Fieldbus Safety Integrated Functions

Transkript

1 Fieldbus Safety Integrated Functions NAMUR Empfehlung NE 97 und der sicherheitsgerichtete Feldbus FF-SIF Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Kasten

2 Zertifizierung / Betriebsbewährung Zertifizierung und Normen Baumusterprüfung eines Gerätes / einer Komponente durch eine akkreditierte Stelle Norm für sicherheitsgerichtete Systeme IEC Funktionale Sicherheit in der Prozessindustrie IEC Betriebsbewährung nach NE 79 - Nachweis erfolgt durch den Hersteller oder Betreiber - Das komplette Gerät / Komponente wird bewertet (Mechanik und Electronik) 2

3 Schutzeinrichtung mit Sicherheits-SPS Schaltraum SSPS Hilfsenergie konfigurieren Feld 4-20 ma oder Ruhestrom-Prinzip Sensor konfigurieren Aktor konfigurieren betriebsbewährt zertifiziert 3

4 Betriebsbewährte Feldbusgeräte? Schaltraum Master / LAS SSPS Hilfsenergie konfigurieren Feld Busankopplung Aktor konfigurieren NE 79 betriebsbewährt zertifiziert Feldbus Sensor konfigurieren 4

5 Funktionseinheiten eines Feldbusgerätes b) Busankopplung - Hersteller-Verantwortung - Sensorik, Aktorik a) Sensorik, Aktorik - Betriebsbewährt - Feldbus c) Protokollstack - Zertifiziert - 5

6 Maßnahmen zur Datensicherheit Maßnahmen Laufende Nummer Echo Kennung für Start / Ende Datenfehler Zeitmarke Zeiterwartung Datensicherung Redundanz mit Kreuzvergleich Wiederholung X X X Verlust X X X Einfügung X X X X Falsche Abfolge X X X Verfälschung X X Verzögerung X X 6

7 ISO 7-Schichten Model Sicherheits- Protokoll 7 Application layer Anwendungen Read/Write Start/Stop File Transfer 2 Data link layer Datenzugriff Übertragungssicherheit CRC-Check CSMA/CD Token 1 Physical layer Physikalisches Übertragungsmedium Glasfaserkabel Zweidrahtkabel 7

8 Integration von Steuerung und SIF Sicherheitseingang Sicherheitssteuerung Sicherheitsausgang Standard- E/A Sicherheitsprotokoll in Schicht 7 Sicherheitsprotokoll in Schicht 7 Sicherheitsprotokoll in Schicht 7 Standard- Steuerung Nicht-sicherheitsgerichtete Komponenten der Anlagenssteuerung Standard Schichten 1-7: Elektronik, Zugriffsmethoden, Medien... nicht sicherheitsrelevant Sicherheitsbereich: sicherheitsgerichtete Kommunikation: Addressing, Watch dog timers, Sequential numbers, Signatur, etc... Sicherheitsgerichtet, aber nicht Teil des Busprotokolls 8

9 Überlegungen zu Sicherheit und SIL Umfassende Zertifizierung von sicherheitsgerichteten Feldbusgeräten wäre teuer und zeitintensiv SIL Betrachtung eines kompletten Feldbusnetzwerkes mit allen Feldgeräten wäre sehr komplex Betriebsbewährte Geräte gewährleisten die Datenqualität Zertifizierte sicherheitsgerichtete Protokollstacks garantieren die Datenintegrität Alle Datenveränderungen werden erkannt und durch entsprechende Protokollmaßnahmen korrigiert: 9 Störeinstrahlung Fehler des physikalischen Übertragungsmediums Fehlerhafte Installation des Feldbus-Netzwerkes Alterung über den Lebenszyklus SIL Betrachtung nur für Feldgerät, Protokollstack und Sicherheits-SPS notwendig

10 Überlegungen zur Verfügbarkeit Betriebliche konstruktive Maßnahmen Einhaltung der herstellerspezifischen Auflagen Verwendung geeigneter Übertragungsmedien (Glasfaser, Kupferkabel Typ A) Montage und Installation durch geschultes Personal Topologische Maßnahmen Erhöhung der Verfügbarkeit durch redundante Strukturen Feldbus - Netzwerk Signalverarbeitung Sensoren und Aktoren 10

11 Redundanzkonzepte Schaltraum Feld Master / LAS Backup LAS SSPS Busankopplung, redundant Aktor Sensor 1oo2 Sensor Aktor 1oo2 11 betriebsbewährt zertifiziert Feldbus, redundant Aktor Protokollstack

