Was ist ein sicherheitsgerichtetes System?

Unternehmen, die im Rahmen ihrer Kerngeschäftsprozesse mit Gefahrstoffen umgehen, verlassen sich auf sicherheitsgerichtete Systeme, um die Sicherheit der Arbeiter zu gewährleisten und die Wahrscheinlichkeit katastrophaler Ereignisse wie Brände, Explosionen, Freisetzungen giftiger Chemikalien und Kernschmelzen zu verringern.

Sicherheitsgerichtete Systeme sind eng mit einer anderen Art von Geschäftsprozesssystemen verwandt, die als einfaches Prozessleitsystem (Basic Process Control System, BPCS) bekannt sind. Während sich ein BCPS auf die Aufrechterhaltung des normalen Geschäftsbetriebs konzentriert, fokussiert sich ein SIS ausschließlich auf die Sicherheit. Wenn ein SIS gefährliche Bedingungen erkennt, leitet es eine vordefinierte Reaktion ein, wie zum Beispiel das Ablassen des Drucks aus einem Ventil oder das Aktivieren eines Notabschaltsystems.

Sicherheitsgerichtete Systeme werden hauptsächlich in der Prozessindustrie eingesetzt, also in Industrien, die Produkte durch die Umwandlung von Rohstoffen durch chemische, physikalische, biologische oder thermische Prozesse herstellen. Diese Branchen umfassen Öl und Gas, chemische Fertigung, Stromerzeugung, Pharmazeutik und Wasseraufbereitung. Um Risiken zu managen, setzen Unternehmen in diesen Branchen sicherheitsrelevante Systeme ein, um gefährliche Bedingungen zu erkennen und die Systeme in einen sicheren Zustand zu versetzen.

Das Hauptziel eines SIS ist es, ein System oder einen Prozess in einen sicheren Zustand zurückzuversetzen, also den Zustand, in dem eine Einrichtung oder ein einzelnes Gerät nach einem gefährlichen Ereignis wieder sicher ist.

Kernstück jedes sicherheitsgerichteten Systems sind eine oder mehrere sicherheitsgerichtete Funktionen (SIFs), also Aktionen, die das SIS ausführt, wenn es gefährliche Zustände erkennt. Wenn beispielsweise ein SIS gefährliche Werte in einem chemischen Reaktor erkennt, können seine Notabschaltventile und Pumpensteuerungen automatisch verhindern, dass weiteres Material in den Reaktor gelangt.

Alle sicherheitsgerichteten Systeme werden streng durch Standards reguliert, die von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) festgelegt wurden. Die Normen IEC 61508 und IEC 61511 bieten detaillierte Frameworks, denen Unternehmen beim Bau von SIS-Architekturen folgen können.

Ein sicherheitsgerichtetes System (SIS) überwacht Systeme und Prozesse und ergreift vordefinierte Maßnahmen, wenn es gefährliche Bedingungen erkennt. Systemdesigns variieren je nach Anwendung und Branche, aber die meisten SIS-Architekturen bestehen aus drei Hauptkomponenten:

• Sensoren
• Logiklöser
• Finale Steuerelemente

Die erste Ebene eines SIS besteht aus Sensoren und Sendern, die ständig subtile Veränderungen in Druck, Temperatur, Niveau und Durchfluss innerhalb eines Systems oder Prozesses messen. Diese kleinen Geräte liefern Echtzeitdaten über Betriebsbedingungen und erkennen Abweichungen, die darauf hinweisen können, dass gefährliche Bedingungen vorliegen.

Die meisten modernen SIS-Tools verlassen sich auf mehrere Sensoren, um Redundanz zu gewährleisten und die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen zu verringern. Redundante Architekturen verringern die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelner Geräteausfall der Erkennung entgeht und helfen, softwaregestützte Systeme zuverlässiger zu machen.

Der Logiklöser ist die Entscheidungsfindungskomponente eines SIS, die dafür zuständig ist, Eingabe von Sensoren und Sendern zu empfangen und zu bewerten, ob die Daten vordefinierte Sicherheitsbedingungen erfüllen. Wenn die vom Logiklöser ausgewerteten Daten auf eine gefährliche Situation hinweisen, kann er automatisch eine Sicherheitsreaktion ausführen.

