IMATIC PCS 7. Stakes you beyond the limits! Process Safety con PCS 7 Josè Chavarria Esempio di applicazione nel settore Chimico 2010SIEMENS AG

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1 s IMATIC PCS 7 Stakes you beyond the limits! Process Safety con PCS 7 Josè Chavarria Esempio di applicazione nel settore Chimico 2010SIEMENS AG

2 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Obiettivi del Safety Engineering Evitare incidenti e danni in caso di guasti ed assicurare la massima sicurezza per Persone Processi Ambiente/ natura Slide 2

3 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Cause di guasto in Sistemi di Automazione Operation & maintenance 15% 21% Changes after commissioning Installation & commissioning 6% Planning & implementation 15% 44% Specification * Health and Safety Executive Slide 3

4 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Process Safety Applications Safety applications in the Process Industry Emergency and Process Shutdown Systems (ESD/PSD) According to IEC 61508, IEC and ISA S84 Burner Management Systems () According to NFPA 85, NFPA 86 Fire & Gas Applications (F & G), Fire Detection and Fire Alarm Systems According to EN 54, NFPA 72 Slide 4

5 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Standard di Sicurezza internazionali IEC61508 IEC serves as the basic standard and basis for safety standardization. It covers all areas where electrical, electronic or PLC systems are used to realize safety-related protection functions. IEC61511 There are sector-specific standards based on IEC 61508, such as IEC for the process industry or IEC for the nuclear industry These sector standards are important for planners and operators of corresponding plants. Slide 5

6 Relevant Standards NFPA 85 Boiler and Combustion Systems Hazards and Code 2007 Edition NFPA 86 Standard for Ovens and Furnaces 2007 Edition ISA TR (technical report) Guidance on the identification of safety instrumented functions in burner management systems Slide 6

7 Steps in IEC Safety Lifecycle Risk Analysis and Protection Layer Design Management of Functional Safety and Functional Safety Assessment Safety Lifecycle Structure and Planning Allocation of Safety Functions to Safety Instrumented Systems or other means of Risk Reduction Safety Requirements Specification for Safety Instrumented System Design and Design and Development Development of Safety of other means of Risk Instrumented System Reduction Installation, Commissioning and Validation Operation and Maintenance Modification Verification Decommissioning Slide 7

8 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Concetto di sicurezza per un impianto Disaster protection Disaster protection Collection basin Passive protection Overpressure valve, rupture disc Safety system (automatic) Safety shutdown Active protection Safety Instrumented System (SIS) Plant personnel intervenes Basic automation Process value Process alarm Normal activity Process control system Slide 8

9 What an Safety Instrumented System does Safety Systems Boom! Mechanical safety level (if available) SIS Trip level Operator takes action High alarm level High level Process value Low level Slide 9 Time

10 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Safety Instrumented System (SIS) SIS: Una combinazione di sensori, unità logiche (es. Controllori) e attuatori che individua anomale condizioni operative e AUTOMATICAMENTE porta l impianto in uno stato sicuro. PT 1B Basic Process Control System (BPCS) Inputs Outputs I / P PROCESS FT Slide 10

11 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Safety Instrumented System (SIS) SIS: Una combinazione di sensori, unità logiche (es. Controllori) e attuatori che individua anomale condizioni operative e AUTOMATICAMENTE porta l impianto l in uno stato sicuro. Safety Instrumented System (SIS) Inputs Outputs Basic Process Control System (BPCS) Inputs Outputs PT 1A PT 1B I / P PROCESS FT Slide 11

12 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY The Right Level of Integration ENG HMI ENG INTERFACED DCS Gateway SIS ENG HMI INTEGRATED DCS SIS ENG HMI COMMON DCS SIS Slide 12

13 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY The Right Level of Integration INTERFACED ENG DCS HMI Gateway Gateway SIMATIC S7-400FH SIS ENG INTEGRATED DCS SIMATIC PCS ENG 7 ES & OS HMI SIMATIC S7-400FH SIS COMMON SIMATIC PCS ENG 7 ES & OS HMI SIMATIC S7-400FH DCS SIS Std. I/O Slide 13

14 History of Siemens Safety Systems Our offering (1999) S7 F Systems S7-400FH / PROFIsafe (1999) Distributed Safety S7 151F/315F/317F/416F (2002/2003) QUADLOG (1995) SIMATIC S5-110F (1980) SIMATIC S5-115F (1988) Slide 14 SIMATIC S5-95F (1994)

