Mehr Prozesssicherheit und höhere Anlagenverfügbarkeit

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1 Mehr Prozesssicherheit und höhere Anlagenverfügbarkeit in der chemischen Industrie Partial Stroke Test siemens.de/chemie Answers for industry.

2 Neue Maßstäbe setzen: mehr Sicherheit und Effizienz in der chemischen Industrie Sicherheit ist in der Prozessindustrie von besonderer Bedeutung. Wir erfüllen die Anforderungen der chemischen Industrie mit einem kompletten Angebot für sichere Applikationen, dem integrierten Sicherheitskonzept Safety Integrated. Es umfasst Lösungen, die dazu beitragen, die Anlagenverfügbarkeit zu steigern und Kosten zu reduzieren. Bestes Beispiel: der Partial Stroke Test (PST, Ventilanlauftest). Während die regelmäßigen manuellen Prüfungen der Sicherheitsabsperrventile (Full Stroke Tests) äußerst kosten- und zeitaufwendig sind, steht mit dem PST eine effektive und einfache Testmethode zur Überprüfung von Schutzventilen bereit, mit der die Intervalle für die manuelle Prüfung verlängert werden können. Der Test wird ausgeführt, ohne den kontinuierlichen Anlagenbetrieb zu beeinträchtigen. Integriert in die Prozessleittechnik trägt er den Anforderungen an Sicherheit und Wirtschaftlichkeit gleichermaßen Rechnung. Mehr Effizienz bei der Wartung von Sicherheitsabsperrventilen Um in industriellen Prozessen Gefahren für Menschen, die Umwelt und die Anlage zu minimieren, kommen Sicherheitssysteme zum Einsatz: sogenannte Safety Instrumented Systems (SIS). Diese sicherheitsgerichteten Steuerungs- und Schutzeinrichtungen greifen im Störfall in den Prozess ein, um ihn wieder in einen sicheren Zustand zu überführen. Damit tragen sie entscheidend zur Risikoreduzierung bei. Besonders die Funktionsfähigkeit der Aktoren in der Sicherheitstechnik muss regelmäßig überprüft werden, beispielsweise Sicherheitsabsperrventile. Sie bergen das größte Risiko, aber auch das größte Potenzial, das Risiko zu minimieren. Absperrventile sind einerseits ständigen Belastungen mit durchfließenden Medien ausgesetzt, andererseits verharren sie als reine Sicherheitseinrichtungen während des Normalbetriebs in ein und derselben Position. Bisher wurden diese Ventile in der Regel einmal im Jahr einer manuellen Prüfung vor Ort unterzogen (Full Stroke Test). Diese war meist mit hohem organisatorischen und finanziellem Aufwand verbunden und konnte die Produktion beeinträchtigen. Teilweise war der Ausbau des Ventils zur Überprüfung in der Werkstatt notwendig. Mit dem Partial Stroke Test lassen sich eventuelle Fehlfunktionen frühzeitig erkennen bzw. verhindern für deutlich mehr Sicherheit in Notfallsitua tionen. Der PST erhöht den Diagnosedeckungsgrad der Ventile. Das bietet Anlagenbetreibern die Möglichkeit, die Prüfintervalle zu verlängern und so die Wartungskosten und Stillstandszeiten zu senken. 2

3 Vorsorge, die sich auszahlt Bei zyklischer Anwendung des Partial Stroke Tests kann sich beispielsweise das Wartungsintervall für die manuelle Prüfung eines Sicherheitsabsperrventils verdoppeln. Mit anderen Worten: Die Kosten für einen Full Stroke Test halbieren sich ebenso wie der für Wartungsarbeiten anfallende Zeitaufwand. Das folgende Beispiel verdeutlicht die signifikanten Einsparpotenziale pro Wartung ohne auf die Erträge durch verlängerte Produktionszeiten einzugehen. Anlage mit 60 Ventilen Zeit für Wartung ohne Ausbau 2 Stunden, mit Ausbau 10 Stunden (h) Stundensatz 50 Verdoppelung des Wartungsintervalls Wartung ohne Ausbau des Ventils mit Ausbau des Ventils Aufwand pro Ventil 2 h à 50 = h à 50 = 500 Bisherige Wartungskosten 60 à 100 = à 500 = mit PST-Wartungskosten Eingesparte Zeit pro Wartung 60 h 300 h Ersparnis Wartungskosten Grundlagen der funktionalen Sicherheit Eine Reihe von Normen definiert die organisatorischen und technischen Anforderungen an ein Safety Instrumented System und dessen Umsetzung. IEC (Basisnorm); definiert die Grundlagen der funktionalen Sicherheit. IEC (anwendungsspezifische Norm für die Prozessindustrie); Richtlinie für die Planung, Realisierung und den Betrieb eines SIS in prozesstechnischen Anlagen. Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Schutzeinrichtungen ergeben sich aus Risikoanalysen bei der Anlagenplanung und werden nach den oben genannten Normen in vier Sicherheitsstufen, die sogenannten Safety Integrity Level SIL 1 bis SIL 4, eingeteilt. In der Prozessindustrie können durch den Einsatz eines programmierbaren sicherheitstechnischen Systems Anforderungen bis zur Sicherheitsstufe SIL 3 realisiert werden. Die SIL-Einstufungen beziehen sich stets auf vollständig instrumentierte Sicherheitsfunktionen (SIF = Safety Instrumented Function), die im Prinzip aus Sensoren, Steuerungen und Aktoren bestehen. Während Steuerungen als vorwiegend sicher gelten, müssen Sensoren und Aktoren, die als mediumberührte Teile besonderen Belastungen ausgesetzt sind, in regelmäßigen Abständen geprüft werden, um den erforderlichen Sicherheitslevel zu erzielen. NE 106 Prüfintervalle von PLT-Schutzeinrichtungen Die Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik in der Prozessindustrie NAMUR (Normen-Arbeitsgemeinschaft Mess- und Regeltechnik), hat das Thema Verlängerung von Prüfintervallen bei PLT-Schutzeinrichtungen in ihrer Empfehlung NE 106 behandelt. Grundlage für die Verlängerung der Testintervalle ist eine Optimierung der Diagnose für die Sensorik und Aktorik. 3

