Armaturen in der Anlagensicherheit. Funktionale Sicherheit Safety Integrity Level SIL

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1 Armaturen in der Funktionale Sicherheit Safety Integrity Level SIL mail: 1 Funktionale Sicherheit - ein aktuelles Thema und ein wichtiger Beitrag zur Anlagen mit einem hohen Gefährdungspotential müssen sicher betrieben werden. Ein hohes Gefährdungspotential ist ein Risiko für Menschen und Umwelt oder können große Sachschäden verursachen 2

2 Stichworte sind: - Gerichtsfester Nachweis - Normengerechte Umsetzung Funktionale Sicherheit nach EN 61508, EN 61511, VDI/VDE 2180 Informationen wie Sie die Realisierung der praxisgerechten Umsetzung von Sicherheitsanforderungen auf Ihre Anlage vornehmen können 3 Anwendungsbereich der Normen Prozessindustrie: Prozessindustrie: z.b. z.b. Chemische Chemische Produktionsanlagen, Petrochemie Petrochemie Verkehrstechnik: Verkehrstechnik: Aufzüge, Aufzüge, Seilbahnen, Seilbahnen, Eisenbahn-Signalanlagen Energiegewinnung Energiegewinnung Werkzeugmaschinen: z.b. z.b. Pressen, Pressen, Industrieroboter Industrieroboter Energie- Energie-und und Verfahrenstechnik: Verfahrenstechnik: Reaktorschutz, Reaktorschutz, Feuerungsüberwachung, Kraftwerke Kraftwerke 4

3 Anwendungsbereich E/E/PE-Systeme = Elektrische / Elektronische / Programmierbare Elektronische Sicherheits-Systeme Verfahrenstechnik Prozessindustrie (Elektronik) Maschinensicherheit (Elektronik Mechanik) Feuerungstechnik Sonstige Arbeitsbereiche DIN EN DIN EN VDI/VDE Low demand mode 1 Anforderung pro Jahr PFD-Werte DIN EN DIN EN PL a e Hight demand mode 1 Anforderung pro Stunde PFH-Werte DIN EN VDE 0116 EN Aufzüge Bahntechnik Signalanlagen Kerntechnik Wer rastet, der rostet Wer viel arbeitet, ermüdet Wer Fehler vermeidet, macht keine Fehler SIL = Safety Integrity Level PL = Performance Level PFD = Probability of dangerous on demand PFH = Probability of dangerous Failure per Hour 5 Risikoreduzierung durch SIL Risikoeinstufung der Anlage: Risikoeinstufung der Anlage Risikostufen Auswahl der Gerätekomponenten nach der Risikoeinstufung der Anlage Dies wird durch den Anlagenbetreiber festgelegt. Durch eine Risikobetrachtung, wird eine Risikoeinstufung vorgenommen. Dieses kann z.b. durch den Risikographen nach verschiedenen Regelwerken vorgenommen werden. Der Safety-Integritätslevel ist die höchste Stufe der Sicherheitsintegrität und der Safety-Integritätslevel die niedrigste. Je höher der Safety Integrity Level der sicherheitsbezogenen Systeme ist, um so geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie die geforderten Sicherheitsfunktionen nicht ausführen. Auswahl der Gerätekomponenten: Abhängig von der Anlageneinstufung ist die sicherheitstechnische Geräteauswahl bzw. sicherheitstechnische Installation dieser Komponenten vorzunehmen. 6

4 Einige Begriffe SIL (Safety Integrity Level) Maß der Risikoreduzierung SFF (Safe Failure Fraction) Anteil der ungefährlichen Ausfälle bezogen auf die Summe aller Ausfälle in Prozent PFD avg ( Probability of dangerous on demand) mittlere Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls der Sicherheitsfunktion bei Anforderung zugrunde gelegt ist ein Anforderungsintervall von einem Jahr Anwendung bei low demand PFH (Probability of dangerous Failure per Hour) mittlere Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls der Sicherheitsfunktion pro Stunde Anwendung bei hight demand bzw. continuos mode HFT (Hardware Fault Tolerance) Hardware Fehlertoleranz: N+1 Fehler führen zum Verlust der Sicherheitsfunktion Ti (Prüfintervall)... 7 Risikoreduzierung durch SIL / Maschinensicherheit /Feuerungstechnik / usw. Restrisiko Risikoreduzierung Ausgangsrisiko Tolerierbares Risiko Tolerierbares Risiko Tolerierbares Risiko Tol. Risiko R i s i k o SIL ist ein Maß für die Risikoreduzierung 8

