Prozessindustrie EN / EN VL PLT2, SS 2012 Professur für Prozessleittechnik

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1 Funktionale Sicherheit in der Prozessindustrie EN 6508 / EN 65 VL PL2, SS 202 Professur für Prozessleittechnik ik

2 Übersicht PL-Schutzeinrichtungen Sicherheitsgrundnorm h it EN 6508 Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbar elektronischer Systeme Safety Integrity Level (SIL) Quantitative Betrachtung kompletter Sicherheitssysteme (Sensor-Steuerung-Aktor) Berechung von Versagenswahrscheinlichkeiten für verschiedene Beanspruchungsszenarien Lebenszyklusbetrachtung Berücksichtigung von Entwicklung & Fertigung PL2 Folie 2

3 EN 6508/VDE 0803 & EN 65/VDE PL2 Folie 3

4 Forderung: akzeptables Risiko Von Anlagen und Maschinen dürfen keine besonderen Gefahren ausgehen Gefahrstoffverordnung Betriebssicherheitverordnung... Betreiber und Konstrukteure müssen daher Risikoanalyse durchführen Vorhandene Gefahren durch geeignete Maßnahmen auf akzeptables Risiko reduzieren Einsatz geeigneter PL-Schutzeinrichtungen! PL2 Folie 4

5 Klassifizierung von PL-Funktionen Ereignisverhindernde PL-Schutzeinrichtungen Schadenbegrenzende PL-Schutzeinrichtungen Andere Schutzeinrichtungen i ht EN 65: Safety Instrumented System (SIS) PL-Überwachungseinrichtungen PL-Betriebseinrichtungen EN 65: Basic Process Control o System (BPCS) PL2 Folie 5

6 Funktion von PL-Schutzeinrichtungen Prozessgröße Kurve Kurve 2 Kurve 3 - eb nicht bestimmungsemäßer Betrie b ge unzulässiger Fehlbereich Nicht PL Schutzeinrichtung spricht an ereignisverhindernde PL Schutzeinrichtung spricht an Betrieb Grenzwert der Über- wachungseinrichtung bestimmun ngsgemäßer ssiger bereich zulä Fehlb h Gutbereic PL Überwachungseinrichtung spricht an Grenzwert der Schutz- einrichtung Zeit PL2 Folie 6

7 Risikominimierung nach EN6508 durch folgende Schritte Risikodefinition und bewertung Qualitiative Bewertung des Schadensfalls Quantitative Bewertung der Schutzeinrichtung: Versagenswahrscheinlichkeiten der Wirkkette Sensor-Steuerung-Aktor über gesamte Lebensdauer Maßnahmen zur Restrisikominimierung ik i i i Einsatz geeigneter Gerate Wiederkehrende d Prüfung Korrekte Einhaltung der Sicherheitsfunktionen PL2 Folie 7

8 Qualitative Bewertung des Schadensfalls Risikograph nach IEC 6508/65 Schadenausmaß C: C: leichte Verletzung einer Person; kleinere schädliche Umwelteinflüsse. C2: Schwere irreversible Verletzung einer oder mehrerer Personen oder od einer Person; vorübergehende größere schädliche Umwelteinflüsse C3: od mehrerer Personen; langandauernde größere schädliche Umwelteinflüsse. C4: Katastrophale Auswirkungen, sehr viele ote. Aufenthaltsdauer F: F: selten bis öfter F2: häufig bis dauernd Gefahrenabwehr P: P: möglich unter bestimmten Bedingungen P2: kaum möglich Eintrittswahrscheinlichkeit: h hk W: sehr gering W2: gering W3: relativ hoch (Endress & Hauser 2004) PL2 Folie 8

9 Safety Integrity Level SIL = Wahrscheinlichkeitsbereich für das Versagen einer Sicherheitsfunktion Unterscheidung nach Anforderungsrate Low Demand Mode: Anforderungsrate <= /Jahr bzw. < 2 x Frequenz Wiederholungsprüfung High demand/continous: Anforderungsrate > /Jahr bzw. > 2 x Frequenz Wiederholungsprüfung SIL Niedrige Anforderungrate: Hohe oder kontinuierliche Anforderung: PFH bis < bis < bis < bis < bis < bis < bis < bis < PL2 Folie 9

10 Probability of Failure on Demand () Verfügbarkeit/Unverfügbarkeit von Schutzeinrichtungen i ht mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit der entworfenen Funktion bei Anforderung average probability of failure to perform its design function on demand Näherungsweise für einkanalige Systeme: = du * /2 du Rate gefährlicher,nicht h i ht entdeckbarer Fehler Prüfintervall PL2 Folie 0

