Vorlesung - Prozessleittechnik 2 (PLT 2) Sicherheit und Zuverlässigkeit von Prozessanlagen - Sicherheitslebenszyklus Teil 3: Betrieb

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1 Fakultät Elektro- & Informationstechnik, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Vorlesung - Prozessleittechnik 2 (PLT 2) Sicherheit und Zuverlässigkeit von Prozessanlagen - Sicherheitslebenszyklus Teil 3: Betrieb A. Krause, L. Urbas Dresden,

2 Sicherheitslebenszyklus nach DIN EN [1] Teil 3: Inbetriebnahme und Betrieb Folie 2 von 44

3 SIS-MONTAGE UND INBETRIEBNAHME Folie 3 von 44

4 Festlegen der notwendigen Tätigkeiten [1] Benennung der Montage- und Inbetriebnahmetätigkeiten Vorgehen, Maßnahmen und Methoden für die Montage und Inbetriebnahme Zeitpunkt der Tätigkeit Verantwortlichkeiten (Personen, Abteilungen und Organisationen) für die Durchführung Folie 4 von 44

5 Sicherstellung von Mindestanforderungen [1] Erdung (Masse) vorschriftsmäßig angeschlossen Energieversorgung richtig angeschlossen und in Betrieb Transportsperren und Verpackungsmaterial entfernt Keine physischen Schäden Messeinrichtungen richtig kalibriert Feldgeräte in Betrieb Logiksystem und Ein-/Ausgänge in Betrieb Schnittstellen zu anderen Systemen und nach außen in Betrieb Folie 5 von 44

6 Anfertigen von Aufzeichnungen [1] Festhalten der Arbeitsergebnisse Erreichen von Zielen und Prüfkriterien aus der Entwurfsphase Festgestellte Ausfälle oder festgestelltes Versagen sind zu untersuchen und mit den gefundenen Ursachen zu dokumentieren Folie 6 von 44

7 Abweichungen vom Entwurf [1] Feststellung, dass die Installation nicht mit dem Entwurf übereinstimmt Beurteilung der Abweichung und der möglichen Folgen für die Sicherheit durch eine kompetente Person Keine Folgen: Anpassen der Pläne as-built Negative Folgen: Änderung der Installation entsprechend den Anforderungen der Planung Folie 7 von 44

8 SIS- SICHERHEITSVALIDIERUNG Folie 8 von 44

9 Vor-Ort-Abnahme (en. SAT = Site Acceptance Test) [1] Bespiele für Validierungstätigkeiten Loop-Test Kalibrierung Simulation des Anwendungsprogramms Validierung aller relevanter Betriebsarten des Prozesses Anfahren Automatischer, halbautomatischer und Handbetrieb Stationärer Betrieb Zurücksetzen, Abfahren Instandhaltung Folie 9 von 44

10 Dokumentation der Validierung [1] Version des Validierungsplans Untersuchte und getestete SIF Verwendete Werkzeuge und Geräte Ergebnisse der Prüfung und Version der verwendeten Prüfanweisung Kriterien zum bestehen des Integrationstests Version der geprüften SIS-Hardware und -Software Jegliche Abweichungen zw. erwartetem und vorliegendem Ergebnis Bei Abweichungen: durchgeführte Untersuchungen, Entscheidung über Fortsetzung der Prüfung oder Modifikationsantrag Folie 10 von 44

11 Tätigkeiten nach der Validierung [1] Alle Überbrückungsfunktionen müssen in ihre normale Stellung gesetzt werden Alle Absperrventile zum Prozess müssen entsprechend der Anfahrvorschriften des Prozesses eingestellt werden Alle zur Prüfung verwendeten Stoffe (z.b. Flüssigkeiten) müssen entfernt werden Alle zwangsgesetzten Werte und ggf. auch die Freigabe zum Zwangssetzen der Werte müssen zurückgesetzt werden Folie 11 von 44

