SIMATIC PCS 7 - w5.siemens.com AG s Process Safety con PCS 7 Josè Chavarria Esempio di applicazione...

2010SIEMENS AG

s

Process Safety con PCS 7Josè ChavarriaEsempio di applicazione nel settore Chimico

IMATIC PCS 7takes you beyond the limits!

S

Partial Stroke

BMS

Colonna distillazione

Generale

Industry SectorSlide 2 2010 SIEMENS AG

Safety Matrix

Evitare incidenti e danni in caso di guasti ed assicurare la massima sicurezza per

Persone Processi Ambiente/natura

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Obiettivi del Safety Engineering

Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Specification

Planning & implementation

Installation & commissioning

Operation &maintenance

Changes aftercommissioning

6%

21%

44%15%

15%

* Health and Safety Executive

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Cause di guasto in Sistemi di Automazione

Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Safety applications in the Process Industry

Emergency and Process Shutdown Systems (ESD/PSD)According to IEC 61508, IEC 61511 and ISA S84

Burner Management Systems (BMS)According to NFPA 85, NFPA 86

Fire & Gas Applications (F & G), Fire Detection and Fire Alarm SystemsAccording to EN 54, NFPA 72

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Process Safety Applications

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

IEC 61508 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.

IEC61508

There are sector-specific standards based on IEC 61508, such as IEC 61511 for the process industry or IEC 61513 for the nuclear industry

These sector standards are important for planners and operators ofcorresponding plants.

IEC61511

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Standard di Sicurezza internazionali

Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Relevant BMS Standards

NFPA 85 – Boiler and Combustion Systems Hazards and Code

2007 Edition

NFPA 86 – Standard for Ovens and Furnaces

2007 Edition

ISA TR 84.00.05 (technical report) Guidance on the

identification of safety

instrumented functions in burner

management systems

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Steps in IEC 61511 Safety Lifecycle

Risk Analysis and Protection Layer DesignRisk Analysis and Protection Layer DesignRisk Analysis and Protection Layer DesignRisk Analysis and Protection Layer Design

Allocation of Safety Functions to Allocation of Safety Functions to Allocation of Safety Functions to Allocation of Safety Functions to Safety Instrumented SystemsSafety Instrumented SystemsSafety Instrumented SystemsSafety Instrumented Systems

or other means of Risk Reductionor other means of Risk Reductionor other means of Risk Reductionor other means of Risk Reduction

Safety Requirements Safety Requirements Safety Requirements Safety Requirements Specification for Safety Specification for Safety Specification for Safety Specification for Safety Instrumented SystemInstrumented SystemInstrumented SystemInstrumented System

Design and Design and Design and Design and Development of Safety Development of Safety Development of Safety Development of Safety Instrumented SystemInstrumented SystemInstrumented SystemInstrumented System

Design and Development Design and Development Design and Development Design and Development of other means of Risk of other means of Risk of other means of Risk of other means of Risk

ReductionReductionReductionReduction

Installation, Commissioning and ValidationInstallation, Commissioning and ValidationInstallation, Commissioning and ValidationInstallation, Commissioning and Validation

Operation and MaintenanceOperation and MaintenanceOperation and MaintenanceOperation and Maintenance

ModificationModificationModificationModification

DecommissioningDecommissioningDecommissioningDecommissioning

Ma

na

ge

me

nt o

f Fu

nctio

na

l Sa

fety

an

d F

un

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l Sa

fety

Asse

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Ma

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na

l Sa

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Asse

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Sa

fety

Life

cycle

Stru

ctu

re a

nd

Pla

nn

ing

Sa

fety

Life

cycle

Stru

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Pla

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Sa

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Life

cycle

Stru

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Sa

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Life

cycle

Stru

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Pla

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ing

Ve

rifica

tion

Ve

rifica

tion

Ve

rifica

tion

Ve

rifica

tion

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Plantpersonnelintervenes

Safety system(automatic)