11 Voraussetzung zur Berechung der Voraussetzungen Regelmäßige 00% Überprüfung (Wiederholungsprüfung, proof test) deckt alle Fehler auf. Nach Wiederholungsprüfung g gilt System als neuwertig Automatische Diagnose mindestens 0 mal häufiger als WdhPrüfung. Deckt nur einen eil der Fehler auf (Diagnosedeckungsgrad, diagnostic coverage, DC). Sobald ein Fehler entdeckt wurde, wird dieser mit fester Reparaturzeit (=const.) repariert. Konstante Ausfallraten Common Cause Fehler durch -Faktor abbildbar PL2 Folie

12 Ausfallkategorien sicherheitstechnischer Einrichtungen Kategorie Gefährlichkeit Gefährliche Fehler Sicherheitsfkt. wird im Bedarfsfall nicht ausgeführt Sichere Fehler Sicherer Zustand wird eingenommen Kategorie Erkennbar Erkannte Fehler werden bei automatischer Diagnose erkannt Unerkannte Fehler werden erst bei Wiederholungsprüfung aufgedeckt PL2 Folie 2

13 Fehlerraten Fehlerarten Sicher Safe Gefährlich Dangerous Erkannt detected Unerkannt undetected SD SU DD PL2 Folie 3

14 Homogenes oo2-system Zuverlässigkeits- blockdiagramm Zustandsdiagramm System 2 System PL2 Folie 4

15 Herleitung oo2 nach EN Ermittlung mittlere Systemausfalldauer bei erkannten bzw. unerkannten Fehlern 2. Berechnung der relativen Systemausfalldauern (Bezug auf Zeitintervall zwischen WdhPrüfungen) 3. Berechnung Wahrscheinlichkeiten für Systemausfall 4. Multiplikation der rel. Ausfalldauern (2) mit WS für Systemausfälle (3) 5. Addition der eilergebnisse für erkannten/unerkannten Fehler 6. Berücksichtigung von Fehlern mit gemeinsamer Ursache PL2 Folie 5

16 Bei erkannten Fehlern (/3) Schritt : Mittlere SAD = Ein erkannter Fehler wird sofort repariert Schritt 2: Relative SAD = / Schritt 3: WS für Systemausfall Erkannter Fehler führt in einem oo2-system genau dann zum Systemausfall, wenn einer der beiden Kanäle aufgrund erk. Fehler ausfällt und der jeweils andere nicht verfügbar ist. P erk 2 DD K PL2 Folie 6

17 Bei erkannten Fehlern (2/3) Schritt 3: WS für Systemausfall P erk 2 DD K Schritt 4: Anteil an der gesamten P erk erk erk 2DD K 2DD K PL2 Folie 7

18 Bei erkannten Fehlern (3/3) Schritt 4: Anteil an der gesamten erk 2DD K 2DD K ausen6508, eil6: K ( DD) D 2 erk 2 ( DD ) D 2 DD D DD DD D PL2 Folie 8

19 Bei unerkannten Fehlern (/4) Schritt : Mittlere SAD kann nicht vorhergesagt werden, jedoch Erwartungswert eines oo2-systems 2 E ( Ausfall ) bi bei const. 3 SIS-Ausfall wird bei nächster WdhPrüfung erkannt und repariert mittlere SAD bei 2-kanaligem System = mittlere ausgefallene Zeit + Dauer Reparatur SAD PL2 Folie 9

20 Bei unerkannten Fehlern (2/4) Schritt 3: WS für Systemausfall P unerk 2 K Schritt 4: Anteil an der gesamten unerk unerk P unerk 3 3 K K PL2 Folie 20

21 Bei unerkannten Fehlern (3/4) Schritt 4: Anteil an der gesamten K K unerk DD K K unerk ) ( ausen6508eil6: 3 DD D D DD K ) ( 2 2 ) ( eil6: ausen6508, D DD D DD unerk 3 2 ) ( Folie 2 PL2

22 Literatur Normen EN 6508 Bücher Pukite, J., Pukite, P. (998) Modeling for Reliability Analysis: Markow Modeling for Supportable Analyses of Complex Systems. IEEE Press Birolini, A. (2004) Zuverlässigkeit von Geräten und Systemen. Heidelberg:Springer. Börcsök, J. (2004). Elektronische Sicherheitssysteme. Heidelberg:Hüthig. Fachartikel PL2 Folie 22

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