4 Weniger Ausfallzeiten: Funktionstest im laufenden Betrieb Keine Beeinträchtigung der Anlagensicherheit und -verfügbarkeit Partial Stroke Test ermöglicht die Funktionsüberprüfung im laufenden Betrieb. Dazu wird ein Stellungsregler bzw. ein spezielles Testgerät auf das jeweilige Auf-Zu-Ventil montiert. Dieses Ventil wird bei laufendem Betrieb um etwa 5 bis 15 Prozent bewegt was den normalen An lagenbetrieb nicht beeinträchtigt, aber die Beweglichkeit des Ventils beweist und damit die häufigsten passiven Fehler ausschließt. Zusätzlich werden eventuelle Anhaftungen oder Verkrustungen entfernt. Die richtige Instrumentierung und die Einbindung in die Automatisierungsumgebung, wie in unserem Portfolio berücksichtigt, sind entscheidende Faktoren für sichere automatisierte Ventilanlauftests. Unsere Lösungen für Partial Stroke Test 1. Verwendung einer Schaltbox: Bei diesem eher einfachen Test wird über ein Binärsignal die Ansteuerung des Magnetventils unterbrochen bis eine eingestellte Position erreicht wurde, unabhängig von der Zykluszeit der Steuerung. Nachteil: keine erweiterte Diagnose möglich. 2. Einsatz des intelligenten Stellungsreglers SIPART PS2, der unabhängig vom Leittechniksystem den Partial Stroke Test ausführen kann. Die Schutzfunktion wird über das Magnetventil gewährleistet. 3. Einsatz des SIPART PS2 als intelligentes Magnetventil, das neben der Magnetventilfunktion zusätzlich die PST-Funktion übernimmt. 4. Die Integration des PST-Verfahrens in das Sicherheitssystem SIMATIC S7-400F/FH, sodass der Test unabhängig vom verwendeten Stellungsregler ausgeführt werden kann. PST intelligent integriert im Stellungsregler SIPART PS2 Der intelligente Stellungsregler SIPART PS2 liefert umfangreiche Ventildiagnose-Möglichkeiten. Er erkennt zuverlässig Schwergängigkeiten, pneumatische Leckagen, den Verschleiß oder gar den Abriss des Ventilkegels. Die Partial Stroke Test-Funktion ist im Stellungsregler integriert, so - dass ein Ventilanlauftest am Stellungsregler, per Binärsignal, über den Process Device Manager SIMATIC PDM oder auch zyklisch ausgelöst werden kann. Während des Partial Stroke Tests misst der Stellungsregler die Reaktionszeit des Ventils und vergleicht sie mit einem gespeicherten Referenzwert. Bei Wartungsbedarf wird dies lokal auf dem Display oder im Leittechniksystem signalisiert gemäß NAMUR Empfehlung NE 107 in einem 3-Stufen-Alarmkonzept. Engineering Station / Maintenance Station PDM Operator Station Maintenance Station SIMATIC PCS 7 (O.K., keine Wartungsanforderung) Process Device Manager (SIMATIC PDM) Parametrieren Diagnose Wartungsbedarf Dringende Wartungsanforderung SIPART PS2: Partial Stroke Test (Bevorstehender) Ausfall der Armatur SIMATIC Controller S7-400F/FH Schutzfunktion SIPART PS2 (SIL 2) Luftzufuhr Optionale Anbindung an SIMATIC PCS 7 Sicherheitsabsperreinrichtung mit Stellungsregler 4