Basicautomation

Overpressure valve, rupturedisc

Collectionbasin

Active protection

Passive protection

Disaster protectionDisasterprotection

Safety InstrumentedSystem (SIS)

Processvalue

Process alarm

Normal activity

Process controlsystem

Safetyshutdown

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Concetto di sicurezza per un impianto

Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

High levelHigh level

Process valueProcess value

Low levelLow level

High alarm levelHigh alarm levelOperator takes actionOperator takes action

Trip levelTrip levelSISSIS

TimeTime

Boom!Boom! Mechanical safety level Mechanical safety level (if available)(if available)

What an Safety Instrumented System does

Safety Systems

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

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.

I / P

PROCESS

PT1B

FT

Basic Process Control System (BPCS)

Inputs Outputs

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Safety Instrumented System (SIS)

Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

SIS: Una combinazione di sensori, unità logiche (es. Controllori) e attuatori che individua anomale condizioni operative e AUTOMATICAMENTE porta lAUTOMATICAMENTE porta l’’impianto in uno stato sicuro.impianto in uno stato sicuro.

I / P

PROCESS

PT1A

PT1B

FT

Basic Process Control System (BPCS)

Inputs Outputs

Safety Instrumented System (SIS)

Inputs Outputs


Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

DCS SIS

ENG HMI

INTEGRATED

SISGateway

ENG

INTERFACED

ENG HMI

DCS

DCS SIS

ENG HMI

COMMON

DCS SIS

ENG HMI

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY The “Right” Level of Integration

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

DCS SIS

ENG HMI

INTEGRATED

SISGateway

ENG

INTERFACED

ENG HMI

DCS

DCS SIS

ENG HMI

COMMON

DCS SIS

ENG HMI

Gateway

SIMATIC S7-400FH

SIMATIC PCS 7 ES & OS SIMATIC S7-

400FH

SIMATIC PCS 7 ES & OS

Std. I/O

SIMATIC S7-400FH

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY The “Right” Level of Integration

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

SIMATIC S5-110F(1980) SIMATIC S5-

115F(1988)

SIMATIC S5SIMATIC S5--

95F95F(1994)(1994)

QUADLOG(1995)

Distributed SafetyS7 151F/315F/317F/416F

(2002/2003)

S7 F SystemsS7-400FH / PROFIsafe

(1999)

Safety Matrix(1999)

History of Siemens Safety Systems

Our offering

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Certified up to SIL 3

Redundant systems

S7-412-3H *)768kB

100 F-I/Os

S7-414-4H *)2.8MB

600 F-I/Os

S7-317F-2DP1MB

500 F-I/OsS7-315F-2DP

192kB300 F-I/Os

S7-417-4H *)30MB

3000 F-I/Os

S7-319F-2DP1.4MB

1000 F-I/Os

Scalable, Distributed Architecture

Our offering

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

SIMATIC ET 200M

B+B

Redundant system withSIMATIC S7400FH

AI

DI

DO

DO

AI

AI

DI

DO

AO

AI

B+B

Redundant Ring

Fully Integrated Safety Communications

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

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

Safety Integrity Level

SIL 4

SIL 3

SIL 2

SIL 1

Probability of failure on demand (PFD) per year(Demand mode of operation)

Risk Reduction Factor = 1/PFD

>=10-5 to <10-4

>=10-4 to <10-3

>=10-3 to <10-2

>=10-2 to <10-1

10000 to 100000

1000 to 10000

100 to 1000

10 to 100

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Target Safety Integrity Levels

Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix


Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety MatrixA

I

DI

DO

DOAI

AI

DI

DO

DOAI

AI

2oo3 PT1oo2 Valves

Dual

Triple

1oo1 LS

Simplex

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Flexible Modular Redundancy (FMR)

Generale

Architettura 1oo1: prevede un solo elemento attivo. In caso di guasto a questo dispositivo si ha la perdita della funzione di sicurezza.

