Sicherheitsinstrumentierte Systeme (SIS) sind in der modernen Industrie von entscheidender Bedeutung, insbesondere in Hochrisikosektoren wie der Chemie-, Energie- und Petrochemieindustrie. Der Safety Integrity Level (SIL) ist ein Schlüsselindikator zur Messung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von SIS.
Da SIL 3 zu einem häufig diskutierten Thema in sicherheitskritischen Systemen geworden ist, ist es besonders wichtig, die Definition, Ebenen und Anwendungen von SIL sowie die spezifische Bedeutung und anwendbaren Szenarien von SIL 3 zu verstehen. Dieser Artikel hilft Ihnen dabei, die Beziehung zwischen SIS und SIL vollständig zu verstehen, wobei der Schwerpunkt auf der Bedeutung von SIL 3 liegt und Ihnen dabei helfen soll, in praktischen Anwendungen geeignete Entscheidungen zu treffen.
Ein Safety Instrumented System (SIS) ist ein System zur Implementierung einer oder mehrerer Safety Instrumented Functions (SIFs).
Die Hauptaufgabe von SIS besteht aus Messgeräten, Logiksteuerungen, Aktoren, Stellgliedern und zugehöriger Anwendungssoftware. Die Hauptaufgabe besteht darin, Prozessabläufe zu überwachen und rechtzeitig Maßnahmen zur Unfallverhütung zu ergreifen, wenn Gefahren auftreten.
Eine Safety Instrumented Function (SIF) ist eine spezifische Sicherheitsfunktion, die von einem SIS ausgeführt wird. Es dient dazu, unsichere Zustände im Prozess zu überwachen und entsprechende Kontrollmaßnahmen zu ergreifen, wie z. B. Notabschaltung, Stromabschaltung und Aktivierung von Druckentlastungseinrichtungen.
In den obigen Definitionen stoßen wir auf ein gewisses Maß an „zirkulärer Definition“ – eine sicherheitstechnische Funktion wird durch ein sicherheitstechnisches System implementiert, und ein sicherheitstechnisches System wird zur Implementierung sicherheitstechnischer Funktionen verwendet. Diese zirkuläre Definition weist auf die gegenseitige Abhängigkeit zwischen dem System und seinen Funktionen hin. Diese Art der Definition hilft uns jedoch, den engen Zusammenhang und Implementierungspfad zwischen dem System und seinen Funktionen zu verstehen.
Der Safety Integrity Level (SIL) ist ein Maß für die Fähigkeit einer Safety Instrumented Function (SIF), bestimmte Risiken zu reduzieren.
Es gibt vier SIL-Stufen, die von SIL 1 bis SIL 4 reichen, wobei SIL 4 die höchste Stufe ist und die geringste Ausfallwahrscheinlichkeit und die höchste Systemzuverlässigkeit anzeigt. Je höher der SIL-Level, desto höher sind die Sicherheitsanforderungen an das System, sodass es in komplexeren und gefährlicheren Umgebungen betrieben werden kann.
SIL-Stufen sind typischerweise mit PFDavg (durchschnittliche Wahrscheinlichkeit gefährlicher Ausfälle bei Bedarf) und PFH (Frequenz gefährlicher Ausfälle pro Stunde) verbunden. Für jede SIL-Stufe gelten entsprechende Standardanforderungen wie folgt:
Diese Ebenen unterstützen Designteams bei der Bewertung der Zuverlässigkeitsanforderungen und erforderlichen Sicherheitsniveaus des Systems.