15 Scalable, Distributed Architecture Our offering Redundant systems S7-319F-2DP 1.4MB 1000 F-I/Os S H *) 768kB 100 F-I/Os S H *) 2.8MB 600 F-I/Os S H *) 30MB 3000 F-I/Os S7-315F-2DP 192kB 300 F-I/Os S7-317F-2DP 1MB 500 F-I/Os Certified up to SIL 3 Slide 15

16 Fully Integrated Safety Communications B+B B+B Redundant system with SIMATIC S7 400FH SIMATIC ET 200M AI AI DI DO DO AI AI DI DO AO Redundant Ring Slide 16

17 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Target Safety Integrity Levels Safety Integrity Level Probability of failure on demand (PFD) per year (Demand mode of operation) Risk Reduction Factor = 1/PFD SIL 4 >=10-5 to < to SIL 3 >=10-4 to < to SIL 2 >=10-3 to < to 1000 SIL 1 >=10-2 to < to 100 SIL: Indica il valore della probabilità che un sistema di sicurezza strumentato (SIS) esegua correttamente una funzione di sicurezza strumentale (entro un periodo di tempo prestabilito Slide 17

18 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Safety Instrumented System (SIS) Slide 18

19 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Flexible Modular Redundancy (FMR) Architettura 1oo1: 1oo2: 2oo3: prevede con la ridondanza un due solo elementi. tripla elemento si ottiene La funzione attivo. sia la tolleranza In di caso sicurezza di ad un interviene guasto a che questo se l aumento uno dispositivo dei 2 della dispositivi disponibilità. si lo ha richiede. Avendo la perdita a Con disposizione della questa funzione struttura, tre elementi di si fa sicurezza. provvista in modo che di ridondanza, si abbia l intervento se si ha un della guasto funzione ad di un sicurezza dispositivo quando non si almeno ha la due perdita essi lo della richiedono. funzione di sicurezza. AI AI DI DO DO Simplex Dual AI AI DI DO DO 1oo1 LS Triple AI 1oo2 Valves 2oo3 PT Slide 19

20 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Valutazione del Rischio per definire il SIL Risk Chart Ca Cb Cc Cd Fa Fb Fa Fb Fa Fb Pa Pb Pa Pb Pa Pb Pa Pb X1 X2 X3 X4 X5 X6 a = no special safety requirements b = individual safety system insufficient W3 W2 W1 a b a Safety Integrity Levels SIL a Effect Ca Minor injury Cb Major, irreversible injury or death of one person Cc Death of several persons Cd Death of very many persons Frequency and duration Fa Seldom to often Fb Frequent to constant Danger prevention Pa Possible under cert. circum. Pb Nearly impossible Probability of occurrence W1 Very low W2 Low W3 Relatively high Slide 20

21 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Process Safety LifeCycle (Analysis & Realization) Slide 21

22 Colonna di Distillazione - BPC Diagramma della Colonna di distillazione Distillazione La distillazione è una tecnica di separazione che sfrutta la differenza dei punti di ebollizione delle diverse sostanze presenti in una miscela. È usata sia per separare miscele complesse che per purificare sostanze Slide 22

23 Colonna di Distillazione - BPC Diagramma della Colonna di separazione Distillazione Slide 23

24 Colonna di Distillazione - BPC Analisi del rischio (HAZOP) No. Guasto Causa (e) Effetto (i) Contromisura (e) Distillazione Prodotto in ingresso della colonna sbagliato o contaminato Guasto alimentazione Colonna del bacino di pompaggio troppo piena Variazione nel mix di prodotti in ingresso provenienti dalle parti di impianto a monte Avaria elettrica locale o d impianto Errore nel controllo di livello di riempimento LIC 004 Aumento di Temperatura/Pressione nella colonna Interruzione di riscaldamento e raffreddamento, come pure le pompe e/o incremento di Temperatura e Pressione. Allagamento della parte bassa della colonna con rischio di distruzione del fondo della colonna. Variazioni nella composizione dell afflusso non hanno luogo improvvisamente ma sono invece graduali e sono intercettabili da analisi di qualità continue. Tutti i controlli e gli strumenti entrano in modalità sicura. La colonna entra automaticamente in modalità sicura (in cui il riscaldamento è spento e l alimentazione è chiusa). La sicurezza di troppo pieno LSA+ 005 chiude il vapore di riscaldamento e la valvola di afflusso. 4 Serbatoio di condensa troppo pieno Errore nel controllo di livello di riempimento LIC 007 Allagamento del condensatore e perdita potenza di raffreddamento, aumento di temperatura nella colonna Vedere Temperatura nella colonna troppo alta 5 Temperatura nella colonna troppo alta Perdita di acqua di raffreddamento nel condensatore Aumento di pressione e penetrazione del vapore di caldaia più basso nell'aria dimessa. Esempio A) Con valvola di sicurezza: Attivazione della valvola di sicurezza e liberazione di sostanza nell ambiente. Esempio B) Senza valvola di sicurezza: Superamento massima pressione lecita nella colonna con perdita dell'integrità Il controllo di pressione PI ZA+ 010 chiude il vapore di riscaldamento e la valvola di afflusso. Molte misure di temperatura motivano un rapido intervento del personale operativo in caso di abnorme incremento di temperatura. 6 Temperatura nel bacino di pompaggio troppo alta. Errori di controllo nella linea di approvvigionamento di vapore di riscaldamento Slide 24 Surriscaldando del prodotto nel bacino di pompaggio sopra la temperatura massima consentita, reazione di corrosione con produzione di gas, incremento pressione sopra il valore massimo consentito Il controllo di Temperatura TIC ZA+ 006 chiude il vapore di riscaldamento