5 Erforderlicher Safety Integrity Level (SIL) durch Risikograph Eintrittswahrscheinlichkeit S 1 S 2 S 3 S 4 A 1 A 2 A 1 A 2 G 1 G 2 G 1 G 2 Schadensausmaß Gefahrenabwehr Aufenthaltdauer W 3 W 2 W PLT-Schutzeinrichtung nicht ausreichend Keine PLT- Schutzeinrichtung (z.b. technische Maßnahmen) Schadenausmaß S1 leichte Verletzung einer Person oder kleinere schädliche Umwelteinflüsse, die z.b. nicht unter die Störfallverordnung fallen. S2 schwere, irreversible Verletzung einer oder mehrerer Personen oder Tod einer Person oder vorübergehende größere schädliche Umwelteinflüsse, z.b. nach Störfallverordnung. S3 Tod mehrerer Personen oder lang andauernde größere schädliche Umwelteinflüsse, z.b. nach Störfallverordnung. S4 katastrophale Auswirkung, sehr viele Tote. Aufenthaltsdauer A1 selten bis öfter A2 häufig bis dauernd Gefahrenabwehr G1 möglich unter bestimmten Bedingungen G2 kaum möglich Eintrittswahrscheinlichkeit W1 sehr gering W2 gering W3 relativ hoch 9 Risikoreduzierung durch SIL Vier Levels: bis Zertifizierung durch eine unabhängige Stelle Zertifikat oder Bescheinigung einer unabhängigen Stelle Ab dem SIL-Level 3 muss der Hersteller unter Einhaltung der EN und einer externen Stelle die Entwicklung vornehmen. Qualifizierung durch den Hersteller Herstellerbescheinigung Bis zum SIL-Level 2 kann der Hersteller unter Einhaltung der EN eine Selbstbeurteilung der Geräte vornehmen. Er hat zu gewährleisten, dass er in allen Phasen eine nach der Norm vorgegebenen Entwicklung berücksichtigt. 10

6 SIL-Bewertung für neue Geräte oder bereits entwickelte Geräte 1 Neuentwicklung von Geräten (entwicklungsbegleitend) Organisatorische Maßnahmen Technische Maßnahmen (z.b. Safety Management) Hardware- Prüfung,... Software- Prüfung,... EN Bereits entwickelte Geräte (Nachträgliche Bewertung) FMEDA Nachweis der Betriebsbewährung (proven-in-use) EN EN Was muss der Hersteller berücksichtigen? Angepasste Entwicklungs- und Fertigungsprozesse Bei der Hardware- und Software-Entwicklung sind vom Hersteller Organisatorische Vorgaben zu erfüllen: Konzept Entwicklung Fertigung Betrieb und Wartung SIL- Level Beurteilung durch: Unabhängige Organisation Unabhängige Organisation Unabhängige Abteilung Unabhängige Person Der Hersteller muss die Abläufe gemäß EN organisieren. 12

7 Maßnahmen gegen systematische Fehler Sicherheits- Lebenszyklus Betrieb & Wartung 15% Installation & Inbetriebnahme 6% Änderungen nach Inbetriebnahme 21% Planung & Implementierung 15% Fehlerursachen Spezifikation 43% Sicherheits- Management + Technische Anforderungen + Qualifikation Personal Spezifikation Planung & Implementierung Installation & Inbetriebnahme Betrieb & Wartung Änderung nach Inbetriebnahme Vereinfachter Sicherheitslebenszyklus Hersteller Entwicklung nach EN FMEDA QS-Statistik Betriebsbewährung Anwender Genaue Spezifikation Messstellenblatt gemäß Blatt 5 VDI/VDE 2180 Betriebsbewährung Fortlaufende Beobachtung im Einsatz 13 Systematische und zufällige Fehler (Maßnahmen) Fehler Systematische Fehler Fehlervermeidung Zufällige Fehler Fehlererkennung Fehlerbeherrschung 2 Maßnahmen QM-System Sicherheitslebenszyklus Design / Architektur Probabilistik (Ausfallwahrscheinlichkeit PFD / PFH) neu 14