In den meisten modernen industriellen Automatisierungsumgebungen verlassen sich Logiklöser auf spezialisierte Steuerungen, die als sicherheitsprogrammierbare Logiksteuerungen (SPS) bekannt sind, um Signale zu empfangen und zu bewerten sowie Sicherheitsfunktionen zu initiieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen SPS, die sich auf die Optimierung der Produktion konzentrieren, steuern Sicherheits-SPSs nur funktionale Sicherheitsanwendungen innerhalb eines SIS.

Finale Steuerelemente sind die tatsächlichen, physischen Komponenten (Betriebstechnologie) im SIS, die Änderungen in einem Prozess durchführen und ihn in einen sicheren Zustand versetzen. Zu den gängigen Steuerelementen gehören Ventile, Absperrventile, Motorstarter, Relais, Dämpfer und Aktuatoren. Wenn der Logiklöser gefährliche Bedingungen erkennt, führen die finalen Steuerelemente eine vordefinierte Schutzmaßnahme aus.

Wenn beispielsweise ein Sensor der Logiksteuerung anzeigt, dass die Konzentration von Gefahrstoffen in einem Rohr voreingestellte Grenzwerte überschreitet, setzt der Logiklöser Aktuatoren ein, um die Ventile physisch zu schließen und den Materialfluss zu stoppen. Bei korrekter Ausführung stellt dieser Vorgang das System in einen sicheren Zustand zurück.

Das Management des Sicherheitslebenszyklus ist ein eng strukturierter Prozess, auf den Unternehmen angewiesen sind, um sicherzustellen, dass ein sicherheitsgerichtetes System (SIS) und seine gerichteten Funktionen korrekt funktionieren.

Drei Schlüsselkomponenten sind entscheidend für ein effektives Management des Sicherheitslebenszyklus und die Gewährleistung der Wirksamkeit eines sicherheitsgerichteten Systems (SIS):

• Sicherheitsintegritätsstufen: Sicherheitsintegritätsstufen (SILs) sind das Maß an Risikominderung, das von einer bestimmten sicherheitsgerichteten Funktion in einem SIS erforderlich ist. SILs reichen von SIL 1 bis SIL 4, wobei höhere Werte auf erhöhte Zuverlässigkeit hinweisen. Für die meisten Unternehmen sind SIL 2 und SIL 3 akzeptabel, da sie eine erhebliche Risikoreduzierung bieten und dennoch praktisch und kosteneffektiv sind.
• Sicherheitsanforderungsspezifikationen: Eine Sicherheitsanforderungsspezifikation (SRS) definiert die Zuverlässigkeits- und Betriebsanforderungen für eine bestimmte Sicherheitsfunktion in einem SIS. Bei der Einrichtung eines SIS führen Unternehmen in der Regel verschiedene Arten von Gefahren- und Risikobewertungen durch. Am häufigsten werden Gefahren- und Betriebsanalysen (HAZOPs) und Schutzebenenanalysen (LOPA) durchgeführt. Diese allgemein anerkannten Methoden helfen Maschinenbedienern und Technikern, die richtigen Schutzmaßnahmen für potenziell gefährliche Prozesse zu bestimmen.
• Funktionsprüfung: Schließlich müssen Unternehmen, die ein SIS entwickeln und in Betrieb nehmen, ständig Tests durchführen, um sicherzustellen, dass die Sicherheitsfunktionen ordnungsgemäß funktionieren. Die Funktionsprüfung umfasst regelmäßige Inspektionen von sicherheitsherichteten Systemen und sorgfältig koordinierte Tests, um zu überprüfen, dass das SIS bei einem gefährlichen Zustand korrekt funktioniert. Zusätzlich zu den Funktionsprüfungen erfassen Unternehmen auch wichtige Metriken rund um das in gefährlichen Prozessen eingesetzte Equipment, wie z. B. die Ausfallrate und die Ausfallwahrscheinlichkeit bei Bedarf (PFoD).