Architettura 1oo2: prevede due elementi. La funzione di sicurezza interviene se uno dei 2 dispositivi lo richiede. Con questa struttura, provvista di ridondanza, se si ha un guasto ad un dispositivo non si ha la perdita della funzione di sicurezza.

Architettura 2oo3: con la ridondanza tripla si ottiene sia la tolleranza ad un guasto che l’aumento della disponibilità. Avendo a disposizione tre elementi si fa in modo che si abbia l’intervento della funzione di sicurezza quando almeno due di essi lo richiedono.

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Effect

Ca Minor injuryCb Major, irreversible injury

or death of one personCc Death of several persons

Cd Death of very manypersons

Frequency and duration

Fa Seldom to often

Fb Frequent to constant

Danger prevention

Pa Possible undercert. circum.

Pb Nearly impossible

Probability of occurrence

W1 Very low

W2 Low

W3 Relatively higha = no special safety requirementsb = individual safety system insufficient

Safety IntegrityLevels SIL

W3 W2 W1

Ca

Cb

Cc

Cd

Fa

Fb

Fa

Fb

Pa

Pb

Pa

Pa

Pa

Pb

Pb

Pb

X1

X2

X3

X4

X5

X6

a

1

2

3

4

b

a

a1

12

23

34

Fb

Fa

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Valutazione del Rischio per definire il SIL Risk Chart

Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Generale

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

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Colonna di Distillazione - BPC Diagramma della “Colonna di distillazione”

Colonna Distillazione

La distillazione è una tecnica di separazione che sfrutta la differenza deipunti di ebollizione delle diverse sostanzepresenti in una miscela. È usata sia per separare miscele complesse che per purificare sostanze

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Colonna di Distillazione - BPC Diagramma della “Colonna di separazione”


Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Colonna di Distillazione - BPC Analisi del rischio (HAZOP)


Il controllo di Temperatura TIC ZA+ 006 chiude il vapore di riscaldamento

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

Errori di controllo nella linea di approvvigionamento di vapore di riscaldamento

Temperatura nel bacino di pompaggio troppo alta.

6

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.

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

Perdita di acqua di raffreddamento nel condensatore

Temperatura nella colonna troppo alta

5

Vedere ‘Temperatura nella colonna troppo alta’

Allagamento del condensatore e perdita potenza di raffreddamento, aumento di temperatura nella colonna

Errore nel controllo di livello di riempimento LIC 007

Serbatoio di condensa troppo pieno

4

La sicurezza di troppo pieno LSA+ 005 chiude il vapore di riscaldamento e la valvola di afflusso.

Allagamento della parte bassa della colonna con rischio di distruzione del fondo della colonna.

Errore nel controllo di livello di riempimento LIC 004

Colonna del bacino di pompaggio troppo piena

3

Tutti i controlli e gli strumenti entrano in modalità sicura.

La colonna entra automaticamente in modalitàsicura (in cui il riscaldamento èspento e l’alimentazione èchiusa).

Interruzione di riscaldamento e raffreddamento, come pure le pompe e/o incremento di Temperatura e Pressione.

Avaria elettrica locale o d’impianto

Guasto alimentazione2

Variazioni nella composizione dell’ afflusso non hanno luogo improvvisamente ma sono invece graduali e sono intercettabili da analisi di qualitàcontinue.

Aumento di Temperatura/Pressione nella colonna

Variazione nel mix di prodotti in ingresso provenienti dalle parti di impianto a monte

Prodotto in ingresso della colonna sbagliato o contaminato

1

Contromisura (e)Effetto (i)Causa (e)GuastoNo.

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Effect

Ca Minor injuryCb Major, irreversible injury

or death of one personCc Death of several persons

Cd Death of very manypersons

Frequency and duration

Fa Seldom to often

Fb Frequent to constant

Danger prevention

Pa Possible undercert. circum.