5 Zur weiteren Diagnose liefert SIPART PS2 eine hochauflösende PST-Reaktionskurve, die über SIMATIC PDM visualisiert und mit einer Referenzkurve verglichen werden kann. Mit einer Erweiterungskarte ist ein separater Test des Magnetventils möglich. Da SIPART PS2 für eine sichere Entlüftung bis SIL 2 geeignet ist, kann er auch als Ersatz für ein Magnetventil dienen. Am Schutzventil ist dann nur noch der SIPART PS2 angebracht, der sowohl die Magnetventilfunktion als auch die PST-Funktion übernimmt. Dabei reicht das 24-V-Signal für die Hilfsenergieversorgung des Stellungsreglers aus, sodass keine zusätzliche Feldverdrahtung erforderlich ist. Die Einbindung des Stellungsreglers in das Leittechniksystem und das Asset Management kann über HART, PROFIBUS PA oder FF Foundation Fieldbus erfolgen. Sicherheitssystem mit integrierter Partial Stroke Test-Funktionalität Für das Sicherheitssystem SIMATIC S7-400F/FH, in Verbindung mit dem Prozessleitsystem SIMATIC PCS 7, bietet Siemens eine integrierte PST-Funktionalität unabhängig vom eingesetzten Stellungsregler. Die vorkonfigurierte Logik sorgt für die Durchführung des PST und des optionalen Magnetventil-Tests. So kann der PST in festgelegten Prüf intervallen automatisch durchgeführt oder nach Bedarf manuell gestartet werden. Beim PST wird ein Sollwert für das Ventil ausgegeben und mit dem Istwert verglichen. Der Schließvorgang muss den Sollwert einschließlich der eingestellten Hysterese innerhalb der vorgegebenen Testzeit erreichen. Nach Ablauf der Testzeit wird die Sicherheitsabsperreinrichtung zurück in die Betriebsstellung gebracht. Optional kann in einem zweiten Schritt das zugehörige Magnetventil getestet werden. Der PST wird automatisch auf Papier oder elektronisch protokolliert, inklusive Kurvenverlauf und zweier Referenzwerte für eventuelle weitere Diagnosen. Der zugehörige Bildbaustein für das Bediener-Interface SIMATIC PCS 7 Operator Station gibt einen schnellen Überblick über alle relevanten Informationen Status des Ventils, Konfigurationsparameter, Status und Alarme des letzten PST und verfügt über eine Kommandoschnittstelle für den Start und Abbruch des Ventilanlauftests. Sämtliche Werte sind im Leitsystem vorhanden, z. B. für die Einbindung in das Asset Management. Die Sicherheitsfunktion selbst, also die Notabschaltung im Ernstfall, bleibt während des PST weiterhin verfügbar. Engineering Station Operator Station SIMATIC PCS 7 Operator Station für: Bedienen / Beobachten Alarmierung Archivierung Reportausdruck SIMATIC Controller S7-400F/FH Sollwert Ventilstellung Rückmeldung Ventilstellung SIMATIC S7-400FH: Partial Stroke Test Magnetventiltest Interface zur Operator Station Schutzfunktion S Magnetventil / Steuerventil Luftzufuhr Sicherheitsabsperreinrichtung mit Stellungsregler Partial Stroke Test Ihre Vorteile auf einen Blick Einfache Online-Funktionskontrolle: Armaturstörungen können frühzeitig erkannt werden Erhöhte Anlagenverfügbarkeit: Funktionsprüfung im laufenden Betrieb Verbessertes Asset Management/Geräte- Sicherheit: Nach erfolgreichem PST ist die Armatur wieder frei, Anbackungen oder Verkrustungen sind entfernt Höhere Sicherheit in Notfallsituationen: Die Armatur blockiert nicht und reagiert nicht verzögert Kosteneinsparung: Geringerer Wartungsaufwand, verlängerte Wartungs intervalle und weniger Stillstände 5

