Qualifizierung von Feldgeräten auf Basis IEC 61511 … · 3 07.11.2005 5_Qualifiz ierung von Feldgeräten auf Basis der IEC61511.ppt 5 Anforderungen der IEC 61508/11 an PLT-Schutzeinrichtungen

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07.11.2005 5_Qualifizierung von Feldgeräten auf Basis der IEC61511.ppt 1

Dr. Pirmin NetterInfraserv Höchst

Bekanntgegebener Sachverständiger nach § 29a BImSchG

Qualifizierung von Feldgeräten auf Basis

IEC 61511

VDI/VDE2180


alte Welt neue Welt01.08.2004

IEC 61508

IEC 61511

DIN V 0801

DIN V 19250 / DIN V 19251

VDI/VDE 2180 1 VDI/VDE 2180 2 VDI/VDE 2180 3

NE 31

DIN EN 61508 VDE 0803

DIN EN 61511VDE 0810

IV / 2005

Überblick Regelwerke

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alte Welt neue Welt01.08.2004

VDI/VDE 2180 3

SR 4 3

DIN EN 61511

VDE 0810

StörfallV

NE 79

NE 93

NE 106

Sicherheits-managementsystem

gerichtsfeste Umsetzung in die

Praxis

NE 97

DIN V 19250/51

Überblick Regelwerke


Risikograph für PLT-Schutzeinrichtungen

4 2S2

S3

S4

A1

A2

A1

A2

G1

G2

G1

G2

S1W3 W2 W1

1

5 4 3

6 5 4

7 6 56

SIL 1

SIL 2

SIL 3

12

1

3

2 -

- -1

8

SIL 4*

7

PLT-Schutzeinrichtung nicht ausreichend

*) wegen des erforderlichen überproportionalen Aufwands ist SIL 4 möglichst zu vermeiden!

3

Keine PLT-Schutzeinrichtung (z. B. technische

Arbeitsschutzmaßnahmen)

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Anforderungen der IEC 61508/11 an PLT-Schutzeinrichtungen im Anforderungsmodus

≥≥≥≥ 10 �5 bis < 10�447-

6≥≥≥≥ 10 �4 bis < 10�33

5II

40,99≥≥≥≥ 10 �3 bis < 10�22

3

20,99≥≥≥≥ 10 �2 bis < 10�11

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I

Verfügbarkeit(V = 1 – U)

Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls / a

(U = Unverfügbarkeit), PFDSILAK

Risiko-bereich

...0,9

0,999...

0,999 0,9999...

0,9999 0,99999...

PFD = ½ λλλλ Ti


Wie Nachweis?

Tabellen: Ausfallraten von EinzelkomponentenBeispiele: OREDA, Kerntechnik

Rechenprogramme: Am Markt erhältlich

Daten sind statistisch fundiert, da auf hinreichend großer Anzahl gleichartiger Einsatzbedingungen basierend.

Nicht übertragbar auf das breite Einsatzspektrum von Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen der chemischen und pharmazeutischen

Industrie mit den unterschiedlichsten Einsatzbedingungen

große Schwankungsbreite / Daten nicht statistisch fundiert.

Deshalb gibt es hier keine vergleichbaren Tabellen!

Rechnerisch

4


Ausfallrate λλλλ

SSPS

Schaltraum Feld

Off-shore

KerntechnikPetrochemie

λLab

λfeld

Chemie

Betriebsbewährte Geräte

Pharma

Nachweis rechnerisch


Definition „betriebsbewährt“gem. IEC 61511

3.2.60 Eine Komponente ist dann betriebsbewährt, wenn eine Untersuchung mit entsprechender Dokumentation ergeben hat, dass geeignete Nachweise über frühere Einsätze belegen, dass die Komponente für den Einsatz in einem sicherheitstechnischen System geeignet ist.

9.2.4 Der SIL ist numerisch festgelegt zum Vergleichen alternativer Entwürfe und Lösungen. Viele systematische Ursachen für Ausfälle können nur qualitativ angegeben werden.

11.5.3 Informationen bzgl. Betriebserfahrung werden bei Feldgeräten meistens in Form von Standardgerätelisten der Anwender festgehalten.