Pb Nearly impossible

Probability of occurrence

W1 Very low

W2 Low

W3 Relatively higha = no special safety requirementsb = individual safety system insufficient

Safety IntegrityLevels SIL

W3 W2 W1

Ca

Cb

Cc

Cd

Fa

Fb

Fa

Fb

Pa

Pb

Pa

Pa

Pa

Pb

Pb

Pb

X1

X2

X3

X4

X5

X6

a

1

2

3

4

b

a

a1

12

23

34

Fb

Fa

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Valutazione del Rischio per definire il SIL Risk Chart

Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Colonna di Distillazione - BPC Determinazione del SIL tramite ‘Metodo Qualitativo’


Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix



Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Colonna di Distillazione - BPC

Colonna Distillazione Misura di Pressione

Misura di Temperatura

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Colonna di Distillazione - SIS

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.

PT1110A

PT1110B

PT1110C


Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Configurazione S7 F Hardware degli I/O’s distribuiti

Configurazione Hardware – Colonna di Distillazione

3 x F AI6x15Bit HART

3 Channels

Voting 2oo3


Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Configurazione S7 F Hardware degli I/O’s distribuiti

Configurazione Hardware – Colonna di Distillazione

2 x F DO10xDC24V/2A

2 Channels (red) = 4 Ch

2 (1oo2)


Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

“Colonna di Distillazione” - Creazione del programma Safety

Controllo di Pressione – valutazione 2oo3


Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix


Controllo di Pressione – valutazione 2oo3


Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix


Controllo di Temperatura – valutazione 2oo3


Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

PROFIBUS PA with PROFISafe

New Function Blocks for PROFIBUS PA with PROFISafe

F_PA_DI

F_PA_AI

Multi driver block for PROFISafe andPROFIBUS PA

No IO cards are required

Safety communication from thecontroller into the field

Extended Diagnostics

Integrated into the engineering and asset management tools

Our offering

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

A BMS assures a safe operation of the combustion associated with:• Gas/Oil fired boilers• Ovens• Kilns• Process Heaters • Furnaces

A BMS provides:• safe start-up and shutdown sequences • stops fuel flow if critical conditions are detected• protection against furnace and boiler explosions

Burner Management Systems

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Function blocks - Burner Management Systems (BMS)According to NFPA 85, NFPA 86

F_FB gas tightness test (F_TIGHTN)

F_FB gas burner (F_GAS_BU)

F_FB 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)

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Chiusura parziale della valvola a partire dalla posizione di totale apertura per controllare il movimento della valvola

Un metodo per individuare errori nell’attuatore(es. valvole pneumatiche)

Tipicamente la valvola è chiusa tra il 5 e il 15%, durante la normale operativitàL’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 operativiDal momento che la valvola non è completamente chiusa non può controllare ad esempio il pieno intervallo di movimento o sigilli

Generale

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Partial Stroke Test per aumentare l’intervallo di manutenzione

Partial Stroke Test (PST) o Test Parziale della corsa

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix


Generale

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Valvola solenoide

Feedback posizione valvola

Aria di alimentazione

set point posizione valvola

S

Valvola di chiusura di sicurezza

Safety function

SIMATICS7-400F/FH

Ind. Ethernet

PCS7 OS:Monitoraggio/ControlloAlarmisticaArchiviStampa Report

S7-400F/FH:Partial Stroke TestTest SolenoideInterfaccia all’OS

Stazione Ingegneria

Stazione Operatore

1/19/2007 2:40:18 PMResult: Partial Stroke Test

PST:

Final Value:

Setpoint:

Response Time:

%

%

s

Solenoid Test:

Tagname: F_V2120/V1120_PST

Passed

Passed

79.80

79.64

1.20

Time Range: 19.01.2007 14:39:22 - 19.01.2007 14:40:02

19.01.200714:39:22

19.01.200714:39:30

19.01.200714:39:38

19.01.200714:39:46

19.01.200714:39:54

19.01.200714:40:02

79.64

81.71

83.78

85.84

87.91

89.98

92.05

94.11

96.18

98.25

100.32

Val

ue A

xis

Process Value

Setpoint

After the delay time of s after the passed PST the solenoid valve will be closed10.0

