Signal

Sensor Cell

Output Driver

Pressure

Architecture Cat.2

§

single channel w/ internal test function



M

on

ito

ring

T

es



and

T

ri

gger S

ignal

s

Current

Electronic 

Test Unit

 

Figure 4:  Certified pressure sensor  



w/ PL”d” in Category 2 

In  the  grape  harvester  the  electro-

hydraulic  auxiliary  steering  function  was 

further  enhanced  by  the  so-called  quick 

steer  function  (joystick  steering).  The 

activation  and  deactivation  of  the  function 

placed  a  special  demand  on  the  user 

interface.  The  integrated  functionality 

meant,  however,  that  a  very  cost-effective 

architecture could be achieved. 



Service and Diagnostic Concept 

A  state  of  the  art  PC  service  and 

diagnostics  tool  enables  to  service  the 

entire  machine  independently  form  the 

specific  manufacturer  of  the  different 

control  units.  As  well  as  access  to  the 

display  and  to  the  three  controllers  of  the 

working  functions,  the  tool  also  allows 

access  to  the  error  and  software 

information  from  the  hydrostatic  drive  and 

the  diesel  engine.  Therefore  the  relevant 

diagnostic  interfaces  of  the  manufacturers 

control  units  were  adapted  to  enable  the 

integration  into  the  service  design  of  the 

machine.  

A  large  portion  of  the  service  and  diag-

nostics  tool  functionality  was  also  directly 

integrated on the machine display to meet 

the  need  for  very  simple  serviceability  in 

the field. As well as providing access to all 

the  different  error  information,  allowing 

configuration  of  the  machine  equipment, 

providing  access  to  parameters  and 

enabling  diagnostics  of  the  inputs  and 

outputs (see Figure 5).  

 

Figure 5:  Diagnostics in display 

A  parameter  backup  functionality  allows  a 

trouble-free  replacing  of  one  controller  in 

system.  By  applying  this  backup  function 

the  replaced  controller  unit  automatically 

gets  the  identical  parameter  setting  after 

replacement.  

The  display  also  includes  a  simulation 

capability  of  the  output  states  of  the 

hydraulic  valves  in  order  to  apply 

appropriate  test  scenarios  directly  on 

machine  (see  Figure  6).  In  consideration 

of  the  safety  requirements  the  procedure 

to release the simulation mode is: 

(1) Ground speed below 1kph 

(2) Select 1

st

 or 2



nd

 gear 


(3) Change to simulation page 

(4) Start by “harvester unit button” 

ü

Harvester unit button

ü

To start and to hold 



during the simulation 

of a vehicle function

ü

Indicating simulation status

ü

Change to simulation page

 

Figure 6:  Simulation of valve outputs 

All the functionality is multilingual, and the 

number  of  languages  can  easily  be 

extended via an Excel spreadsheet without 

recompiling the software. 



Some Software Aspects  

The software design was done specifically 

under 

consideration 



of 

functional 

modularity,  clear  separated  layers  as  well 

as  on  a  reusability  of  software  library 

blocks.  



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CAN in Automation 



03-13 

The  overall  software  design  concept  is 

based  on  the  following  three  different 

layers:  

•  BSP w/ API 

•  “Standard core software module” w/ 

connection to the communication 

protocols and an interface to the 

library modules 

•  Application software 

The  advantage  of  this  concept  is 

specifically  the  reusability  of  standard 

functionalities  within  the  core  software. 

The embedded standard core covers e.g.:  

•  Hardware I/O initialization 

•  I/O diagnostics  

•  NvMem parameter management  

•  Error management  

•  Service tool interfaces 

The  encapsulated  core  module  will  be 

application  specific  “configured”  by  means 

of an auto-code builder. 

All  of  the  diagnostic,  configuration  and 

parameterization  information  for  the  PC 

service  and  diagnostic  tool  as  well  as  for 

the  version  on  display  is  automatically 

generated. 