Unterschied zwischen SlL, SlF und SlS
| BEDINGUNGEN | SIL | SIF | SIS |
|---|---|---|---|
| Definition | Der Safety Integrity Level (SIL) ist ein Maß dafür, wie zuverlässig eine Sicherheitsfunktion sein muss, um Ausfälle zu verhindern und Risiken zu reduzieren. | Eine Safety Instrumented Function (SIF) ist eine spezifische Aktion, die von einem Safety Instrumented System (SIS) ausgeführt wird, um einen Prozess sicher zu halten. | Ein Safety Instrumented System (SIS) ist ein System mit mehreren Sicherheitsfunktionen (SIFs) zur Überwachung und Steuerung von Prozessen zur Gewährleistung der Sicherheit. |
| Ebenen/Komponenten | SIL hat vier Stufen (SIL 1 bis SIL 4), wobei SIL 4 die höchste Sicherheitsstufe und SIL 1 die niedrigste ist. | Ein SIF verwendet Sensoren zur Erkennung von Gefahren, einen Logiklöser zur Entscheidungsfindung und letzte Elemente wie Ventile zur Gewährleistung der Sicherheit. | Ein SIS umfasst die gesamte Hardware und Software wie Sensoren und Aktoren, die zur Ausführung von Sicherheitsfunktionen erforderlich sind. |
| Zweck/Beispiel | SIL-Stufen geben die erforderliche Leistung eines SIF an, um das Risiko zu reduzieren. | Beispiele für SIFs sind Notabschaltfunktionen, Brandbekämpfungsaktivierungen oder Druckentlastungssysteme. | Das SIS ist darauf ausgelegt, gefährliche Stöße durch Installation, Betrieb und Wartung zu verhindern. |
| Beziehung | Maß für die erforderliche Zuverlässigkeit und Leistung eines SIF. | Spezifische Funktion eines SIS zur Gewährleistung der Sicherheit. | Das komplette System, das mehrere SIFs umfasst. |
| Schlüsselrolle | Bestimmen Sie das erforderliche Sicherheitsniveau. | Führen Sie spezifische Sicherheitsmaßnahmen durch, um Gefahren zu mindern. | Sicherheitsfunktionen implementieren und verwalten. |
Gemäß den Normen IEC 61511 und VDI/VDE 2180-1 gibt es einige Low-Integrity-Sicherheitsfunktionen (LIFs), die keinen hochintegrierten Schutz erfordern. Diese Funktionen haben einen Risikominderungsfaktor (RRF) von weniger als 10 und müssen normalerweise nicht in Sicherheitssystemen implementiert werden.
Obwohl diese Sicherheitsfunktionen keine komplexen SIS-Schutzschichten erfordern, übernehmen sie dennoch bestimmte grundlegende Sicherheitsaufgaben. Bei der SIL-Analyse gelten Funktionen, die als SIL-a, SIL-0 und SIL-1 eingestuft sind, im Allgemeinen als Szenarien mit geringem Risiko. In diesen Szenarien können Funktionen wie Auslösung und Abschaltung über vorhandene Steuerungssysteme ohne die Unterstützung hochintegrierter Sicherheitssysteme ausgeführt werden.
Das Design und die Anwendung dieser Sicherheitsfunktionen mit geringer Integrität sind sinnvoll, insbesondere angesichts des potenziellen „Überlastungsproblems“, mit dem Systeme mit hoher Integrität konfrontiert sein können. In einigen Fällen kann die Ausführung dieser Funktionen mit ausreichender Zuverlässigkeit durch Kontrollsysteme nicht nur die Risikoakzeptanzkriterien erfüllen, sondern auch übermäßige Investitionen vermeiden.
Die IEC-Norm definiert SIL-a und SIL-0, während VDI/VDE Alternativen für SIL-0 und SIL-1# bereitstellt. Obwohl es Unterschiede in der Terminologie zwischen beiden gibt, handelt es sich im Wesentlichen um Sicherheitsfunktionen mit geringer Integrität, die einen niedrigen Risikominderungsfaktor (< 10) erfordern und nicht in Sicherheitssystemen implementiert werden müssen.
SIL 3 ist eine der in der Norm IEC 61508 definierten Sicherheitsintegritätsstufen. Es erfordert einen Risikominderungsfaktor von 1.000 – 10.000 für bedarfsgesteuerte Ausfälle und eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 10⁻⁸ – 10⁻⁷ pro Stunde. SIL 3 wird typischerweise in Hochrisikoumgebungen wie Petrochemie, chemischer Verarbeitung und Kraftwerken eingesetzt. Die Bedeutung von SIL 3 liegt in seiner Fähigkeit, die mit bestimmten Gefahren verbundenen Risiken wirksam auf ein akzeptables Maß zu reduzieren.
