Funktionale Sicherheit

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1 Funktionale Sicherheit.. Anspruch und Wirklichkeit Der richtige Weg zur funktionalen Sicherheit in der praktischen Umsetzung für das Gesamtsystem Beschäftigen wir uns noch mit dem Richtigen? Hans Christian Schröder Kraftwerks- und Anagenservice Mannheim, 21. Februar 2013 Folie 1

2 Gliederung Begriffsdefinitionen Regelwerkspyramide / Allgemeines SIL und Historie Anforderung an Leitsysteme Risikograf / Methodik / Stand der Technik Ansätze / Auswirkungen von risikoorientierter Betrachtung Funktionale Anlage und Vorgehensweise bei Bewertung Fehlerarten und Fehlerstatus Methodik Risikobeherrschung Loopbetrachtung von Schutzsysteme Einfluss auf Betriebseigenschaften Schlussfolgerung Gedanken von Prof. Renn Folie 2

3 Anlagenmanagement und Kundennutzen Wir sind ihr Partner in den Bereichen: Plangerechte Ausführung und QS Projekte Sicherstellung / Erhöhung der geplanten Verfügbarkeit Verlängerung bzw. Flexibilisierung von Revisionszyklen Sicherstellung bzw. Verlängerung der projektierten Lebensdauer Optimierung Instandhaltungsstrategie Einschätzung und Dokumentation von Risiken

4 Basiselemente Errichtung Grundlagenplanung Ausführungsplanung Ausschreibung/Vergabe - Wärme- und VT-technische Auslegung - Standortbewertung - Risikoanalyse Genehmigungsplanung - Konstruktive Auslegung Erstellung Spezifikationen - Leistungsverzeichnisse - Angebotsvergleich -... Bauleitung/Bauaufsicht Inbetriebsetzung/Abnahme Claim Management - Bauabwicklung - Terminüberwachung - Qualitätsüberwachung Erst./Überwachung IBS-Programme - Gewährleistungs-/Leistungsmessung - Betriebshandbücher Dokumentationen - Kosten-/Termin-/Vertragsanalysen - Forderungsvergleich -...

5 Basiselemente Betrieb Betriebsführung Prozessführung - Personalqualifikation - Organisation - Logistik Verfahrenstechnik - Prozessleittechnik - MSR-Technik -... Anlagenbewertung Wirtschaftlichkeit Standort / Umwelt - Zustandsbewertung - Lebensdauerbewertung Instandhaltungsstrategie - Kosten/Nutzen-Analysen - LCC (Life-Cycle-Costs) Risikobetrachtungen - Nutzwertanalyse -...

6 Aktuelle Projekte Forschungsprojekte Teststrecke GKM HWT I / HWT II Neubauprojekte GKM / Block 9 und EnBW RDK 8 Neubauprojekt Solarthermische Anlage in Spanien Baubegleitende Tätigkeiten im In- und Ausland Betreuung der Kraftwerksstandorte in Baden-Württemberg Betreuung MVA s in Baden-Württemberg Schadensbegutachtungen Gutachterliche Tätigkeiten und Mediation Kunden / Gerichte Generierung neuer Dienstleistungen und Bearbeitung zukünftiger Themen in Form von Praktika / Diplomarbeiten mit Studenten

7 Grundsätzlich können wir Ihnen bei Ihrer Anfrage helfen. Neue Kraftwerkskonzepte Neue Kraftwerkskonzepte... erfordern neue Strategien neue Werkstoffkonzepte angepasstes Engineering angepasste QS und Spezifikationen angepasste Prüfkonzepte andere Lebensdauerbetrachtung hohe Anforderung an Regelung mit hoher Regelgüte (EMSR) Trendgüteüberwachung optimierte Betriebskonzepte angepasste Instandhaltungsstrategie ganzheitliches Engineering Gilt das noch nach der Energiewende? November 2011

