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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
07.11.2005 5_Qualifizierung von Feldgeräten auf Basis der IEC61511.ppt 2
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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07.11.2005 5_Qualifizierung von Feldgeräten auf Basis der IEC61511.ppt 3
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
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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!
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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
1
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
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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
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Ausfallrate λλλλ
SSPS
Schaltraum Feld
Off-shore
KerntechnikPetrochemie
λLab
λfeld
Chemie
Betriebsbewährte Geräte
Pharma
Nachweis rechnerisch
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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
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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!!!
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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
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� Betroffene Komponente
� Wie Störung erkannt?
� Ursache
� aktiver / passiver Fehler?
� Redundanzgrad
� Kurzbeschreibung
Störungserfassung für PLT- Schutzeinrichtung
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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
Anzahl Schutz-einrichtungen
2002
Anzahl Schutz-einrichtungen
2003Bereich
Stördatenauswertung gemäß NE 93 2002 bis 2004
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-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
Anzahl Schutz-einrichtungen
2004Firma
Anzahl Schutz-einrichtungen
2002
Anzahl Schutz-einrichtungen
2003Bereich
Stördatenauswertung gemäß NE 93 2002 bis 2004
9
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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
Anzahl Schutz-einrichtungen
2004Firma
Anzahl Schutz-einrichtungen
2002
Anzahl Schutz-einrichtungen
2003Bereich
Stördatenauswertung gemäß NE 93 2002 bis 2004
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-722722MarlSasol Germany31
--641WiesbadenSE Tylose32
644HöchstSiemens A&D33
13417379KelsterbachTicona34
117125157MarlVestolit35
-171171GendorfVinnolit Polymer36
--1.210Burghausen/
NünchritzWacker Chemie GmbH37
Anzahl Schutz-einrichtungen
2004Firma
Anzahl Schutz-einrichtungen
2002
Anzahl Schutz-einrichtungen
2003Bereich
Stördatenauswertung gemäß NE 93 2002 bis 2004
Gesamtsumme: 27.268 23.099 21.880
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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 %=̂
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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
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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
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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
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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:
< SIL 1 SIL 1 SIL 2 SIL 3 SIL 4 > SIL 4
Druck (P):
< SIL 1 SIL 1 SIL 2 SIL 3 SIL 4 > SIL 4
Temperatur (T):
< SIL 1 SIL 1 SIL 2 SIL 3 SIL 4 > SIL 4
Füllstand (L):
< SIL 1 SIL 1 SIL 2 SIL 3 SIL 4 > SIL 4
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