12 BETRIEB UND INSTANDHALTUNG DES SIS Folie 12 von 44

13 Betrieb und Instandhaltung nach DIN EN Ziele und Anforderungen [1] Aufrechterhaltung des SILs jeder SIF während Betrieb und Instandhaltung SIS betreiben und instandhalten, dass die geforderte funktionale Sicherheit aufrecht erhalten wird Routinetätigkeiten und Tätigkeiten während besonderer Betriebszustände Tätigkeiten im Rahmen von Funktionsprüfungen SIS-Instandhaltungsplan Folie 13 von 44

14 Betriebs- und Instandhaltungsvorschriften [1] Maßnahmen zur Einhaltung der festgesetzten Prüfintervalle von Funktionsprüfungen Maßnahmen zur Sicherstellung der Qualität und Konsistenz von Funktionsprüfungen Maßnahmen zur Sicherstellung der angemessener Verifikation nach Austausch von Komponenten Notwendige (Ersatz-)Maßnahmen und Beschränkungen während des Betrieb oder der Instandhaltung Folie 14 von 44

15 Überbrückung von Sicherheitsfunktionen [1] Nur anwenden innerhalb der entsprechenden Betriebsgrenzen (Zeitdauer, Prozessparameter) Vorgehensweisen vor und während der Überbrückung bzw. vor dem Entfernen einer Überbrückung Verifikation, dass nach einer Funktionsprüfung alle Überbrückungen entfernt wurden Weiterbetrieb nur unter Einhaltung der Ersatzmaßnahmen (mit entsprechender Risikoreduzierung) Aufzeichnung des Zustands der Überbrückungen (Liste) Folie 15 von 44

16 Schulung des Bedienpersonals [1] Funktion des SIS Gefahren, gegen die das SIS schützt Sollfunktion und Management jedes einzelnen Überbrückungsschalters und Umstände der Verwendung Wirkung jedes einzelnen handbedienten Anlagen-Aus-Schalters bzw. jeder handbedienten Anfahrtätigkeit und wann diese betätigt werden müssen Reaktion bei einer Fehlermeldung durch eine Diagnoseeinrichtung richtige Verifikation der Diagnosen Folie 16 von 44

17 Abweichungen im Betrieb - Überwachung und Analyse [1] Anforderung jeder SIF Aktionen nach dem Ansprechen des Systems Festgestellte Fehler an Geräten des SIS (bei Funktionsprüfungen oder beim Ansprechen des Systems) Ursachen, die zum Ansprechen führten Ursachen und Häufigkeiten für Fehlauslöungen Ausfall von Einrichtungen, die Teil der Ersatzmaßnahmen sind Folie 17 von 44

18 Anlagenbetrieb nach VDI 2180 [2] Betrieb und Instandhaltung müssen so erfolgen, dass die Wahrscheinlichkeit bei Anforderung zu versagen kleiner ist als durch ihre SIL-Einstufung vorgegeben Dazu müssen Ausfälle durch Fehler vermieden bzw. aufgetretene Fehler schnell erkannt u. beseitigt werden Maßnahmen Überwachung durch Anlagenbetreiber und Fachpersonal Inspektion (Funktions- und Sichtprüfung) Wartung und Instandsetzung Folie 18 von 44

19 FUNKTIONSPRÜFUNG Folie 19 von 44

20 Funktionsprüfung NE 106 Prüfintervalle von PLT- Schutzeinrichtungen [3] Ziel: Erkennung passiver Fehler, welche die bestimmungsgemäße Funktion verhindern Früher: Prüfung im Abstand von max. 1 Jahr Durchführung der Funktionsprüfung meist nicht bei laufender Anlage möglich Höhere Anforderungen für Produktionszeiten und Anlagenverfügbarkeit gehen einher mit der Forderung nach längeren Prüfzyklen Folie 20 von 44