8 Begriffsdefinitionen benannte Stelle / DGRL harmonisierte Normen Konformitätsvermutung Herstellerbescheinigung Herstellererklärung zugelassene Überwachungsstelle (ZÜS) / BSV 8

9 Begriffsdefinitionen Bestandsschutz alte Regelwerke und vorhandene Genehmigung neue Regelwerke und Genehmigung bei Neubau, Modernisierung und Umbaumaßnahmen funktionale Gesamtabnahme 9

10 Begriffsdefinitionen Gesetzesanforderungen Gefährdungsbeurteilung (BSV) SIL Performence-Level Schutz-Niveau-Stufe Prüffristen Gefahrenanalysen (DGRL) Risikobeurteilung (MRL) 10

11 Sicherheitsbetrachtung Was ist der Unterschied zwischen einer Risiko- und Gefahrenanalyse Muss Errichter erstellen Enthält Gefahren und deren Minderung für das/die Teil/Komponente Grundlage des Sicherheitskonzeptes Forderung der Richtlinie Gefährdungsbeurteilung Muss Betreiber erstellen Enthält die Gefahren beim Umgang mit der Anlage (funktional) Teil des Sicherheitskonzeptes Forderung der Betriebssicherheitsverordnung 11

12 Gefährdungsbeurteilung Methodische Ansätze Ereignisablaufanalyse (Event Tree Analysis) Fehlerbaum- Analyse (Fault Tree Analysis) FMEA (Failure Mode and Effects Analysis PAAG- Verfahren (HAZOP- Analysis) Sicherheitsgespräche Ursache- Wirkungs- Analyse LOPA- Verfahren

13 Was ist Funktionale Sicherheit (1) Was ist Funktionale Sicherheit? Wozu ein Schutzsystem? Reicht eine qualifizierte Regelung nicht aus? Warum ein Schutzsystem basierend auf der Systemplattform eines Leitsystems? Systemkonzept des Schutzsystems Qualifizierung des Schutzsystems Einsatz des Schutzsystems in Kesselschutz-Projekten

14 Was ist Funktionale Sicherheit (2) Sicherheit ist die Freiheit von unvertretbaren Risiken der physischen Verletzung oder Schädigung der Gesundheit von Menschen, entweder direkt oder indirekt als ein Ergebnis von Schäden an Gütern oder der Umwelt. Funktionale Sicherheit ist der Teil der Gesamtsicherheit, der davon abhängig ist, dass ein System oder ein Betriebsmittel korrekte Antworten auf seine Eingangszustände liefert. D.h. die korrekte Funktion eines Schutzsystems inklusive der Sensoren und Aktoren. Quelle: DIN EN Bl1 E1

15 Was ist Funktionale Sicherheit (3) Beispiel: Ein Übertemperatur-Schutzgerät, das Temperatursensoren in den Wicklungen eines elektrischen Motors verwendet, um den Motor abzuschalten, bevor er sich überhitzen kann. Das Bereitstellen einer speziellen Isolierung, um hohen Temperaturen standzuhalten, ist kein Beispiel für funktionale Sicherheit, obwohl es immer noch ein Beispiel für Sicherheit ist und gegen genau die gleiche Gefährdung schützen könnte. Ist eine konstruktive Lösung und hat nichts mit der funktionalen Sicherheit zu tun. Wenn diese Temperaturüberschreitung über Sensoren in eine Schutzabschaltung (elektronisch) überführt wird, handelt es sich um eine sogenannte funktionale Sicherheit. Analog wäre z. B. auch ein mechanisches SV zu nennen HDU wäre funktionale Sicherheit

16 Abgrenzung zw. Betr-, Überw. & Schutzeinrichtung

17 Wozu ein Schutzsystem? (1) Reicht eine qualifizierte Regelung nicht aus? Aufgaben der Regelung Optimale Führung von Prozessgrößen beim Anfahren und bei Laständerungen Halten der Prozessgrößen auf vorgegebenen Sollwerten auch bei Störungen Verhindern, dass die Prozessgrößen bei Störungen in unzulässige Bereiche kommen Anforderungen an die Regelung Regelung muss optimal auf die zu erwartenden Störungen eingestellt sein Optimale Regelungsstruktur + optimale Parameter Regelung muss die Regelungsaufgaben mit hoher Zuverlässigkeit erfüllen Fehlertolerante Systemstruktur (Redundanz) + zuverlässige Systemkomponenten (geringe Ausfallraten)