12 Fazit zur NE 97 Die Realisierung von sicherheitsgerichteten Anwendungen in Feldbustechnik ist möglich Sichere Busstrukturen können aufgebaut werden Einsatz von zertifizierten und betriebsbewährten Feldbusgeräten in der Sicherheitsanwendung ist denkbar Die Spezifikationen für sicherheitsgerichtete Feldbusse in explosionsgefährdeten Zonen sind vorhanden Gemeinsame Nutzung des Feldbusses durch sicherheitsgerichtete Geräte und Prozesssteuerung ist ein Vorteil Zuverlässige Konfiguration und Parametrierung der Buskomponenten muss sichergestellt sein 12

13 FF-Safety Integrated Functions Initiiert durch Anlagenbetreiber, Start im Oktober 2002 Basiert auf IEC und NE 97 Unterstützt SIL 2 und SIL 3 Anwendungen Konzeptfreigabe durch TÜV im Februar 2004 Protokoll-Typprüfung durch TÜV im Februar 2006 Positive Ergebnisse von 4 Demoanlagen im Mai 2007 Ausblick: am Markt verfügbar in 2010 (ARC Advisory Group) 13

14 FF-SIF Sicherheitsfunktionen H1 Kommunikation (Black Channel) ist unverändert FF-SIF Protokoll über dem Black Channel erkennt Netzwerkfehler und führt Gegenmaßnahmen durch ohne menschliches Eingreifen Gemäß IEC Black Channel SIF - Kommunikation - Diagnose Gemäß IEC

15 FF-SIF Anwendungserweiterungen Feldbus Diagnose erkennt Fehler in der Anwendung und führt Gegenmaßnahmen durch ohne menschliches Eingreifen Gemäß IEC Black Channel Gemäß IEC SIF Function Blocks & Function Block Diagnose 15

16 FF-SIF Technologie Demo Projekt An dem Demo-Projekt für FF-SIF sind mehrere, über die ganze Welt verteilte Anlagenbetreiber beteiligt Die Feldtests bilden einen wichtigen Meilenstein in der Entwicklung von FF-SIF Als Ergebnis des Projektes werden Richtlinien und Best Practices entstehen sowie Trainingsunterlagen und Interoperabilitäts-tools für Hersteller und Anwender erarbeitet 16

17 FF-SIF Testanlagen Die Tests wurden an vier Standorten durchgeführt: Shell Global Solutions Amsterdam, Niederlande Saudi Aramco Dhahran, Saudi Arabien BP Gelsenkirchen, Deutschland Chevron Houston, Texas, USA 17

18 FF-SIF Demo mitwirkende Firmen Emerson HIMA Honeywell Invensys - Triconex Yokogawa Magnetrol Siemens ABB Emerson Endress+Hauser Smar Yokogawa 18 Smar Level Pres Temp Logic Solver SIF BIFFI Dresser Eckardt Emerson Metso TopWorx Westlock Yamatake Pysical Layer Moore Hawke MTL Pepperl+Fuchs Weitere Experten Fieldbus Diagnostics Risknowlogy RuggedCom Softing TÜV Rheinland TÜV SÜD Anwender - Logic Solver BP - Honeywell Chevron - Emerson Saudi Aramco - Triconex Saudi Aramco - Yokogawa Shell Global Solutions - HIMA

19 Typischer Testaufbau 1oo2 19 Physical Lager Diagnostics

20 BP Gelsenkirchen, Deutschland 20

21 Ergebnisse von BP Gelsenkirchen Vorteile für den Anwender Niedrigste Gesamtkosten Niedrige Einstiegskosten durch einfache Skalierbarkeit des Netzwerkes auf die Gesamtanlage Daten für Asset Management sind auf allen Ebenen der Infrastruktur abrufbar Dateneingabe nur einmal notwendig Betriebsbewährt Beliebige Mischung von Anlagensteuerung und Sicherheitstechnik FF-SIF Kann ohne zusätzliche Hardware in eine existierende Feldbusstruktur integriert werden 21

