PFD-Berechnung für komplexe Prüfkonzepte

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1 PFD-Berechnung für komplexe Prüfkonzepte Neuausgabe VDI/VDE 2180 Blatt / Thomas Gabriel covestro.com

2 Inhalt Inhalte der VDI/VDE 2180 Blatt 4 Neuerungen in der Strukturellen Eignung Neuerungen im Verfügbarkeitsnachweis Exkurs Prüftiefe Neue Rechenformeln covestro.com 2

3 Inhalte der VDI/VDE 2180 Blatt 4 Einordnung IEC EN (Railway) generisch abstrakt spezifisch konkret IEC (Nuclear) 3 IEC (Process Industry) IEC (Machinery) NAMUR- Empfehlungen VDI / VDE 2180 Umsetzungshilfen für Konzepte der (DIN EN) IEC 61511, u.a. Lebenszyklus Betriebsbewährung Instrumentierung PFD-Berechnung

4 Inhalte der VDI/VDE 2180 Blatt 4 Einordnung VDI/VDE 2180 vor 2007: Keine Erfahrung mit PFD i.s.d. Funktionalen Sicherheit DIN EN :2005, , ANMERKUNG 1: Es existiert eine Reihe von Modellierungs-Methoden, wobei die Auswahl der geeignetsten Methode Sache eines Analytikers ist und von den Gegebenheiten abhängt. IEC : Markov-Modelle, Monte-Carlo- Simulationen, Fehlerbaumanalyse, VDI/VDE ab 2007: Vereinfachte PFD-Berechnungsformeln und Systemaggregationsmethodik Anwendbarkeit 4

5 Inhalte VDI/VDE 2180 Blatt 4 Überblick Gegenwärtiges VDI/VDE 2180 Blatt 4 (2010): Umsetzung von Anforderungen an Strukturelle Eignung eingeschränkt übernommen aus IEC vereinfachte Berechnungsformeln für Verfügbarkeitsnachweis basierend auf IEC Mit neuer IEC wird Überarbeitung von VDI/VDE 2180 Blatt 4 erforderlich: Strukturelle Eignung anpassen auf neue IEC Berechnungsformeln auf aktuelle relevante Themen erweitern (Prüftiefe, diversitäre Redundanz) 5

6 Inhalt Inhalte der VDI/VDE 2180 Blatt 4 Neuerungen in der Strukturellen Eignung Neuerungen im Verfügbarkeitsnachweis Exkurs Prüftiefe Neue Rechenformeln covestro.com 6

7 Strukturelle Eignung Im Vergleich VDI/VDE 2180 Blatt 4 (2010) SIL Minimale HFT PU npu PU: Prior Use - Betriebsbewährung VDI/VDE 2180 Blatt 4 (neu) SIL Minimale HFT Zusatzanforderung: Alle Geräte qualifiziert für Verwendung in PLT- Sicherheitseinrichtungen (Blatt 2) bevorzugt Betriebsbewährung, ggf. auch Entwicklung in Übereinstimmung mit IEC Generelle Annahmen: kein SIL 4, Low Demand Mode, SSPSen nach IEC geeignet 7

8 Inhalt Inhalte der VDI/VDE 2180 Blatt 4 Neuerungen in der Strukturellen Eignung Neuerungen im Verfügbarkeitsnachweis Exkurs Prüftiefe Neue Rechenformeln covestro.com 8

9 Verfügbarkeitsnachweis Grenzwerte PFDavg-Grenzwerte SIL Mittlere Versagenswahrsch. bei Anforderung 1 < 0,1 2 < 0,01 3 < 0,001 Keine grundsätzlichen Änderungen in neuer IEC und damit neuem VDI/VDE 2180 Blatt 4 zu erwarten Langjährige Diskussion über Signifikanz des quantitativen Ansatzes reale Verfügbarkeit nur teilweise abgebildet systematische Einflüsse i.d.r. nicht quantifizierbar, jedoch in der Praxis dominant Modellannahmen der zugrundeliegenden IEC real nicht immer zutreffend Mechanik, Prozessanalysentechnik, nach wie vor große Bandbreite der Kompetenz von Geräteherstellern Zusammenführung von Daten unterschiedlicher Herkunft Herstellerangaben via FMEDA oder Rückläufermanagement, eigene Stördaten, Datenbanken, Expertenbewertung, Generelle Annahmen: kein SIL 4, Low Demand Mode 9