18 Wozu ein Schutzsystem? (2) Reicht eine qualifizierte Regelung nicht aus? Grenzen der Regelung Notwendigkeit des Schutzes Schutz muss eingreifen, wenn Eine Störung vorliegt, die von der Regelung prinzipiell nicht beherrschbar ist Eine Störung vorliegt die von der Regelung aufgrund der Intensität oder Dynamik nicht beherrschbar ist Eine Störung der Regelung selbst vorliegt, so dass sie ihre Funktion nicht wahrnehmen kann Prinzipien der Entwurfsplanung Schutzeingriffe vermeiden durch eine leistungsfähige und fehlertolerante Regelung Bei notwendigen Schutzeingriffen habe Schutzeingriffe Vorrang Auslösegrenzen so festlegen, dass unnötige Auslösungen vermieden werden

19 Was ist ein Sicherheits-Integritätslevel (SIL)? Ein Sicherheits-Integritätslevel ist eine von vier Stufen, wobei jede einem Bereich einer Zielwahrscheinlichkeit des Ausfalls einer Sicherheitsfunktion entspricht. Anforderungsfall Betriebsdauer in h Low Demand PFD PFH SIL SIL SIL SIL High Demand (Faktor ) Es ist anzumerken, dass ein Sicherheits-Integritätslevel eher eine Eigenschaft einer Sicherheitsfunktion als eines Systems oder irgendeines Teils eines Systems ist.

20 Schutzsystem auf Basis eines Leitsystems (1) Warum ein Schutzsystem basierend auf der Systemplattform eines Leitsystems Bisherige Sicherheitsfunktionen (konstruktive) werden in wachsender Anzahl durch elektrische, elektronische und programmierbare elektronische Systeme ausgeführt. Ausschöpfung des Potentials der E/E/PE-Technologie zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit bzgl. Sicherheit, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Anlagen. Ermöglichung von technologischen Entwicklungen innerhalb der sicherheitsbezogenen Systeme. Die Herausforderung besteht darin, die Systeme derart zu entwerfen, dass gefahrbringende Ausfälle verhindert werden, oder diese zu beherrschen, wenn sie auftreten.

21 Schutzsystem auf Basis eines Leitsystems (2) Gefahrbringende Ausfälle können auftreten durch: fehlerhafte Spezifikation des Systems, der Hardware oder der Software; Lücken in der Spezifikation der Sicherheitsanforderungen (z. B. werden nicht alle für die verschiedenen Betriebsarten relevanten Sicherheitsfunktionen bestimmt); zufällige Hardwareausfälle; systematische Hardwareausfälle; Softwarefehler; Ausfälle gemeinsamer Ursache; menschliches Versagen; Umwelteinflüsse (z. B. elektromagnetische, temperaturbedingte oder mechanische Phänomene); Störungen des Versorgungsspannungssystems (z. B. Verlust der Versorgung, reduzierte Spannungen, Wiederkehr der Versorgung).

