Montage und Betrieb des sicherheitstechnischen systems Quelle: SAMSON AG

1. Montage und Betrieb des
sicherheitstechnischen Systems
2013
Dr. Thomas Karte, SAMSON AG
SIL in der Praxis

2. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 2
SAMSON Gruppe
Main Valve Vendor Konzept
Armaturen, Antriebe, Anbaugeräte
Applikationen

3. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 3
SAMSON – 100 Jahre Erfahrung
• 100 Jahre Erfahrung mit Ventilen für die Prozesstechnik
• Automatisierungslösungen durch Anbaugeräte
(Stellungsregler etc)
• Grundlagenuntersuchungen
• Kundenbetreuung - Service

4. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 4
Schutzfunktion „Überfüllsicherung“

5. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 5
Quelle: DIN EN 61511-1 - Bild 8
Gefährdungs- und Risiko-Beurteilung1
Zuordnung der Sicherheitsfunktionen
zu den Schutzebenen2
Spezifikation der Sicherheits-
anforderungen an das SIS3
Entwurf u.Planung anderer Maß-
nahmen zur Risikoreduzierung
Entwurf und Planung des SIS
4
Außerbetriebsetzung8
Änderung
7
Betrieb und Instandhaltung6
Montage, Inbetriebnahme und Validierung5
Stufe 5
Stufe 4
Stufe 3
Stufe 2
Stufe 1
Aufbau
und
Planung
des
Sicher-
heits-
lebens-
zyklus
11
Manage-
ment und
Beurtei-
lung der
funktio-
nalen
Sicher-heit
und Audits
10
Verifika-
tion
9
Sicherheitslebenszyklus Teil 5, 6, 7

6. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 6
Quellen
 DIN EN 61511-1 (2005)
 DIN EN 61511-2 (2005)
Beide Normen werden einheitlich zitiert, da Paragraphen gleich benannt sind
 VDI 2180-3 (2007)
 VDI 2180-5 (2010)
 Handbuch „Funktionale Sicherheit für Stellventile, Drehkegelventile, Kugelhähne
und Stellklappen“, SAMSON AG, WA236
 Handbuch „Applikationshinweise für sicherheitsgerichtet Kreise“, SAMSON AG,
WA 239

7. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 7
Montage, Inbetriebnahme und Validierung
 Sensor: Messgenauigkeit, Schaltpunkt
 Aktor:
 Schliesszeit
 Dichtigkeit
 Betriebsdruck
 Totzeit, Fahrzeit, Genauigkeit der Endlage
 Randbedingungen
 Ventilauslegung
 Temperatur
 Stoffe, Chemie des Prozess,
Probleme für medienberührte Teile
 Differenzdruck
Gefahrenanalyse
Anforderung an
Schutzsystem
Anforderung an Sensor,
Aktor und Steuerung
Festlegung des
Schutzsystem

8. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 8
In der Planungsphase zu entscheiden
 11.8.1. „Bei der Planung des SIS sollte berücksichtigt werden, wie das System
instand gehalten und seine Funktion überprüft wird. … Der Systemtest sollte
technische und organisatorische Anforderungen für das SIS liefern, die einen
vollständigen Systemtest von Sensoren, Logiksystem und Aktoren sicher
erlauben.“
 Kann das Ventil im laufenden Betrieb bewegt werden
 Sind Umgänge vorzusehen, für Prüfung im laufenden Betrieb
 Absperrungen um Dichtigkeitsprüfungen oder Verfahren des Ventils vorzusehen
 Auch weitestgehend Prüfung bei stillstehendem Ventil erlaubt (61511 § 11.8.2,
aber kritisch !!!)

9. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 9
Potentielle Gefahrenquellen
Zur Vermeidung systematischer Fehler muss der
Anwender neben den Herstellerangaben u. a.
folgende anwendungs-spezifischen Einflussfaktoren
berücksichtigen (VDI 2180-5):
 Korrosion (Zerstörung vornehmlich metallischer
Werkstoffe infolge chemisch-physikalischer
Vorgänge)
 Materialermüdung, z.B. bei
Faltenbalgabdichtungen
 Verschleiß durch das Medium (Kavitation /
Flashing)
 Abrasion (Materialabtrag infolge strömender
Feststoffe)
 Ab- oder Anlagerungen des Mediums
 Alterung (Schäden infolge von Licht- und Wärme-
einwirkung an organischen Materialien, z. B. an
Kunststoffen und Elastomeren
 Chemikalienangriff (durch Chemikalien ausgelöste
Quell-, Extraktions- und Zersetzungsvorgänge an
organischen Materialien)

10. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 10
SIS – Montage und Inbetriebnahme
61511 §14
 Planung dieser Tätigkeiten
 Festlegung von Verantwortlichkeiten (Personen, Abteilungen und
Organisationen)
 Dokumentation über Inbetriebnahme, Testergebnisse, Ziele, Prüfkriterien
 Bei Abweichung vom Entwurf: Überprüfung durch kompetente Person
(Sicherheitsfachkraft)
 Anschluss von Energieversorgung, Erdung
 Entfernung von Transportsperren
 Kontrolle auf physische Schäden
 Kalibrierung
 Überprüfung der Schnittstellen

11. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 11
Installationshinweise
 Ordnungsgemässe Auslegung des Ventils (Medium, Umgebungs- und
Prozessbedingungen, Sicherheitsanforderungen)
 Dimensionierung des Antriebes unter Berücksichtigung der
Prozesskräfte
 Beispiel Hubventile (aus „Funktionale Sicherheit für Stellventile…“)
 Einsatz Schmutzfänger bei Gefahr des Blockierens durch Feststoffe
 Packungsreibung (bevorzugt federbelastete Spindeldurchführung
 Korrosion der Federn im Antrieb: Entlüftungsrohr, Federraumbelüftung
 Entlüftungsöffnung von Magnetventil und Antrieb freihalten
 Vorgegebene Durchflußrichtung einhalten
 Kugelhähne
 Antriebsdimensionierung unter Beachtung des Differenzdrucks
 Einfluss von entfettenden, quellenden und faserigen Medien auf das
Drehmoment
 Schaltintervall und Mediumstemperatur
 Zulässigen Drehmomente für Kugelhahn-Welle, Wellenadapter und Brücke
dürfen nicht überschritten werden (Luftmoment und Federmoment)
 Zusammenbau von Armatur und Antrieb ist von wesentlicher Bedeutung
 Spannungsfreier Einbau in Rohrleitungen

12. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 12
SIS Validierung
61511 §15
 Ziel der SIS-Validierung ist es, zu überprüfen, dass das SIS die
Anderungen, die in der Spezifikation der Sicherheitsanforderungen
festgelegt sind, erfüllt. (SAT – Site Acceptance Test)
 Validierung aller relevanten Betriebsarten des Prozesses
(Vorbereitung zum Betrieb, Anfahren, stationärer Betrieb, Abfahren,
Instandhaltung, Störungen)
 keine Schäden durch Transport, Lagerung oder Handhabung
 alle Sensoren und Aktoren ordnungsgemäss an das Logiksystem
angeschlossen sind
 Sicherheitsfunktionen ordnungsgemäss ablaufen
 Bedienerschnittstelle stellt die notwendigen Informationen bereit
 dringend empfohlen analog zur Funktionsprüfung vorzugehen
 Beispiele für Tätigkeiten: Loop-Tests, Kalibrierungen, Simulation der
Anwendungssoftware
Formblatt in VDI 2180-5

13. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 13
Betrieb und Instandhaltung
61511 § 16.2
 Planung der Tätigkeiten für Betrieb und Wartung
 Anzuwendende Vorschriften und Maßnahmen
 Dokumentation von Ausfällen und Anforderungen der SIS
 Dokumentation von Prüfungen und Audits
 Analyse von Ausfällen
 Schulung Personal
Aus Paul Gruhn, „Safety Shutdown Systems“

14. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 14
Wiederholungsprüfungen 61511, §16.3
 Ziel: Verdeckte Fehler erkennen
 Schriftliche Anleitung
 Inspektion in wiederkehrenden Abständen (mechanische Unversehrtheit)
 Ziel: keine unbefugten Änderungen
 keine äusserlich erkennbaren Mängel
 Wiederkehrende Prüfung
 Ziel: das SIS arbeitet ordnungsgemäß
 Prüfung der Funktion des gesamten Kreises
 16.3.1.3 Prüfung im laufenden Betrieb bevorzugt
 Häufigkeit nach PFD
 (61511 §16.3) Die Häufigkeit sollte mit Herstellerempfehlungen, guter Ingenieurpraxis
übereinstimmen, häufiger wenn sich die Notwendigkeit aufgrund vorliegender
Betriebserfahrungen ergeben hat.
 Häufigkeit in bestimmten Zeitabständen überprüfen
 Dokumentation
 Datum, Prüfer, Beschreibung der Prüfung
 Ergebnisse von Prüfung und Inspektion
 Bei Problemen Vergleich mit älteren Ergebnissen (Trending)

15. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 15
Wiederkehrende Prüfung
 2180-3 / 3.3.3
 Sensoren / Anregeteil
 Überprüfung Kennlinie an 3 Punkten /
Vergleich bei redundantem Aufbau
 Auslöseteil
 Erreichen der Sicherheitsstellung unter
Betriebsbedingungen
 Maximale / Minimale Stellzeit
 Dichtheit oder freizugebender Querschnitt
 Funktion von elektrischen Stellgliedern (Schütze,
Leistungsschalter)
 Vergleich und Plausibilisierung mit Prozessgrössen
 Betrieblich erfolgte Auslösungen des Stellglieds können als
Funktionsprüfung gewertet und dokumentiert
werden“ (2180-3 / 3.3.3.3) - Spurious Trips

16. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 16
Diagnosen
 61511-2 / 11.9.2 „… Diagnosen sind Prüfungen, die automatisch
durchgeführt werden, um Fehler festzustellen, die zu ungefährlichen und
gefährlichen Ausfällen führen.“
 Diagnosen können
 im Gerät realisiert sein
 oder auf System- oder Anwendungsebene
 Redundanz – Vergleich der Messignale
 Analoge Messwerte – Vergleich Messignale, Grenzwertbetrachtung,
Signalanalyse – Rauschen
 Sensorik (S. 37) : Verstopfen/Einfrieren Impulsleitung, Fremdschicht bei
Thermoelementen, Probleme mit Erdung oder Spannungsversorgung
 Aktorik: Vergleich Rückmeldung gegen gewünschte Stellung, Teilhubtest –
Partial Stroke Testing (PST)

17. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 17
Optimierung der Schutzeinrichtung
 2180-3 ( 3.4.1)
 Analyse der Aufzeichnungen zwingend
 Bei Betriebserfahrungen bezüglich Schwachstellen oder
Verbesserungspotential
 Neue Geräte mit günstigeren Eigenschaften
Aus Paul Gruhn, „Safety Shutdown Systems“

18. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 18
Flexibilisierung von Prüffristen
 2180 - 3 (2.5)
 Ziele
 Optimale Einbindung in Betriebsablauf
 Optimalen Prüfabstand ermitteln durch Bewertung der Diagnoseabdeckung und
Betriebserfahrung
 Wege zur Flexibilisierung
 Aufrüstung vorhandener Schutzeinrichtungen
 Fehlerliste, quantitative Bewertung
 Stellschraube Diagnosegrad und Redundanzgrad
 NE 106 gibt Hinweise

19. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 19
Demonstration zu Prüfungen
 Beispielhafte Lösungen
 Stand der Technik
 Moderne Instrumentierung
ermöglicht
 definierte,
reproduzierbare
Prüfergebnisse
 hohe Diagnosetiefe durch
hohe Messgenauigkeit
und z.B. Weg/
Zeitdiagramm
 automatisierte,
fehlerfreie Dokumentation

20. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 20
Sicherheitskreis
 Sensorik
 diversitär redundant
 Füllstandssensor
 Grenzwertschalter
 Steuerung
 Steuerung
Sicherheitskreis
 Abschalten
 Rücksetzen
 Visualisierung
 Protokollierung
 Testfunktion
 Aktorik
 redundant
 Unterschiedliche Ansteuerung
der Kugelhähne

21. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 21
Sensorik
 Analogsensor
 Grenzwertschalter
 Visualisierung der Messwerte
in Steuerung

22. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 22
Regelventil
 Mitverwendung im Sicherheitskreis
 als zusätzliche Sicherheitsmassnahme
 Abschaltung durch zusätzliches Magnetventil
 Vorteil: Hoher Diagnosedeckungsgrad des Ventils,
da ständig im Eingriff
 Ansteuerung über 4-20 mA durch
BPCS (Basic Process Control System),
hier Kompaktregler
 Rückmeldungen
 4-20 mA
 Endlagenschalter
 Alarm
 Visualisierung in Safety PLC
(sicherheitsgerichteter Steuerung)

23. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 23
Abschaltventil
 Automatisiert mit Magnetventil und Endlagenschalter
 Konkret ausgeführt durch 3738
 Klassische Signale
+ 24 Volt Ansteuerung MV,
„Namursignale Endlagenschalter“
 Visualisierung in HIMA
 Sicherheitsfunktion: Schliessen
 Diagnose, Diagnosedeckungsgrad:
 Genauigkeit der Wegmessung
 Messung Totzeit, Laufzeit
 Onlinetest: Teilhubtest
 Protokollierung der Ventilbewegung mit Zeitstempel
 Bewegungszähler
 Temperaturmessung
 Dokumentation
 Bewegungszähler
 Hubzähler
 Protokollierung in sicherheitsgerichteter Steuerung

24. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 24
Diagnose am Auf/Zu Ventil

25. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 25
Abschaltventil instrumentiert mit Stellungsregler
 Automatisiert mit Stellungsregler für Abschaltung und Diagnose
 Konkret ausgeführt durch 3730
 Klassische Signale + 4-20 mA, „Namursignale Endlagenschalter“
 Visualisierung in HIMA
 Sicherheitsfunktion: Schliessen,
angesteuert durch 4 mA (zertifiziert)
 Diagnose, Diagnosedeckungsgrad:
 Genauigkeit der Wegmessung
 Messung Totzeit, Laufzeit
 Onlinetest: Teilhubtest
 Protokollierung der Ventilbewegung mit Zeitstempel
 Bewegungszähler
 Temperaturmessung
 Dokumentation
 Bewegungszähler
 Hubzähler
 Protokollierung in sicherheitsgerichteter Steuerung

26. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 26
Einsatz für wiederkehrende Prüfung
 Prüfung: Vollständiges Schliessen
der Armatur
 Ansteuerung
 manuell vor Ort
 durch Safety PLC
 Messgrösse:
 Schliesspunkt
 Totzeit
 Laufzeit
 Dokumentation
 Durchführung
 Erreichter Endwert
 Totzeit, Laufzeit
 Weg- / Zeitdiagramm
 Zeitstempel
 Automatische Erfassung
 Im Gerät, auslesbar

27. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 27
Wiederkehrende Prüfung, automatisiert

28. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 28
Einsatz für Prüfung im laufenden Betrieb
 Prüfung: Teilweises Schliessen der Armatur
 Ansteuerung
 manuell vor Ort
 durch Safety PLC
 Messgrösse:
 Totzeit
 Laufzeit
 Überschwingen, Regelverhalten
 Dokumentation
 Durchführung
 Erreichter Endwert
 Totzeit, Laufzeit
 Weg- / Zeitdiagramm
 Zeitstempel
 Automatische Erfassung
 Im Gerät, auslesbar
 Als zusätzliche
Sicherheitsmassnahme
oder zur Flexibilisierung
von Prüffristen

29. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 29
Rampe ohne und mit Reibung

30. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 30
Betrieblich erfolgte Auslösung
 Verwendung wie wiederkehrende Prüfung
 Aufzeichnung durch „getriggerten Datenlogger“
 Prüfung: Vollständiges Schliessen der Armatur
 Ansteuerung
 manuell vor Ort
 durch Safety PLC
 Messgrösse:
 Schliesspunkt
 Totzeit
 Laufzeit
 Dokumentation
 Durchführung
 Erreichter Endwert
 Totzeit, Laufzeit
 Weg- / Zeitdiagramm
 Zeitstempel
 Automatische Erfassung
 Im Gerät, auslesbar

31. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 31
Zusammenfassung
 Safety Lifecycle für die spezielle Anlage ist Kernelement, nicht abstrakte,
universelle Zahlen des Anwenders
 Beispiel in 61511-2 im Anhang B: Feldgeräte: alle MTTF-Daten stammen aus
aktueller Betriebserfahrung – betriebsbewährte Geräte als Königsweg
 Kernelemente
 definierte und dokumentierte Prozeduren
 geschultes, sachkundiges Personal
 Dokumentation der Ergebnisse
 gezielte Auswertung bei abweichenden Prüfergebnissen
 Moderne Instrumentierung ermöglicht
 definierte, reproduzierbare Prüfergebnisse
 hohe Diagnosetiefe durch hohe Messgenauigkeit
und z.B. Weg/Zeitdiagramm
 automatisierte und fehlerfreie Dokumentation

32. SAMSON · SIL Praxis 2012 - Phase 5, 6, 7 · 32
Fragen ?
Vielen Dank für
Ihre
Aufmerksamk
eit