10 Verfügbarkeitsnachweis Systematik Systemaggregationsmethodik Vereinfachte PFD-Berechnungsformeln PFD Total = PFD S + PFD L + PFD FE PFD S PFD G,i PFD 1 2 und PFD FE PFD G,j PFD PFD PFD PFD Generelle Annahme: keine Redundanz zwischen Sensor-, bzw. Aktorgruppen (NooN) 10

11 Verfügbarkeitsnachweis Randbedingungen Vereinfachte PFD- Berechnungsformeln basieren auf einer Reihe notwendiger Annahmen, u.a. Beitrag von gefährlich erkannten Fehlern (via λ DD ) vernachlässigbar starres Prüfintervall T 1 per Gruppe homogene Kanalinstrumentierung per Gruppe perfekte wiederkehrende Funktionsprüfung... 11

12 Inhalt Inhalte der VDI/VDE 2180 Blatt 4 Neuerungen in der Strukturellen Eignung Neuerungen im Verfügbarkeitsnachweis Exkurs Prüftiefe Neue Rechenformeln covestro.com 12

13 Exkurs Prüftiefe Herkömmliches Prüfkonzept nach VDI/VDE 2180 Einfaches Prüfkonzept für Redundanzgruppe Beispielhafter zugehöriger PFD-Verlauf PTC: Proof Test Coverage ( Prüftiefe ) Anteil der bei der Funktionsprüfung aufgedeckten DU-Fehler (zufällige Fehler!) vereinfachte PFD-Berechnungsformeln liefern unmittelbar den über eine Periode T 1 gemittelten PFDavg Versagenswahrscheinlichkeit Grenzwert für SIL2 Zeit [Jahre] PFDavg 13

14 Exkurs Prüftiefe Realisierung von 100%-Prüfungen Intuitive 100%-Prüfung Scharfes Auslösen in vielen Fällen sicherheitstechnisch nicht vertretbar Provokation von LOPC Begleitrisiken (VDI/VDE2180: ausgehen von Versagen bei Prüfung) wirtschaftlich nicht vertretbar Schädigung von Apparaten (z.b. Brennkammern bei wiederholtem An- und Abfahren) produktionstechnisch aufwändig (z.b. Anfahren Überfüllsicherung Lagertank mit Produkt) LOPC: Loss Of Primary Containment Intuitive 100%-Prüfung Ausbau und Prüfung in Fachwerkstatt Dichtigkeitsprüfung von Ventilen auf Prüfstand Kalibrierung von Sensoren beim Hersteller Grundsätzlich durchführbar, jedoch i.d.r. nur bei Anlagenstillstand / Revision realisierbar Dekontamination des Equipments erforderlich hoher Aufwand und ggf. Folgefehler durch Deund Re-Montage generelles Black Box -Problem, Sicherstellen eines Gerätezustands ohne genaue Kenntnisse des internen Aufbaus generelles Problem des prozessfernen Prüfens 14

15 Exkurs Prüftiefe Alternative Konzepte Redundanzgruppe ohne Funktionsprüfung Beispielhafter zugehöriger PFD-Verlauf Selbst einfache PLT-Sicherheitseinrichtungen (ein Sensor, ein Aktor, z.b. Überfüllsicherung) genügen ohne Prüfung i.d.r. nicht den Anforderungen Prüfungen an PLT-Sicherheitseinrichtungen decken nicht nur berechnungsrelevante, sondern auch systematisch bedingte Fehler auf Versagenswahrscheinlichkeit PFDavg Zeit [Jahre] Grenzwert für SIL2 15

16 Exkurs Prüftiefe Erweitertes Prüfkonzept gem. neuer VDI/VDE 2180 Erweitertes Prüfkonzept für Redundanzgruppe Beispielhafter zugehöriger PFD-Verlauf Grenzwert für SIL2 PFDavg T 0 : Zwischenprüfung mit PTC<100% (z.b. Partial Stroke Test, Prüftasten an Transmittern, ) T 1 : Funktionsprüfung mit PTC<100% T 2 : Prüfung mit PTC=100% Zeit [Jahre] 16

17 Inhalt Inhalte der VDI/VDE 2180 Blatt 4 Neuerungen in der Strukturellen Eignung Neuerungen im Verfügbarkeitsnachweis Exkurs Prüftiefe Neue Rechenformeln covestro.com 17