22 Definition eines Risikos Sicherheit Risiko ist nicht Höher als höchstes Vertretbares Risiko Restrisiko Höchstes vertretbares Risiko Gefahr Risiko ist höher als höchstes vertretbares Risiko Risiko ohne Schutzmaß nahmen Mindestnotwendige Risikominderung Org.Maß. Tatsächliche FS-Steuerung Risikominderung Konstruktive-Maß. niedrig Risiko hoch

23 Normenpyramide Entscheidungsfreiheit Individuelle Lösungen Freiraum Gesetze Verordnungen Normen z.b. DIN EN Nationale Standards Z.B. VDE-Regeln Konkrete Festlegungen Fixierte Lösungen der allgemeinen Sicherheit SHE Versicherungsanforderungen Z.B. VDS-Regelwerk Werksnormen

24 Trennung von Beschaffenheit und Betrieb Herstellung benannte Stelle Betreib (ZÜS) Nationale Verordnungen 14. ProdSV Harmonisierte EN-Normen EN / EN Nicht Harmonisierte Normen z. B. TRD, ASME, Werksnormen Bindend Bindend Bindend Variabel Richtliene 95/63/EG EG-Recht DGRL 97/23/EG Nationales Recht Produktsicherheitsgesetz Betriebssicherheitsverord nung Technische Regeln für Betrieb und Sicherheit TRBS Nationale Normen DIN / DIN (TRD, TRB oder TRR) Sonstige Technischen Richtlinien, UVVs VDS- und BG-Richtlinien Werksnormen

25 Normen Keine bestehende gesetzliche Verpflichtung Normen oder harmonisierte Normen einzuhalten Einhaltung der Norm Nichteinhaltung der Norm Vermutungswirkung Einhaltung allgemein anerkannter Regeln der Technik Trotz Einhaltung der Schutzziele der Norm Beweislast bei Behörden, Gericht, Staatsanwalt Beweislastumkehr Im Ereignisfall (SHE)

26 SIL in den aktuellen Normen (1) DIN EN Sicherheits-Grundnorm nur für Einzelgeräte! Gilt für elektrische/elektronische/programmierbarer elektronischer Systeme die Sicherheitsfunktionen ausführen Unabhängig vom Anwendungsgebiet Betrachtung des gesamten Sicherheitslebenszyklus Definition des SIL zur Spezifikation der Sicherheitsintegrität von Sicherheitsfunktionen Risiko-basierte Festlegung des SIL Festlegung von Ausfallgrenzwerten 26

27 SIL in den aktuellen Normen (2) DIN EN Anwendung der Grundnorm DIN EN in der Prozessindustrie Festlegung der Sicherheitsanforderung durch Risikobeurteilung Zuordnung der Sicherheitsanforderungen zu sicherheitstechnischen Systemen Beschreibung von Methoden zur Erlangung der Funktionalen Sicherheit Behandlung des gesamten Sicherheitslebenszyklus Verwendung des probabilistischen Ansatzes 27

28 Beziehungen DIN EN zu DIN EN IEC = Anwenderbezogene Umsetzung der IEC Anwender = Prozessindustrie einschließlich Chemieindustrie, Raffinerien, Öl- und Gasförderung, konventionelle Stromerzeuger

29 Anlagensicherheit Methodik Risikobeherrschung SHE im Focus! gesellschaftlich akzeptiertes Risiko

30 SIL in den aktuellen Normen (3) DIN EN Anwendung der Grundnorm DIN EN für Feuerungsanlagen Festlegung der Sicherheitsanforderung durch Risikobeurteilung Zuordnung der Sicherheitsanforderungen zu sicherheitstechnischen Systemen Behandlung des gesamten Sicherheitslebenszyklus Verwendung des deterministischen Ansatzes Beschreibung zu Planung und Errichtung der elektrischen Ausrüstung und PLT-Schutzeinrichtung Beschreibung zu Methoden und Komponenten zur Erlangung der Funktionalen Sicherheit Vorgabe zur technischen Dokumentation 30

31 SIL in den aktuellen Normen (4) VDI/VDE 2180 Anleitung zur praktischen Umsetzung der Forderungen aus der DIN EN Gilt für Anlagen der Prozessindustrie, insbesondere für die von der Störfallverordnung betroffenen Anlagen Beschreibt Planung, Errichtung und Betrieb von PLT- Schutzeinrichtungen Vereinfachte Berechnung gegenüber der DIN EN Verwendung des probabilistischen Ansatzes 31