21 Flexibilisierung von Prüfintervallen [3] Bestehende Anlagen: Optimierung der Prüfintervalle Planung neuer Anlagen: Ermittlung der SIS- Struktur und -Hardware zur Erfüllung eines betrieblich gewünschten Prüfintervalls Variation der Prüftiefe und damit des Prüfabstandes Folie 21 von 44

22 Optimierung der Prüfintervalle [3] Optimierung des Prüfmanagements durch gezielte Einbindung der Prüfungen in den Betriebsablauf oder Nutzung von anderen Produktionsunterbrechungen Erhöhung des Redundanzgrades Erhöhung des Diagnosedeckungsgrades des Sensor- und/oder Aktorteilsystems und Verwendung gewonnener Verfügbarkeit zur Verlängerung des Prüfintervalls Folie 22 von 44

23 Prüftiefe und Prüfintervall [3] Prüfintervall nicht für gesamte SIF festlegen sondern für Teilsysteme (Sensor, Logik, Aktor) Logiksystem wird meist über die gesamte zertifizierte Einsatzzeit als sicher betrachtet Prüftiefe Fehler, die zu einem gefährlichen Ausfall führen können Automatische Diagnose sinnvoll und ökonomisch? Ja: Maßnahme festlegen, Diagnosedeckungsgrad bestimmen und Prüfintervall anpassen Nein: Prüfung beschreiben und Prüfintervall festlegen Folie 23 von 44

24 Partial Stroke Test (Ventilanlauftest) [4] Aktoren bergen die größten Risiken, aber auch das größte Rationalisierungspotential bei der Minimierung von Risiken Häufige Zusammensetzung des PFD avg [Endress+Hauser SIL_Broschuere_de.pdf] Folie 24 von 44

25 Partial Stroke Test (Ventilanlauftest) [4] Absperrventile oft reine Sicherheitseinrichtungen Verharren in ein- und derselben Position Ständiger Kontakt mit den durchfließenden Medien Regelmäßige Prüfung der Funktion des Ventils nötig Bisher: Full Stroke Test - manuelle Prüfung meist einmal im Jahr vor Ort teilweise mit Ausbau Jetzt: Partial Stroke Test Funktionsprüfung im laufenden Betrieb durch bewegen um 5 bis 15% Folie 25 von 44

26 Partial Stroke Test - Rechenbeispiel [4] Folie 26 von 44

27 Optimal prooftests for Safety Instrumented Systems based on maintenance models [5] Motivation Ziel Vollständige Funktionsprüfung bietet hohe Testabdeckung (PTC), greift aber in den Betrieb der Anlage ein Partielle Funktionsprüfungen greifen nicht in den Betrieb ein, haben aber nur eine begrenzte Testabdeckung Kostenoptimale Funktionsprüfungen Prüfstrategien bestehend aus vollständigen und partiellen Funktionsprüfungen für Konformität zum SIL Einbeziehung von PTC < 1 und nicht erkennbaren Fehlern Folie 27 von 44

28 Grundlegendes PFD-Modell [5] PFD DRI l DU t PFD IRI l DD /(l DU + l DD ) PFD DN l DN t PFD avgunm PFD avg ohne Funktionsprüfung Folie 28 von 44

29 PFD-Modell mit Funktionsprüfung [5] PFD DRI l DU t PFD IRI l DD /(l DU + l DD ) PFD DN l DN t PFD avgmaint PFD avg mit Funktionsprüfung IPFD ST Auswirkung der Funktionsprüfungen Folie 29 von 44

30 PFD-Modell mit Prüfstrategie [5] PFD DRI l DU t PFD IRI l DD /(l DU + l DD ) PFD DN l DN t PFD avgmaint PFD avg mit Funktionsprüfung IPFD ST Auswirkung der Funktionsprüfungen Folie 30 von 44