8 Fehler in PLT-Schutzeinrichtungen Fehler Aktiver Fehler Fehler, der Schutzfunktionen auslöst, ohne dass die aufgabengemäß festgelegten Bedingungen erfüllt sind. ohne Einfluss auf PLT-Schutzfunktion mit Einfluss auf PLT-Schutzfunktion Passiver Fehler Fehler, der Schutzfunktionen blockiert, obwohl alle aufgabengemäß festgelegten Bedingungen erfüllt sind. aktiver Fehler (ungefährlich) passiver Fehler (gefährlich) unentdeckte passive (gefährliche) Fehler durch Diagnose entdeckte passive Fehler 1. Qrtl.2. Qrtl. 15 SSF (Safe Failure Fraction) = Ausfallrate / Fehlerverteilung Ausfallrate DU SD = sicher erkannt SU = sicher unerkannt SD DD = gefährlich erkannt DU = gefährlich unerkannt DD SU SSF = SD + SU + DD SD + SU + DD + DU SSF = 1 - DU 16

9 Risikoreduzierung Ausfallrate SD = sicher erkannt SU = sicher unerkannt DD = gefährlich erkannt DU = gefährlich unerkannt DU DD SU SD PFH = DU PFD = ½ DU x Ti 17 Der Sicherheitskreis Logikeinheit Sensor Logik SIL PFDS SIL PFDL SIL PFDA Sensor Messumformer 18

10 Der Sicherheitskreis: Das Absperrorgan Logikeinheit Tabelle 6 EN SIL HFT (Architektur) (Absch und ) Spezial requirements (EN 61508) HFT 0 Ein Sicherheitskreis mit nur einem Ventil erreicht maximal, Messumformer Sensor und das auch nur wenn eine Betriebsbewährung für das Ventil vorliegt 19 Faustformel Sensor Logikteil = = = 1oo2 Der jeweils kleinere SIL ist maßgebend! 20

11 Zweikanalige Architektur (homogene Redundanz) Auswertung Sensorteil () Nur, wenn Software verwendet wird, die nach entwickelt ist. () Hardware Software 21 Zweikanalige Architektur (diversitäre Redundanz) Auswertung Sensorteil () () Hardware Software 22

12 Architektur (einkanalig / redundant) Aufbau einkanalig Ein einzelnes Gerät Aufbau homogen redundant Zwei gleiche Geräte Aufbau diversitär redundant Zwei unterschiedliche Geräte (Maßnahme, dass ein systematischer Fehler nicht gleichzeitig auftreten kann) Aufbau diversitär redundant Zwei unterschiedliche Technologien (verschiedene Prinzipien) Für den Anwender ist es wichtig für seine Anlage die richtige Instrumentierung auswählen zu können Für bestehende Anlagen brauchen die Anwender verlässliche Zahlen der Betriebsbewährung 23 Verfahren zur Berechnung einkanaliger Systeme Sensor PFD S Logik PFD L PFD A Eingangsteilsystem PFD System PFD System = PFD S + PFD L + PFD A 24

13 Prinzip der SIL-Bewertung < 60% HFT = Hardware Failure Tolerance SFF = Safe Failure Fraction PFD = Probability of Failure on Demand SFF 60%... 90% 90%... 99% Fehlerbeherrschung > 99% PFD Tabelle für Typ B - Geräte Fehlererkennung Hinweis: Beide Bewertungen werden unabhängig voneinander durchgeführt. Der jeweils kleinere SIL ist maßgebend! 25 Beispiele für Fehler im teilsystem und Möglichkeiten der Fehlererkennung (NE 106) Die häufigsten Fehlerbilder an teilsystemen sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt. Längere Prüfabstände stellen besonders die seite vor eine besondere Herausforderung. Hier ist eine automatische Diagnose wesentlich schwieriger zu realisieren als bei den Sensoren. Durch einen Ventilanlauf-Test (Partial Stroke Test) können viele Fehler bei laufendem Betrieb erkannt werden. 26

14 SIL-Herstellererklärung bzw. SIL-Konformitätsbescheinigung Hersteller Typ A / B Hight- / Low- Demand Dem Anwender sind zur Planung entsprechende Informationen zur Verfügung zu stellen. FMEDA SIL HFT Fehlerraten ( -Werte) SFF Testintervall (Ti) PFD-Wert SW-Version HW-Version 27

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