32 Ingenieurkompetenz früher und heute? früher 20 % methodische Ansätze (Werkzeug) 80 Fachkompetenz heute 80 % methodische Ansätze (Treiber) 20 % Fachkompetenz Ingenieur bedeutet: das Ganze im Geist zu überblicken! Folie 32

33 Gefahrenanalyse / Gefährdungsbeurteilung Risikograph nach z. B. nach VDI 2180

34 Diskrepanz der Anwendbarkeit Risikografen DIN EN 61508/11 DIN EN DIN VDE 2180 Folie 34

35 Definition funktionsfähige Baugruppe Das Funktionieren einer Anlage ist abhängig vom Zusammenspiel der einzelnen Anlagenkomplexe und einer optimalen Regelung! Für eine Anlage werden beispielsweise als zusammenhängende funktionsfähige Baugruppe folgende Anlagenkomplexe definiert: Dampferzeuger, Rauchgasreinigung, Wasser-Dampf- Kreislauf und E- und Leittechnik. Bescheinigung TÜV SÜD für funktionsfähige Baugruppe inkl. der implementierten Prozessleittechnik im Gesamtsystem Bescheinigung und Bewertung des Anlagenschutzes auf Grundlage DIN EN Hierbei werde alle Anlagenbereiche und deren funktionale Zusammenhänge in einem ganzheitlichen Kontext bewertet (risiko- und ereignisorientiert) CE-Erklärung und Bescheinigung CE-Erklärung und Bescheinigung CE-Erklärung und Bescheinigung CE-Erklärung und Bescheinigung DE RRA W&D EMSR 35

36 Bewertung von Wechselwirkungen Wechselwirkungen Einflüsse bei der Bewertung von Gefahren und Risiken im Rahmen einer gesamtheitlichen Gefährdungsbeurteilung auf Grundlage von DIN EN , 61511, 50156, 62061, VDI/VDE 2180 Arbeitsplatz Stoffe

37 ganzheitliche Bewertung Bewertung nach SHE und/oder Betriebsanforderungen Konzeptbewertung / Anlagenbewertung ERFAHRUNG Definition des gesamten Anwendungsbereiches Verfahrens- und Betriebskonzept, Umwelt, Sicherheit, Regelwerke Gefährdungs- und Risikoanalyse Gesamte Sicherheitsanforderungen Prozessanforderungen! Definition und Zuordnung der Arbeitsplätze

38 Fehlerarten und Auswirkung Fehler aktiver (unkritisch, weil dieser den sicheren Zustand herbeiführt aber bei Verlust der Verfügbarkeit) passiver (gefährlich, dieses gilt es zu beherrschen und zu entdecken) Auswirkung SHE (Mindestanforderung sind zu erfüllen) führt zu Schaden (Teile, Komponente, Funktion, System, Anlage) Auswirkung führt zu Ausfall (Teile, Komponente, Funktion, System, Anlage) führt zu Verfügbarkeitsbeeinträchtigung Hierauf sind die Anforderungen auf Grundlage sicherheitstechnischer Anforderungen hinsichtlich Arbeits-, Gesundheits-, Personen- und Umweltschutz zu erfüllen in Form organisatorisch und/oder technischer Maßnahmen Folie 38

39 Allgemeine Betrachtung Schutzsysteme Sicherheitsrelevante Komponenten dürfen nicht für sich allein betrachtet werden, sie müssen immer in ihrer gesamten Wirkungskette (Loop) betrachtet werden. Zur Wirkungskette gehören auch immer die Prozessanbindungen Aufteilung der Fehlerquellen innerhalb der Wirkungskette Fehlerquellen Sicherheitsgericht et Prozessanbindung Signalgeber Schutzeinrichtung Stellglied Prozesseinbindung Schutzsystem