25 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Valutazione del Rischio per definire il SIL Risk Chart Ca Cb Cc Cd Fa Fb Fa Fb Fa Fb Pa Pb Pa Pb Pa Pb Pa Pb X1 X2 X3 X4 X5 X6 a = no special safety requirements b = individual safety system insufficient W3 W2 W1 a b a Safety Integrity Levels SIL a Effect Ca Minor injury Cb Major, irreversible injury or death of one person Cc Death of several persons Cd Death of very many persons Frequency and duration Fa Seldom to often Fb Frequent to constant Danger prevention Pa Possible under cert. circum. Pb Nearly impossible Probability of occurrence W1 Very low W2 Low W3 Relatively high Slide 25

26 Colonna di Distillazione - BPC Determinazione del SIL tramite Metodo Qualitativo Distillazione Slide 26

27 Colonna di Distillazione - BPC Determinazione del SIL tramite Metodo Qualitativo Distillazione Slide 27

28 Colonna di Distillazione - BPC Determinazione del SIL tramite Metodo Qualitativo Distillazione Slide 28

29 Colonna di Distillazione - BPC Distillazione Misura di Pressione Misura di Temperatura Slide 29

30 Colonna di Distillazione - SIS Distillazione Controllo della Pressione valutazione 2oo3 Verrà attivata la procedura di shut down tramite il SIF se: Due trasmettitori di pressione sono guasti Almeno Due trasmettitori di pressione misurano valori oltre una soglia impostata. PT 1110B PT 1110A PT 1110C Slide 30

31 Configurazione S7 F Hardware degli I/O s distribuiti Configurazione Hardware Colonna di Distillazione 3 x F AI6x15Bit HART 3 Channels Voting 2oo3 Distillazione Slide 31

32 2 x F DO10xDC24V/2A 2 Channels (red) = 4 Ch Configurazione S7 F Hardware degli I/O s 2 distribuiti (1oo2) Configurazione Hardware Colonna di Distillazione Distillazione Slide 32

33 Colonna di Distillazione - Creazione del programma Safety Controllo di Pressione valutazione 2oo3 Distillazione Slide 33

34 Colonna di Distillazione - Creazione del programma Safety Controllo di Pressione valutazione 2oo3 Distillazione Slide 34

35 Colonna di Distillazione - Creazione del programma Safety Controllo di Temperatura valutazione 2oo3 Distillazione Slide 35

36 PROFIBUS PA with PROFISafe Our offering New Function Blocks for PROFIBUS PA with PROFISafe F_PA_DI F_PA_AI Multi driver block for PROFISafe and PROFIBUS PA No IO cards are required Safety communication from the controller into the field Extended Diagnostics Integrated into the engineering and asset management tools Slide 36

37 Burner Management Systems A assures a safe operation of the combustion associated with: Gas/Oil fired boilers Ovens Kilns Process Heaters Furnaces A provides: safe start-up and shutdown sequences stops fuel flow if critical conditions are detected protection against furnace and boiler explosions Slide 37

38 Function blocks - Burner Management Systems () According to NFPA 85, NFPA 86 F_FB gas tightness test (F_TIGHTN) F_FB gas burner (F_GAS_BU) Colonna F_FB distillazione Igniter (F_IGNTR) F_FB oil burner (F_OIL_BU) F_FB air dampers (F_AIRD) F_FB run time supervision (F_RUN_T) F_FB oil start program (F_OIL_ST) F_FB temperature supervision (F_TEMP) F_FB actuator position supervision (F_POS_CH) Slide 38