31 Kosten der Funktionsprüfungen [5] Gesamtkosten C=C 1 (n 1-1)+C 2 (n 2 -n 1 ) PT 1 (Haupt-)Funktionsprüfung PT 2 partielle Funktionsprüfung C 1 Kosten je (Haupt-)Funktionsprüfung C 2 Kosten je partieller Funktionsprüfung n 1-1 Anzahl (Haupt-)Funktionsprüfungen n 2 -n 1 Anzahl partieller Funktionsprüfungen Je nach Verhältnis von C 1 zu C 2 ergibt sich dann eine kostenoptimale Prüfstrategie. Beispiel für hohe Kosten für PT 2 : 6 C 2 > C 1 (n 1, n 2 )=(8, 8) Beispiel für mittlere Kosten für PT 2 : 6 C 2 < C 1 (n 1, n 2 )=(6, 18) Beispiel für niedrige Kosten für PT 2 : 248 C 2 < C 1 (n 1, n 2 )=(5, 265) Folie 31 von 44

32 Überprüfung der Ergebnisse (1/2) [5] Folie 32 von 44

33 Überprüfung der Ergebnisse (2/2) [5] Folie 33 von 44

34 MODIFIKATIONEN Folie 34 von 44

35 Modifikationen - Anforderungen [1] Vorschrift zur Berechtigung und Freigabe von Modifikationen muss in Kraft gesetzt sein Vorgehen zur Beschreibung und Beauftragung der Arbeiten Analyse des Einflusses auf die funktionale Sicherheit (Einfluss vorhanden: Rücksprung in erste Phase des Sicherheitslebenszyklus) Modifizierungsarbeiten nur mit ordnungsgemäßer Genehmigung Folie 35 von 44

36 Dokumentation [1] Beschreibung der Anpassung oder Modifikation Grund für die Modifikation Erkannte, betroffene Gefahren Analyse des Einflusses der Modifikation Alle Genehmigungen Prüfungen zur einwandfrei Funktion Einzelheiten aller SIS-Änderungsarbeiten Geeignete Aufzeichnung der Konfiguration Prüfung auf negative Rückwirkungen zum restlichen SIS Folie 36 von 44

37 AUßERBETRIEBNAHME Folie 37 von 44

38 Außerbetriebnahme - Anforderungen [1] Spezialfall der Modifikation Aktualisierung der Gefährdungs- und Risikoanalyse zum Festlegen in welcher Breite und Tiefe Phasen des Sicherheitslebenszyklus wiederholt werden müssen Außerbetriebnahme-Tätigkeiten nicht ohne formelle Berechtigung Folie 38 von 44

39 DOKUMENTATION Folie 39 von 44

40 Dokumentation - Anforderungen [1] Aufbau, das System bzw. die Geräte und deren Gebrauch beschreiben präzise leicht verständlich dem Zweck entsprechen zugänglich und gepflegt Folie 40 von 44

41 Aktuell zu haltende Inhalte [1] Ergebnisse der Risiko- und Gefahrenanalyse einschließlich getroffener Annahmen Für sicherheitstechnische Funktionen verwendete Geräte und deren Sicherheitsanforderungen Für die Sicherheit verantwortliche Organisation Vorgehensweisen zum Erreichen und Aufrechterhalten der funktionalen Sicherheit des SIS Änderungsdokumentation Entwurf, Ausführung, Test und Validierung Folie 41 von 44

42 NÄCHSTE VORLESUNG Folie 42 von 44

43 Sichere Bussysteme Grundlagen Datenintegrität Datensicherheit Foundation Fieldbus und ProfiSafe Folie 43 von 44

44 Quellen [1] DIN EN 61511: Funktionale Sicherheit - Sicherheitstechnische Systeme für die Prozessindustrie. [2] VDI/VDE 2180: Sicherung von Anlagen der Verfahrenstechnik mit Mitteln der Prozessleittechnik. [3] NE 106: Prüfintervalle von PLT-Schutzeinrichtungen. [4] Siemens: Partial Stroke Test. [5] Machleidt, K.; Litz, L.: Optimal prooftests for Safety Instrumented Systems based on maintenance models. PSAM11/ESREL Folie 44 von 44