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Praktisches Beispiel

Füllstand SSPS Ventil

Füllstand SSPS1v3

Ventil

Ventil

Füllstand

Füllstand

PFDSys = PFDSensor + PFDSSPS + PFDAktor

PFDSys = 4 (PFDSensor )2 + PFDSSPS + 4/3(PFDAktor)2

2v3 1v2


Verfügbare Daten

PFD = ½ λλλλ Ti

NH-Handbook: 0,3

Process Equipment 0,02Reliability Data AIChE:

λλλλSensor

NH-Handbook und AIChE: 0,05λλλλAktor

PFDSSPS = 2,0 �� 10-5

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Rechnerischer SIL – Nachweis(PFD - Werte)

1,25 � 10-3

SIL 28,3 � 10-42,0 � 10-5AlChE: 4 � 10-4

jährliche Prüfung

6,50 � 10 -4

SIL 35,8 � 10-62,0 � 10-5NH: 6,2 � 10-4

monatliche Prüfung

2,86 � 10-5

SIL 45,8 � 10-62,0 � 10-5AlChE: 2,8 � 10-6

monatliche Prüfung

9,09 � 10 -2

SIL 18,3 � 10-42,0 � 10-5NH: 9 � 10 -2

jährliche Prüfung

SystemAktorik1v2

SSPS1v3

Sensorik2v3

Ohne Berücksichtigung der Einsatzbedingungen!!!


Unterstützung seitens der Behörde

� Unsere Aufsichtsbehörden haben sich in der Vergangenheit intensiv mit der quantitativen Vorgehensweise in Nachbarländern beschäftigt.

� Die dabei gewonnenen Erkenntnisse führten dazu, dass der Einsatz betriebsbewährter Feldgeräte in unseren Anlagen voll unterstützt wird.

� Forderung: begleitende Maßnahmen zum Nachweis der Betriebsbewährtheit

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NAMUR – Konzept(top-down)

Annahme: Alle PLT-Schutzeinrichtungen werden nach den einschlägigen technischen Richtlinien geplant, errichtet und betrieben (VDI/VDE 2180, DIN EN 61511 VDE 0810).

Maßnahme: Alle PLT-Schutzeinrichtungen werden einer Stördatenerfassung unterzogen.

Ziel: Die SIL-Anforderungen werden für das Kollektiv erreicht.

Ergebnis: Damit wird das Sicherheitskonzept (siehe „Annahme“) in der Praxis bestätigt.

Die Vorgehensweise ist in NE 93 (2001) beschrieben


� Betroffene Komponente

� Wie Störung erkannt?

� Ursache

� aktiver / passiver Fehler?