Hardware link and PIN diagnostics

Application Software

NvMem Parameter Management

Error Management

Communication Interfaces and Protocols

Board Support Package (BSP)

API Interface / Wrapper

Application Interface

Output

Blocks

Input

Blocks

Standard Core

 

Figure 7:  Software layer architecture 

Within  the  application  library  modules  for 

signal  elements  as  well  as  input  and 

output  driver  blocks  are  used.  The  library 

blocks  (including  the  I/O  driver  objects) 

have  access  to  the  error  management 

system too.  

While designing the application software a 

particular requirement was on the modular 

design  of  the  software.  The  modular 

design is a fundamental prerequisite for an 

efficient testing of the software.  

Summary and Outlook 

The  new  series  of  grape  harvester  is 

impressive  with  its  excellent  machine 

characteristics,  an  innovative  control 

system and a new operating design which 

meets 


the 

safety 


requirements 

of 


Machinery Directive 2006/42/EC [1]. It has 

been shown that, in order to implement the 

requirements  of  the  Machinery  Directive 

successfully  and  with  an  eye  to  market 

activity,  it  pays  dividends  to  taken  the 

requirements  into  account  right  from  the 

beginning  of  the  development  process. 

The  result  is  a  cost-effective,  homoge-

neous  control  system  solution  which 

conforms to safety standards. 

Within the scope of development process, 

functionally  sophisticated  solutions  were 

also  found.  The  integrated  valve  design 

and the new filter design meant that on the 

one  hand  the  hydraulic  functions  were 

considerably  improved  and,  on  the  other 

hand  leakage  sites  were  reduced  and 

assembly times shortened. Furthermore, it 

was possible to achieve a reduction in the 

commissioning time of the machine.  

An  integrated  service  concept  was 

developed for the harvester which enabled 

access to data on all subsystems. A large 

part  of  the  functionality  of  the  PC  service 

and  diagnostics  tool  could  also  be  inte-

grated in the machine display.  

A  robust  software  design  concept  based 

on  a  multi-layer  approach  in  connection 

with  an  auto  code  builder  was  applied  for 

the application software development. 

 

 

Erik Lautner 



Hydac International GmbH 

Projektbüro Potsdam 

Behlertstraße 3a, Haus H1 

D-14467 Potsdam 

+49 (0)331 505701 4440 

+49 (0)331 505701 4449 

erik.lautner@hydac.com 

www.hydac.com 

 



MMC 2013 

 

CAN in Automation 



03-14 

References 

[1]  Official Journal of the European Union, 

L157/24,EN,9.6.2006 “Machinery directive” 

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). 

2006 


[2]  ERO-Gerätebau GmbH. Operators Manual 

Grape Harvester SF200. 2009 

[3]  DIN Deutsches Institut für Normung e.V., 

Safety of machinery – Safety-related parts 

of control systems – 2008,  

Teil 1: Part 1: General principles for design 

(ISO 13849-1:2006), German Version EN 

ISO 13849-1:2008. 

Part 2: Validation (ISO 13849-2:2003), 

German Version EN ISO 13849-2:2008 

[4]  DIN Deutsches Institut für Normung e.V., 

Safety of machinery – General principles 

for design – Risk assessment and risk 

reduction (ISO 12100:2010); German 

version EN ISO 12100:2010. 2010 

[5]  DIN Deutsches Institut für Normung e.V., 

und VDE Verband der Elektrotechnik 

Elektronik Informationstechnik e.V., 

Functional safety of 

electrical/elctronic/programmable 

electronic safety-related systems - 

Part 1: General requirements (IEC 61508-

1:2010) German version EN 61508-1:2010 

Part 2: Requirements for electrical/ 

electronic/programmable electronic safety-

related systems (IEC 61508-2:2010)  

German version EN 61508-2:2010 

Part 3: Software requirements (IEC 61508-

3:2010) German version EN 61508-3:2010 

[6]  Michael Hauke et al., Department 5 

accident prevention – product safety,  

BGIA (today: IFA) – Institute for 

Occupational Safety and Health of the 

German Social Accident Insurance.  

BGIA-Report 2/2008 Functional safety of 

machine controls – Application of EN ISO 

13849. 2008 

[7]  HYDAC specification sheets:  

Pressure sensor HDA8000 SIL2,  

Safety Controller HY-TTC90,  



Display HY-TTC 10,4“ (w/ touch screen) 

 


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