39 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Test per aumentare l intervallo di manutenzione Test (PST) o Test Parziale della corsa Un metodo per individuare errori nell attuatore (es. valvole pneumatiche) Chiusura parziale della valvola a partire dalla posizione di totale apertura per controllare il movimento della valvola Tipicamente la valvola è chiusa tra il 5 e il 15%, durante la normale operatività L ampiezza del movimento parziale della sfera di chiusura dipende dal tipo e la dimensione della valvola, dall ambiente operativo e dalla copertura diagnostica desiderata Verifica anomalie nelle valvole senza arrestare il processo Non può confermare il 100% dei potenziali errori operativi Dal momento che la valvola non è completamente chiusa non può controllare ad esempio il pieno intervallo di movimento o sigilli Slide 39

40 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Safety Instrumented System (SIS) Slide 40

41 PST: Solenoid Test: Setpoint: Final Value: Response Time: :39:22 Process Value Setpoint After the delay time of Passed Passed Time Range: :39: :40: :39: :39: :39:46 % % s :39:54 1/19/2007 2:40:18 PM :40:02 s after the passed PST the solenoid valve will be closed SIMATIC PCS 7 Process SAFETY PST integrata con SIMATIC S7-400F/FH e PCS 7 Caratteristiche PST è controllata dal SIS In aggiunta Test solenoide possibile PST è indipendente dal tipo di posizionatore Tutte le informazioni sono disponibili nel DCS PCS7 OS: Monitoraggio/Controllo Alarmistica Archivi Stampa Report Stazione Ingegneria Ind. Ethernet SIMATIC S7-400F/FH Stazione Operatore Result: Test Tagname: F_V2120/V1120_PST Value Axis S7-400F/FH: Test Test Solenoide Interfaccia all OS Safety function set point posizione valvola Feedback posizione valvola S Valvola solenoide Aria di alimentazione Gas di processo (CH4) Valvola di chiusura di sicurezza Slide 41

42 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Esempio configurazione hardware per la PST integrata Applicazion e PST di sicurezza PROFIBUS DP F-DO Controllore SIS Feedback posizione valvola DP/PA Coupler Set point posizione valvola PROFIBUS PA Posizionatore valvola SIPART PS2 Safety Instrumented Function Aria di alimentazione S Valvola solenoide Gas di processo (CH4) Valvola di chiusura di sicurezza Slide 42

43 SIMATIC PCS 7 Process SAFETY Impatto sull intervallo Proof Test Con lo stesso SIL, il Testing può effettivamente allargare l intervallo di tempo tra i Full Proof Tests IEC61508 SIL 1 PFD(t) Senza PST Proof Test ogni anno = SIL2 Con PST (4 all anno) Proof Test ogni 2 anni = SIL2 SIL 2 PFD avg SIL 3 Intervallo PST SIL 4 Intervallo Proof Test Tempo Slide 43

44 Impact on Achievable SIL IEC61508 PFD(t) Without PST 1 year Proof Testing = SIL2 With PST (4x/year) 1 year Proof Testing = SIL 3 SIL 1 SIL 2 PFDavg PFDavg SIL 3 SIL 4 PST Interval Proof Test Interval Time Slide 44

45 Cause & Effects Matrix Cause & Effects matrix dal API RP 14C per documenting safety per offshore platforms Effect = process response Gaining acceptance in the process safety industry for documenting safety requirements Cause = process deviation Intersection defines the relationship between cause and effect Slide 45

46 Plant Expansion - Test Cases Demonstrated TC1 - Adding a New TC2 - Adding Additional IO TC3 - Modifying an existing Slide 46

47 Plant Expansion - Test Cases Demonstrated Slide 47

48 Tool Overview Slide 48

49 Addressing the Safety Lifecycle Cause & Effects Engineering, Operations and Maintenance Package Eliminates translation errors by automatically generating the program Automatically generates HMI faceplate to visualize matrix & maps live data from CPU Interface for maintenance overrides and I/O simulation during FAT or SAT Automatically generates change documentation (IEC 61511) and Events Log Risk Analysis and Protection Layer Design Sub clause 8 Manageme nt of Functional Safety and Functional Safety Assessment Safety Lifecycle Structure and Planning Allocation of Safety Functions to Safety Instrumented Systems or other means of risk reduction Sub clause 9 Safety Requirements Specification for the Safety Instrumented System Sub clause 10 Verificatio n Design and Development of Safety Instrumented System Sub clause 11 Design and Development of other means of Risk Reduction Sub clause 9 Installation, Commissioning and Validation Sub clause 14 Sub clause 5 Sub clause 6.2 Operation and Maintenance Sub clause 15 Modification Sub clause 15.4 Sub clause 7, 12.7 Decommissioning Sub clause 16 Slide 49

50 V6.2 Slide 50