Moderne industrielle Einrichtungen sind zunehmend auf komplexe Automatisierungstechnologien wie künstliche Intelligenz (KI) und das Internet der Dinge (IoT) angewiesen. Während diese Technologien die Effizienz verbessern und die Produktivität steigern, bringen sie auch neue Risiken für Umwelt, Gesundheit und Sicherheit (EHS) und die Geschäftskontinuität mit sich. Zum Beispiel kann ein einzelner Gerätefehler in einer modernen Einrichtung zu einem gefährlichen Ereignis werden, wenn keine ausreichenden Schutzmaßnahmen vorhanden sind.

Die Implementierung eines sicherheitsgerichteten Systems (SIS) hilft Unternehmen dabei, die Zuverlässigkeit ihrer Prozesse zu erhöhen, die Sicherheit ihrer Mitarbeiter zu verbessern und ihre wichtigsten Assets besser zu schützen. Laut einem aktuellen Bericht steigt die Nachfrage nach SIS-Tools, wobei der aktuelle Markt von 5,26 Milliarden USD in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich 7,32 Milliarden USD erreichen wird.

Hier ist ein Überblick über einige häufige Vorteile der Implementierung eines SIS auf Unternehmensebene.

Ein SIS verbessert das Prozesssicherheitsmanagement, indem es kontinuierlich Prozesse und Systeme überwacht, die zu gefährlichen Bedingungen führen können. Einem Bericht zufolge kann ein SIS durch seine Erkennung und Reaktionsfunktionen Vorfälle am Arbeitsplatz um bis zu 80 % reduzieren. Durch die automatische Erfassung von Variablen und die Einleitung von Schutzmaßnahmen tragen sicherheitsgerichtete Systeme dazu bei, die Wahrscheinlichkeit von Unfällen und katastrophalen Ausfällen zu verringern.

Arbeiter in Industrieanlagen zum Beispiel handhaben häufig gefährliche und brennbare Chemikalien im Rahmen ihrer täglichen Arbeit. Sicherheitsabschaltsysteme – initiiert von einem SIS – können sie auf potenzielle Exposition aufmerksam machen und Korrekturmaßnahmen ergreifen. Wenn Bedingungen bestimmte Toleranzschwellen überschreiten, kann ein SIS schneller und konsistenter reagieren als ein Mensch.

Viele der Prozesse und Systeme, die ein SIS überwacht, sind zentral für das Geschäftsbetriebsmanagement, also die Gestaltung und Optimierung von Geschäftsprozessen zur Förderung von Effizienz und Resilienz. Neben den damit verbundenen Sicherheitsrisiken können Asset-Ausfälle auch zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.

Durch die Vermeidung von Schäden an Reaktoren, Pipelines, Kompressoren, Turbinen und anderen kritischen Anlagen kann ein Sicherheitssystem Reparaturkosten und ungeplante Ausfallzeiten reduzieren. Zum Beispiel gehören große Zentrifugalkompressoren zu den kritischsten und teuersten Assets der Erdgasbranche. Techniker und Maschinenbediener programmieren sicherheitsgerichtete Systeme zur Überwachung von Durchfluss, Druck und Schwingungspegeln, um ein Phänomen namens „Surge“ zu verhindern, bei dem der durch den Kompressor strömende Gasstrom instabil wird und die Anlage beschädigen kann.

Der Entwurf und Betrieb eines SIS hilft Unternehmen, ihre Compliance-Überwachungsfunktionen auf verschiedene Weisen zu verbessern. Erstens unterliegen Branchen aufgrund der für ihre Geschäftsprozesse zentralen Materialien oft strengen Sicherheitsvorschriften und -normen. Die Einhaltung von IEC 61508 und IEC 61511 demonstriert das Engagement eines Unternehmens für die Arbeitssicherheit und zeigt, dass es Best Practices für das funktionale Sicherheitsmanagement ordnungsgemäß umgesetzt hat.

Zweitens verlangen Aufsichtsbehörden und Versicherer häufig, dass die Einrichtungen dokumentierte Sicherheitsprogramme vorhalten, die das SIS-Design, die Dokumentation von Funktionsprüfungen und die Aufzeichnungen der Wartung umfassen.

Ein zuverlässiges SIS hilft einem Unternehmen, die Wahrscheinlichkeit einer Fehlabschaltung zu verringern, indem Equipment nur dann eingestellt wird, wenn die Bedingungen wirklich gefährlich sind. Ohne ein SIS müssen sich Maschinenbediener auf manuelles Abschalten verlassen, was die Wahrscheinlichkeit Fehlabschaltungen erhöht, da manuelle Prozesse nicht so zuverlässig sind wie automatisierte.