22 Ergebnisse von Saudi Aramco 22 Erhöhte Sicherheit Selbstdiagnose der Feldgeräte Echtzeit-Erkennung von gefährlichen Fehlern Einfache Durchführung von Ventil - Losbrechtests Reduzierte Belastung bei manueller Fehlerprüfung Verbesserter Betrieb Manuelle Kontrolle nur bei Bedarf Neue / verbesserte Geräte-Selbstdiagnose Weniger Fehlabschaltungen des Sicherheitssystems Reduzierte Kosten Optimierte Netzwerktopologie Hohe Flexibilität bei der Installation Hochwertige Asset Management Tools

23 Ergebnisse von Shell Global Solutions Vorteile in der Projektphase Potentielle Einsparungen bei den Investitionskosten Reduzierte Planungsdauer Schnelle Anlagenkonfiguration, wenig Aufwand für Copy & Paste Strukturierter Planungsprozess Effektive, verkürzte Inbetriebnahme Insgesamt sind die Projektvorteile noch schwer zu quantifizieren 23

24 Ergebnisse von Shell Global Solutions Vorteile im Betrieb Verfügbarkeitsaspekte Kontinuierliche Diagnose und Selbstüberprüfung Optional: Control-in-the-field Durchlauf- und Qualitätsaspekte Akurate Kontrolle, wenig Messabweichungen Betriebliche Aspekte Unterstützt Reduzierung der zum Betrieb notwendigen Mannschaft Unterstützt Fernbedienung, weniger Personal in der Anlage unterwegs Wartungsaspekte Unterstützt fakten-basierte und pro-aktive Wartungsmodelle Sicherheitsaspekte Weniger Leute im Feld Weniger Personen-Transportverkehr 24

25 Ergebnisse von Chevron - OPEX Gesamtkosten - Betriebskosten Advanced Diagnostics Einfachere Erkennung von sowohl zufälligen als auch systematischen Fehlern Verbesserte Prozessverfügbarkeit und Sicherheit durch reduzierte Fehlabschaltungen Verlängerte Testintervalle Integrierte Systeme (PCS, SIS, Ventil) ermöglichen einfache Ventiltests durch HMI Verbessertes Asset Management Integration von Gerätediagnosen mit HMI Einfachere Gerätewartung Kurze Stillstandszeiten Schnellere Tests und Inbetriebnahme von Geräten 25

26 Ergebnisse von Chevron - CAPEX Gesamtkosten - Kapitalkosten Schnellere Inbetriebnahme Engineering tools erlauben schnelles Hochfahren der Anlage Weniger Platzbedarf Keine Rangierverteiler notwendig Weniger Hardware Wegfall von HART Multiplexern reduziert die Komplexität Digitale Positioner benötigen keine Magnetventile oder Grenzschalter Reduzierter Aufwand bei Verdrahtung und Klemmen Zusätzliche externe Diagnosemöglichkeiten unterstützen die installierte Hardware Volle Interoperabilität von Geräten unterschiedlicher Hersteller 26

27 PFD Analyse Verbesserung des PFD mit FF-SIF, aufgrund der verbesserten Diagnosemöglchkeiten 27

28 Sichere Infrastruktur für FF-SIF Feldbus-Installationstechnik ist kein Teil der SIL-Betrachtung, daher muss sie: Anlagenstillstände aufgrund von Problemen im Physical Layer vermeiden Eine maximale Verfügbarkeit der sicherheitsgerichteten Komponenten sicherstellen Durch eine klar strukturierte Topology eine schnelle Fehlerlokalisierung und behebung unterstützen Eine Verfälschung von sicherheitsgerichteten Daten durch negative externe Einflüsse, z.b.: durch Spannungsspitzen, verhindern Den notwendigen Explosionsschutz sicherstellen 28 Die CAPEX und OPEX Vorteile der Feldbustechnologie nicht durch Zusatzanforderungen für SIF vermindern

29 Topologie: Empfehlung der Anwender Control System Power Supply Mehrere große Produktionsanlagen in Betrieb Basierend auf Feldbus Barrieren Konzepten Vorgestellt auf der NAMUR Hauptversammlung November

30 Topologie und Verfügbarkeit Hinreichend geschirmte Kabel Flexible Möglichkeiten zur Isolation Redundanzkonzepte für Hosts und wichtige Komponenten Erweiterte Diagnose des Physical Layers Überspannungsschutz Schutz gegen Rückwirkung von Kurzschlüssen 30

31 Vielen Dank 31

32 Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Kasten Marketing Communications Manager Pepperl+Fuchs GmbH Vice Chairman German Marketing Council Fieldbus Foundation 32