Caratteristiche

Gas di processo (CH4)

Generale

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY PST integrata con SIMATIC S7-400F/FH e PCS 7

PST è controllata dal SIS In aggiunta Test solenoide possibilePST èindipendente dal tipo di posizionatoreTutte le informazioni sono disponibili nel DCS

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Valvola solenoide

F-DO

Feedback posizione valvola

Aria di alimentazione

Set pointposizione valvola

Valvola di chiusura di sicurezza

Safety Instrumented Function

PROFIBUS DP

Controllore SIS

PROFIBUS PA

DP/PA Coupler

Applicazione PST di sicurezza

S

Gas di processo (CH4)

Generale

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Esempio configurazione hardware per la PST integrata

Posizionatore valvolaSIPART PS2

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

SIL 4

SIL 3

SIL 2

SIL 1

IEC61508

Intervallo Proof Test

PFDavg

PFD(t) Senza PST

Proof Test ogni anno = SIL2

Tempo

Con PST (4 all’anno)

Proof Test ogni 2 anni= SIL2

Intervallo PST

PFDavg

Con lo stesso SIL, il Partial Stroke Testing può effettivamente allargare l’intervallo di tempo tra i Full Proof Tests

Partial Stroke

SIMATIC PCS 7 – Process SAFETY Impatto sull’intervallo Proof Test

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Impact on Achievable SIL

SIL 4

SIL 3

SIL 2

SIL 1

IEC61508

PFD(t)

TimeProof Test Interval

PST Interval

Without PST

1 year Proof Testing = SIL2

With PST (4x/year)

1 year Proof Testing = SIL 3

PFDavg

PFDavg

Partial Stroke

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Cause & Effects Matrix

Intersection defines the relationship between cause and effect

Cause =

process deviation

Effect =

process response

Cause & Effects matrix dal API RP 14C per documenting safety per offshore platforms

Gaining acceptance in the process safety industry for documenting safety requirements

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Plant Expansion - Test Cases Demonstrated

TC1 - Adding a New Safety Matrix

TC2 - Adding Additional IO

TC3 - Modifying an existing Safety Matrix

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Plant Expansion - Test Cases Demonstrated

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Safety Matrix Tool Overview

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

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 DesignSub clause 8

Allocation of Safety Functions to Safety Instrumented Systemsor other means of risk reduction

Sub clause 9

Safety Requirements Specification for the Safety

Instrumented System Sub clause 10

Design and Development of Safety Instrumented

System Sub clause 11

Design and Development of other means of Risk

ReductionSub clause 9

Installation, Commissioning and ValidationSub clause 14

Operation and MaintenanceSub clause 15

ModificationSub clause 15.4

DecommissioningSub clause 16

Management of

Functional Safety and Functional

Safety Assessment

Sub clause 5

Safety Lifecycle Structure

and Planning

Subclause 6.2

Verification

Subclause 7,

12.7

Risk Analysis and Protection Layer DesignSub clause 8

Allocation of Safety Functions to Safety Instrumented Systemsor other means of risk reduction

Sub clause 9

Safety Requirements Specification for the Safety

Instrumented System Sub clause 10

Design and Development of Safety Instrumented

System Sub clause 11

Design and Development of other means of Risk

ReductionSub clause 9

Installation, Commissioning and ValidationSub clause 14

Operation and MaintenanceSub clause 15

ModificationSub clause 15.4

DecommissioningSub clause 16

Management of

Functional Safety and Functional

Safety Assessment

Sub clause 5

Safety Lifecycle Structure

and Planning

Subclause 6.2

Verification

Subclause 7,

12.7

Partial Stroke

BMS


Generale


Safety Matrix

Safety Matrix V6.2

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