6 Der beste Beweis: Partial Stroke Test im realen Einsatz Partial Stroke Test im Einsatz bei INEOS Paraform Der in das Sicherheitssystem integrierte Partial Stroke Test hat sich nicht nur im Laborbetrieb, sondern auch in industrieller Umgebung bewährt. Das Mainzer Unternehmen INEOS Paraform, seit mehr als 150 Jahren in der Produktion organischer Chemikalien tätig, hat als Pilotkunde eine zweimonatige Anwendung des neuen PST-Konzepts in der SIMATIC S7-400F/FH durchgeführt. Die Pilotierung wurde vom TÜV Süd Industrie Service GmbH begleitet, und deren Stellungnahme fiel unein geschränkt positiv aus. Das Ergebnis: Der im Sicherheitssystem integrierte Ventilanlauftest bietet die Möglichkeit zur Verlängerung der Prüfintervalle zwischen Full Stroke Tests, ohne Gefahr für die Anlagensicherheit. Der innovative Testverlauf Die vorhandene Sicherheitsabsperreinrichtung an einer Tankanlage wurde mit einem zusätzlichen Stellungsregler SIPART PS2 ausgestattet, der über eine fehlersichere CPU SIMATIC S7-400 gesteuert wurde. Der Ventilanlauftest wurde bei laufendem Betrieb mehrmals täglich manuell gestartet. Zusätzlich testete man verschiedene Möglichkeiten zur Testverhinderung und Fehlererkennung. Lückenlose Ergebnisse lieferten sowohl der Bildbaustein auf der Bedienstation als auch der Testreport inklusive Kurvenverlauf und zweier Referenzwerte. mit überzeugenden Ergebnissen Bei allen Test-Szenarien, in denen kein PST durchgeführt werden sollte, reagierte das System einwandfrei. Weder bei geschlossenem Ventil noch bei fehlender verfahrenstechnischer Freigabe oder unstimmigen Parametrierungen bzw. Werten wurde der PST durchgeführt. Sämtliche Fehlerszenarien, wie verringerte Ventilgeschwindigkeit, Festsitzen des Ventils oder Versagen des Magnetventils, wurden erkannt. Die entsprechenden Meldungen und die Protokollierung erfolgten zuverlässig. Das Fazit: Der PST beeinträchtigt nicht den Sicherheitslevel der Absperreinrichtung. Es gibt keine Bedenken gegen einen automatisierten Ventilanlauftest auch ohne Wartungspersonal vor Ort, denn die eigentliche Überwachung des Tests findet im fehlersicheren Teil des Sicherheitssystems statt. Das macht den automatisierten PST zur idealen Ergänzung zum Full Stroke Test: als anwenderfreundliche Lösung, die sowohl Zeit und Kosten spart, als auch die Anlagenverfügbarkeit erhöht und dabei größtmögliche Sicherheit garantiert. Anlage / Messwarte Unit GF1 SIMATIC PCS 7 SIMATIC S7-400F Luftzufuhr S PROFIBUS DP PROFIBUS PA Gebäude 192 Feldbuskoppler SIMATIC DP/PA-Link Dezentrale Peripherie SIMATIC ET 200 Sicherheitsüberwachung (Relais-Technik) SIPART PS2 Schnellentlüftung S 3-Wege-Magnetventil Hexalösungstank LZ+A LIS+A

7 Klare Vorteile in der industriellen Praxis erprobt Volle Integration mit zahlreichen Funktionen: PST ist im Sicherheitssystem integriert und nahtlos in das Prozessleitsystem SIMATIC PCS 7 eingebunden, mit Bedien- und Beobachtungsbaustein, automatischer Archivierung und Protokollierung Sichere und kostengünstige Fehlererkennung von Ventilproblemen mit PST sowie deren umgehende Überprüfung auf mehrere Ausfallarten Einfache Fehlererkennung durch entsprechende Alarmierung und Visualisierung des aktuellen Ventilzustands Erweiterte Diagnose zur frühzeitigen Erkennung von Verschlechterungen, wie die Reaktionszeit der Sicherheitsabsperreinrichtung, durch den Vergleich der analogen Stellungsrückmeldungen Automatischer Ablauf des PST umgehend werden Ergebnisse über entsprechende Meldungen angezeigt und in Testreports dokumentiert Weniger Wartungs- und Kostenaufwand, da sich die Prüfintervalle zwischen durch geführten Full Stroke Tests bei PST-Einsatz mindestens verdoppeln Höhere Anlagenverfügbarkeit durch Funktionsprüfung mit PST im laufenden Betrieb Durchgehende Sicherheit, da Notabschaltung im Anforderungsfall während des Tests verfügbar bleibt Bei INEOS wurde pro PST ein Testreport mit Kurvenverlauf und zwei Referenzwerten erzeugt. Kunden- und TÜV-Statements: Zur Beurteilung des PST stehen dem Bediener verschiedene Bildbausteine und Meldeanzeigen zur Verfügung. Die Reduzierung des Wartungsaufwands ist für uns interessant, und wir sehen mit dieser Lösung sehr gute Einsatzmöglichkeiten in Konti-Betrieben, wo es nur selten und dann nur zu kurzen Still ständen kommt. Richard Frey, verantwortlich für die EMSR-Technik bei INEOS Paraform in Mainz, 02/2007 Die Vor-Ort-Prüfung ergab, dass durch den Partial Stroke Test in jedem Falle eine Erkennung der Fehler Versagen der Sicherheitsabsperreinrichtung infolge Hängenbleibens in der Offen- Stellung und Versagens des Steuerventils eintritt. TÜV Süd Industrie Service GmbH, Abt. Elektro- und Gebäudetechnik vom

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