Außerdem erhöht der Betrieb von Equipment unter unsicheren Bedingungen die Ausfallwahrscheinlichkeit. Ein richtig konzipiertes SIS verhindert katastrophale Equipment-Schäden und trägt dazu bei, die Zahl von Notfallreparaturen, Kollateralausfällen und ungeplanten Ausfällen zu reduzieren.

Sicherheitsgerichtete Systeme tragen zur Verbesserung von Risikomanagementinitiativen bei, indem sie eine unabhängige Schutzebene (ILP) vor gefährlichen Ereignissen bieten. Während ordnungsgemäße Abläufe und Bedienereingriffe das Risiko während der Schulung reduzieren, kann ein SIS die Bedingungen aktiv überwachen und eingreifen, wenn sie unsicher werden.

Hier sind einige häufige Beispiele für gefährliche Ereignisse, die mit Hilfe von sicherheitsgerichteten Systemen verhindert werden:

• Ausfall der Steuerventile bei der Regulierung des Gehalts an toxischen Chemikalien
• Versagen von Prozessleitsystemen bei der Aufrechterhaltung sicherer Bedingungen
• Versäumnis der Bediener, gefährliche Bedingungen zu erkennen, wenn sie bestehen
• Versagen von Lagern, Rohren, Motoren und anderen Hardwarekomponenten

Sicherheitsgerichtete Systeme werden hauptsächlich in der Prozessbranche eingesetzt, um die Prozesse zu schützen, die Rohstoffe wie Öl, Wasser und Chemikalien in Produkte umwandeln. Hier sind fünf der häufigsten Fälle:

• Öl und Gas: Der Öl- und Gassektor ist auf sicherheitsgerichtete Systeme angewiesen, um Raffinerien, Offshore-Bohrplattformen, Pipelines und Verarbeitungsanlagen zu überwachen. Speziell für Öl und Gas entwickelte sicherheitsgerichtete Systeme führen regelmäßig Hochdruckabschaltungen durch, erkennen gefährliche Chemikalien und nehmen eine automatische Isolierung von Equipment vor.
• Chemische Fertigung: Chemische Hersteller verlassen sich auf sicherheitsgerichtete Systeme zur Überwachung reaktiver, toxischer oder entzündlicher Flüssigkeiten und Gase. In einer chemischen Produktionsanlage überwacht ein SIS die Reaktortemperaturen, Flüssigkeits- und Gasdrucke sowie die Chemikalienkonzentrationen, um die Sicherheit der Arbeiter zu gewährleisten und katastrophale Ausfälle zu verhindern.
• Kraftwerke: Kraftwerksbetreiber verwenden sicherheitsgerichtete Systeme, um wertvolle Assets wie Turbinen, Kessel und Hilfssysteme zu schützen. Zu den Sicherheitsfunktionen für ein SIS in einem Kraftwerk gehören in der Regel der Schutz vor Überdrehzahlen der Turbine, die Abschaltung des Kessels und die Überwachung der Kühlsysteme.
• Pharmazeutische Fertigung: In der Pharmabranche tragen sicherheitsgerichtete Systeme dazu bei, einen sicheren Betrieb von Produktions-Equipment und kritischen Systemen zu gewährleisten. Viele pharmazeutische Anlagen verwenden brennbare Lösungen, giftige Chemikalien und Hochdrucksysteme. Ein für eine pharmazeutische Anlage entwickeltes SIS hilft bei der Regulierung von Synthesereaktoren, Lösungsmittelspeichersystemen, Destillationsanlagen und Hochdruckreaktoren.
• Wasseraufbereitungsanlagen: Wasseraufbereitungsanlagen verwenden SIS-Technologie, um chemische Dosierungssysteme, Speichertanks und Pumpstationen sorgfältig zu steuern. Sicherheitsfunktionen für die Wasseraufbereitung helfen, eine Vielzahl potenziell gefährlicher Vorfälle wie Fehlfunktionen von Förderbandsystemen, Gas- und Giftchemikalienlecks, Brände und Explosionen zu verhindern.