Obwohl SIL-3-Geräte insbesondere in Umgebungen mit geringem Risiko überflüssig erscheinen mögen, kann der Einsatz von SIL-3-Geräten in bestimmten Fällen zu erheblichen Sicherheitsverbesserungen führen. Es kann beispielsweise das T-Proof-Testintervall (Testverifizierungszeit) verlängern und so die Effizienz bei der Erkennung versteckter Fehler verbessern.
SIL 3 wird nicht für einzelne Geräte, sondern für die von den Geräten ausgeführten Funktionen bewertet, um sicherzustellen, dass es in Umgebungen mit hohem Risiko ausreichende Sicherheitsgarantien bieten kann. Für die Geräteauswahl bedeutet SIL 3 höhere Zuverlässigkeitsanforderungen und redundantes Design, und die Geräte sind in der Regel teurer. Bei kritischen Anwendungen ist dies jedoch eine notwendige Investition.
Die Implementierung und Aufrechterhaltung von SIL 3 erfordert zusätzliche Investitionen. Zusätzlich zu den anfänglichen Kosten für die Anschaffung der Ausrüstung erfordert SIL 3 auch, dass das Betriebsteam über spezifische Fähigkeiten verfügt, was zusätzliche Kosten für Schulung und Personalmanagement bedeutet. Darüber hinaus stellen SIL-3-Geräte in der Regel höhere Design- und Prüfanforderungen, sodass ihre Kosten höher sind als bei herkömmlichen Geräten.
Allerdings lohnen sich die Kosten für SIL 3 im Vergleich zu potenziellen Risiken und möglichen Verlusten. Insbesondere in Umgebungen mit hohem Risiko können die Kosten für die Nichtimplementierung von SIL 3 die Kosten für die Implementierung bei weitem übersteigen. SIL 3 kann nicht nur die Systemsicherheit verbessern, sondern auch die Wahrscheinlichkeit von Unfällen verringern und die Sicherheit von Personal, Ausrüstung und Umwelt während des Produktionsprozesses gewährleisten.
Die SIL-Einstufung ist nicht nur eine technische Angelegenheit, sondern auch ein umfassender Risikomanagementprozess. Durch den Einsatz von Methoden wie HAZOP (Hazard and Operability Study) und LOPA (Layer of Protection Analysis) können potenzielle Gefahren im Prozess systematisch analysiert und der erforderliche SIL-Level ermittelt werden. Bei der Auswahl des SIL-Levels müssen die Art des Risikos, die Eintrittswahrscheinlichkeit, die Folgen von Unfällen und die erforderlichen Risikominderungsniveaus berücksichtigt werden.
Beim Entwurf eines SIS ist es entscheidend, zwischen sicherheitskritischen und nicht sicherheitskritischen Komponenten zu unterscheiden. Unter sicherheitskritischen Komponenten versteht man diejenigen Messgrößen und Aktionen, die für die Sicherheit wesentlich sind, wie z. B. Temperatur- und Drucksensoren sowie Notabschaltsysteme. Nicht sicherheitskritische Komponenten hingegen sind solche, die die Systemsicherheit nicht direkt beeinträchtigen und keinen direkten Einfluss auf die Sicherheit des Prozesses haben.
Standards wie GB/T 21109.1-2022 beschreiben detailliert den Rahmen und die Anforderungen für das SIS-Design und helfen Unternehmen dabei, bei der Implementierung von SIS wissenschaftliche und systematische Designspezifikationen einzuhalten, um sicherzustellen, dass der SIL-Level und die funktionalen Anforderungen erfüllt werden.
SIL-Stufen, insbesondere SIL 3, können die Systemsicherheit effektiv verbessern, wenn sie in Umgebungen mit hohem Risiko eingesetzt werden. Obwohl die Implementierungskosten von SIL 3 relativ hoch sind, ist es für die Vermeidung von Sicherheitsunfällen, die Reduzierung von Risiken und die Gewährleistung der Produktionssicherheit in bestimmten Szenarien von entscheidender Bedeutung.
Bei der Entscheidung über die Einführung von SIL 3 sollten Unternehmen eine umfassende Risikobewertung, Kosten-Nutzen-Analyse und langfristige Sicherheitsgarantien berücksichtigen. Mit der Entwicklung der Industrietechnologie wird die Anwendung von SIL in weiteren Bereichen gefördert und neue Technologien und Methoden werden die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit sicherheitstechnischer Systeme weiter verbessern.