40 Unschärfe der Berechnung Weit über 60% der Fehler in Sicherheitssystemen werden noch vor der Inbetriebnahme eingebaut Spezifikation; 44 Änderung nach IBN; 20,6 Betrieb & Wartung; 14,7 Nur dieser kleine Anteil alle Fehler kann mit einer PFD/PFH Berechnung erfasst werden! Planung & Implementi erung; 14,7 Installation & IBN; 5,9 Dies macht deutlich das ein Sicherheitssystem nur mit einem funktionierenden Sicherheitsmanagement sowie entsprechendem Qualifiziertem Personal in Betrieb genommen werden darf

41 Herstellerangaben sicherheitst. Kenndaten Notwendige sicherheitstechnischer Angaben eines SIL-Zertifikates Kenndaten: Ausfallraten für sicherheitsgerichtete unentdeckte Ausfälle = sicherheitsgerichtete entdeckte Ausfälle = gefährliche unentdeckte Ausfälle = gefährliche entdeckte Ausfälle = SU SD DU DU DD In der Regel gibt es nur die Angaben für und / oder DD bzw. Gesamtwert in Form statistischer Werte ohne eindeutigen Praxisbezug Folgende Angaben sind notwendig, werden aber nicht komplett geliefert: Wahrscheinlichkeit für das Versagen bei Anforderung = PFD / PFH die zulässige Betriebsart = Low Demand / High Demand der Ausfallwahrscheinlichkeit Hardwarefehlertoleranz = HFT Gerätetyp (A= einfaches Teilsystem, B= komplexes Teilsystem) zugrundliegendes Prüfintervall für angegebene SIL-Stufe = T 1 nutzbare Lebensdauer (i.d.r. 8 bis 12 Jahre) Angaben wie geeignet bis SIL 3 macht Fehlinterpretationen möglich und zur Erreichung eines sinnvollen SIL sind unbedingt Angaben zum Redundanzgrad (HFT) notwendig. TÜV SÜD Industrie Service GmbH Kraftwerks- und Anlagenservice 41

42 Lambdawerte eines Zertifikates

43 Datenüberprüfung aus Zertifikat SD SU Angaben aus Zertifikat DD DU SD SD SU DD SU DD DU 0, ,83% Die nachträgliche rechnerische Überprüfung ergab somit einen realen Wert von: SFF = 68,83% kein Gerätetyp B (A!!!) Im Zertifikat wird ein wesentlich höherer Wert ausgewiesen: SFF = >90,00%

44 Anteil der sicheren Fehler nicht verwendbar oder redundant ausführen

45 Abhängigkeit des PFD-Werts vom Prüfintervall T 1 (2) SIL 1 Angabe in Zertifikaten ist nur eine SIL-Fähigkeit des geprüften Gerätes!!! Für die Prozessanwendung muss das nicht stimmen und möglicherweise erfordert diese notwendige Redundanzen!!! Grundmotivation aus unserer Sicht: Stellschraube Marketing orientiert!? SIL 2 SIL 3 Ti t

46 Schlussfolgerung Funktionale Betriebssicherheit auf Grundlage nicht zertifizierten Geräten ist das möglich? Redundante Strukturen mit einer geeigneten Diagnose zur Aufdeckung von Passivfehlern sind zertifizierten Geräten vorzuziehen (betriebliche Leittechnik auch für Schutz nutzen) Sicherer Anlagenbetrieb mit SIL möglich? Wie glaubwürdig sind Zertifizierungen? Im Focus steht: Kommerzielle Vermarktung und Absicherung der Verantwortlichkeit durch diese Zertifkate mit SIL Eine funktionale Gebrauchsfähigkeit dieser Einzelgeräte innerhalb eines Regelungs- und Schutzsystems steht dabei nicht im Focus 46

47 Kontaktdaten Haben Sie Fragen Hans Christian Schröder Thomas Leidel, Karsten Klingler TÜV SÜD Industrie Service GmbH Kraftwerks- und Anlagenservice Arbeitsbereich funktionale Sicherheit in EMSR- Technik, Maschinen- und Explosionsschutz Dudenstraße Mannheim Telefon +49 (0) i 47 47