18 Neue Rechenformeln Überblick Erweitertes Angebot von PFD-Rechenformeln unter Berücksichtigung von diversitärer Kanalinstrumentierung unvollständiger wiederkehrender Funktionsprüfung Zwischenprüfungen in kürzeren Abständen für alle gängigen Redundanzen (1oo1, 1oo2, 2oo3,...) Basierend auf Rechenformeln aus IEC B mit Erweiterungen nach IEC B Beispiel 1oo1 Prüftiefe bei wiederkehrender Funktionsprüfung Intervall der Zwischenprüfung Prüftiefe bei Zwischenprüfung,,,,,,,, 1,,,!, ", # Kanalfehlerrate bzgl. gef. Unerkannter Fehler Mission Time mit 100%-Prüfung 18 Intervall der wiederkehrenden Funktionsprüfung

19 Neue Rechenformeln Überblick Beispiel 1oo2 Relevante Randbedingungen Fehlerraten beziehen sich auf Kanäle Prüftiefen sind jeweils bezogen auf die gesamte DU-Kanalfehlerrate Prüftiefe individuell für jeden Kanal wählbar diversitäre Instrumentierung Intervalle gelten einheitlich für die gesamte Redundanzgruppe Prüfungen bauen jeweils aufeinander auf Woher kommen die PTC-Werte? Gerätehersteller? Anwender? Konfiguration Kanal 1: $,0 $,0 &,$ $,1 ' $,1 $,0 ( &,$ $,2 '1 $,1 ( &,$ Mittelwerte für Common-Cause-Anteil: 0,*+, $,0 ),0 2 1,*+, $,1 ),1 2 0,*+, 0,*+, min0 &,$, &,) 1 1,*+, ' 1,*+, 0,*+, ( min0 &,$, &,) 1 2,*+, '1 1,*+, ( min0 &,$, &,) 1 PFDavg: 0 $ 2134 $,0 2 $,1 1 2 $, ) 2134 ),0 2 ),1 1 2 ), Konfiguration Kanal 2: ),0 ),0 &,) ),1 ' ),1 ),0 ( &,) ),2 '1 ),1 ( &,) Vorzugebende Parameter *+, 2134' $ ),0 ) $,0 ( 0 ' 3 $ ),1 ) $,1 ( 1 ' 3 $ ),2 ) $,2 ( ,*+, 1 2 1,*+, 2 2 2,*+,7 19

20 Neue Rechenformeln Herausforderungen bei der PTC-Bestimmung Prüfmethode und umfang werden anwenderseitig festgelegt 20 Resultierende Kanalprüftiefe PTC, PTC, PTC, Kann nicht herstellerseitig ermittelt werden Gerätebezogene Prüftiefe, z.b. Plausibilisierung... aber ich sehe doch, dass sich das Sensorsignal noch bewegt.... die andere Messstelle im Reaktor zeigt immer einen ähnlichen Wert an der Sensor kann also nicht kaputt sein.... beim Abfahren der Anlage fällt die Temperatur nachprüfbar auf Raumtemperatur ab das ist doch dann plausibel...? Kann nur mit Herstellerunterstützung ermittelt werden Hohes Komplexitätspotential Nutzen einer fallspezifischen detaillierten Analyse? Aussage über Aufdeckung systematischer (Anwendungs-)Fehler?

21 Neue Rechenformeln Prüf-Toolbox Benötigt: Generische Aussagen zur Kanalprüftiefe für typische Prüfmethoden der Prozessindustrie Prüf-Toolbox in NE 106 Diagnosetools Referenzmessung 4-20mA-Prüfung Prüftaste Funktionsprüfung Produktqualität Sichtprüfung Lastwechsel 21

22 ZUSAMMENGEFASST Die neue VDI/VDE 2180 Blatt 4 wird Neuerungen in der Strukturellen Eignung gemäß IEC Rev. 2 aufgreifen ein erweitertes Spektrum von PFD-Berechnungsformeln bieten zur Berücksichtigung von unvollständigen Funktionsprüfungen diversitärer Redundanz inhaltlich stark mit NE 106 bezüglich Zahlenwerten für die Prüftiefe (PTC, Proof Test Coverage) verlinkt sein synchronisiert mit DIN EN Rev. 2 und restlichen Blättern der VDI/VDE 2180 erscheinen 22

23 Vielen Dank! Thomas Gabriel covestro.com