� Redundanzgrad

� Kurzbeschreibung

Störungserfassung für PLT- Schutzeinrichtung

8


2.435--LeverkusenBayer AG6

2.457

372

51

361

8.643

387

573

209

-

Anzahl Schutz-einrichtungen

2004

259259HöchstCelanese9

4848FrankfurtBayer CropScience8

2.7482.423alle StandorteClariant GmbH10

296533HöchstAventis Pharma inkl. Diabel3

156156HöchstBasell Polyolefine4

7.1608.239EuropaBASF5

--LeverkusenBayer CropScience7

Allessa Chemie GmbH

Agrolinz-Melamin

Firma

-209Frankfurt2

4544Linz1


2002


2003Bereich

Stördatenauswertung gemäß NE 93 2002 bis 2004


-369367GladbeckINEOS Phenol15

3.5923.4913.977BRD u. BelgienDegussa11

665706688GendorfDyneon12

250--LeverkusenDyStar13

101010HöchstFluorchemie14

--12GendorfInfraserv Gendorf16

445527527HöchstInfraserv Höchst (Gruppe)17

54-81Bad HersfeldINVISTA18

-2728OffenbachINVISTA19

-3535HöchstKuraray Specialities Europe20


2004Firma


2002


2003Bereich


9


215114196HöchstLII Europe21

-236251GernsheimMerck KGaA24

5757161HöchstNutrinova25

-601739Schwedt/OderPCK Raffinerie26

174186207SisselnDSM Nutritional Products AG27

261261265Grenzach-

WyhlenDSM Nutritional

(Roche Vitamine GmbH)28

-153153GelsenkirchenSabic29

-10396HöchstSandoz30

2.6903.0423.079VispLonza22

6375322DarmstadtMerck KGaA23


2004Firma


2002


2003Bereich



-722722MarlSasol Germany31

--641WiesbadenSE Tylose32

644HöchstSiemens A&D33

13417379KelsterbachTicona34

117125157MarlVestolit35

-171171GendorfVinnolit Polymer36

--1.210Burghausen/

NünchritzWacker Chemie GmbH37


2004Firma


2002


2003Bereich


Gesamtsumme: 27.268 23.099 21.880

10


MTBF bzgl. passiver Fehler

2.163a5.484a2.356a52510.81710.96711.780zweikanalige Systeme

27.077*23.09921.880Summe

378a

2004

289a

2003

43

2004

42

2003

16.260

2004

12.132

2003

MTBFPassive FehlerAnzahl

259a3910.100einkanalige Systeme

200220022002

* zusätzlich andere Redundanzgrade: 154 Stück 0,5 %=̂


Ermittlung der MTBF (2002-2004)

� Einkanalige Schutzeinrichtungen- Bezugsgröße einkanalig 2002 – 2004 38.492- Bezugsgröße zweikanalig 2004: 2 x 10.817 21.634

Gesamt Bezugsgröße 60.126

- Anzahl passive Fehler in einkanaligen Systemen 2002 - 2004 124- Anzahl passive Fehler in zweikanaligen System 2004 155

Gesamtanzahl passiver Fehler 279

�� MTBFe = 60.126279

MTBFz = 33.56412

= 2.797a� Zweikanalige Schutzeinrichtungen

= 216a

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Mathematische Zusammenhänge

�� V = MTBFMTBF + ½ Ti

Forderung aus IEC 61511:

SIL 1 : V = 0,9 .... 0,99SIL 2 : V = 0,99 ... 0,999SIL 3 : V = 0,999 ... 0,9999


Das mittlere Prüfintervall ist erfahrungsgemäß kleiner als jährlich.

Worst-case-Ansatz: Rechnung mit jährlichem Prüfintervall

V =

Ti

Berechnung für einkanalige Systeme (2002 - 2004)

� SIL 2: V = 0,99 ... 0,999 erfüllt!

MTBFMTBF + ½ Ti

V = = = 0,998216 216

216 + ½ x 1 216,5

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Zusammenfassung

� Mitmachquote bisher sehr erfreulich

� Bisherige Auswertungen bestätigen, dass eingesetzte Technik die Verfügbarkeitsanforderung der SIL 2 und 3 „in Summe“ erfüllt

� Statistik allerdings noch nicht hinreichend fundiert


Ausblick

Schritt 1: Datenmaterial weiter ergänzen zur Stabilisierung der statistischen Aussagen (Weitere Firmen haben Mitarbeit signalisiert)

Schritt 2: Weitere Differenzierung der Daten erforderlich

• Meßgrößen: L, P, T, Q, F......

• Prüfzyklen

•

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Weitere Vorgehensweise

Stördatenerfassung 2004 / 2005 wird begleitet durch ein behördenfinanziertes Projekt unter Mitarbeit einer Hochschule.

Projektinhalte:

� Zusammenstellung und Auswertung aller heute verfügbaren Daten nach statistischen Gesichtspunkten (Vertrauensintervall ...)

� Gruppenbildung, ggf. Nachverfolgung bestimmter passiver Fehler

� Berechnung von Typicals auf Basis vorhandener Verfügbarkeitsdaten für Einzelkomponenten unter Anwendung der am Markt vorhandenen Tools(bottom - up)

Zusammenführung der bottom-up- mit der top-down-Methode


PFD-Konfidenzintervalle für erfasste Gruppen von PLT-Schutzeinrichtungen (top - down)

PFD-Konfidenzintervalllaut NAMUR-Stördaten 2003+2004

< SIL 1 SIL 1 SIL 2 SIL 3 SIL 4 > SIL 4

Total:


Druck (P):


Temperatur (T):


Füllstand (L):


Analyse (Q):

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Empfehlung

Einführung eines Verfahrens zum Nachweis der Betriebsbewährtheit von PLT-Komponenten z. B. mit

� Typprüfung im Labor, Erprobungsphase, Betriebseinsatz (NE 79)

� Standardgeräteliste

� Typicals

� Stördatenerfassung

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