Qu’est-ce qu’un système instrumenté de sécurité ?

Les entreprises qui manipulent des matières dangereuses dans le cadre de leurs processus métier de base s’appuient sur des systèmes instrumentés de sécurité pour assurer la sécurité des travailleurs et réduire le risque d’incidents catastrophiques tels que des incendies, des explosions, des rejets de produits chimiques toxiques et des fusions nucléaires.

Les systèmes instrumentés de sécurité sont étroitement liés à un autre type de système de processus métier appelé système de contrôle de procédé de base (BPCS). Cependant, alors qu’un BCPS se concentre sur le maintien d’activités commerciales normales, un SIS se concentre exclusivement sur la sécurité. Lorsqu’un SIS détecte des conditions dangereuses, il lance une réponse prédéfinie comme libérer la pression d’une vanne ou activer un système d’arrêt d’urgence.

Les systèmes instrumentés de sécurité sont principalement utilisés dans les industries de procédé, c’est-à-dire des industries qui fabriquent des produits en transformant les matières premières par des procédés chimiques, physiques, biologiques ou thermiques. Ces secteurs comprennent le pétrole et le gaz, la fabrication, la production d’électricité, les produits pharmaceutiques et le traitement de l’eau. Pour gérer les risques, les entreprises actives dans ces secteurs déploient des systèmes liés à la sécurité pour détecter les conditions dangereuses et rétablir la sécurité des systèmes.

L’objectif principal d’un SIS est de restaurer un système ou un processus à un état sûr, c’est-à-dire la condition dans laquelle une installation ou un équipement individuel est à nouveau en sécurité après un événement dangereux.

Au cœur de chaque système instrumenté de sécurité se trouvent une ou plusieurs fonctions instrumentées de sécurité (SIF), des actions que le SIS prend lorsqu’il détecte des conditions dangereuses. Par exemple, si un SIS détecte des niveaux dangereux dans un réacteur chimique, ses vannes d’arrêt d’urgence et ses commandes de pompe peuvent automatiquement empêcher tout autre matériau d’entrer dans le réacteur.

Tous les systèmes instrumentés de sécurité sont étroitement réglementés par les normes établies par la Commission électrotechnique internationale (IEC). Les normes IEC 61508 et IEC 61511 fournissent des cadres des exigences détaillés que les entreprises doivent suivre lorsqu’elles créent des architectures SIS.

Un système instrumenté de sécurité (SIS) fonctionne en surveillant les systèmes et processus et en prenant des mesures prédéfinies lorsqu’il détecte des conditions dangereuses. La conception des systèmes varie selon les applications et les secteurs d’activité, mais la plupart des architectures SIS se composent de trois composants principaux :

• Détecteurs
• Solveurs logiques
• Éléments de contrôle finaux

La première couche d’un SIS est composée de capteurs et de transmetteurs qui mesurent en permanence de subtils changements de pression, de température, de niveau et de débit à l’intérieur d’un système ou d’un processus. Ces petits appareils fournissent des données en temps réel sur les conditions de fonctionnement et détectent les anomalies pouvant indiquer la présence de conditions dangereuses.

La plupart des outils SIS modernes reposent sur plusieurs capteurs pour fournir de la redondance et réduire le risque de fausses alertes. Les architectures redondantes réduisent le risque qu’une défaillance d’un seul appareil échappe à la détection et contribuent à fiabiliser les systèmes instrumentés par logiciel.

Le solveur logique est le composant de prise de décision d’un SIS, responsable de recevoir l’entrée des capteurs et émetteurs et d’évaluer si les données respectent des conditions de sécurité prédéfinies. Si les données évaluées par le solveur logique indiquent qu’une condition dangereuse existe, il peut automatiquement exécuter une réponse de sécurité.

Dans la plupart des environnements d’automatisation industrielle modernes, les solveurs logiques s’appuient sur des contrôleurs spécialisés appelés contrôleurs logiques programmables de sécurité (PLC) pour recevoir et évaluer les signaux et lancer les fonctions de sécurité. Contrairement aux automates classiques, qui visent à optimiser la production, les automates de sécurité contrôlent uniquement les applications de sécurité fonctionnelle au sein d’un SIS.

Les derniers éléments de contrôle sont les composants physiques (technologie opérationnelle) du SIS qui modifient un processus et le remettent en état de sécurité. Les éléments de commande finaux courants sont les vannes, les vannes d’isolation, les démarreurs moteurs, les relais, les amortisseurs et les actionneurs. Lorsque le solveur logique détecte des conditions dangereuses, les éléments de contrôle finaux effectuent une action protectrice prédéfinie.

Par exemple, lorsqu’un capteur indique au contrôle logique que les niveaux de matière dangereuse dans une canalisation dépassent des limites prédéfinies, le solveur logique déploie des actionneurs pour fermer physiquement les vannes et arrêter le flux de matière. S’il est effectué correctement, ce processus rétablit le système en état de sécurité.

La gestion du cycle de vie de la sécurité est un processus strictement structuré sur lequel les entreprises comptent pour garantir le bon fonctionnement d’un système instrumenté de sécurité (SIS) et de ses fonctions instrumentées.

Trois composants clés sont critiques pour gérer efficacement le cycle de vie de la sécurité et garantir l’efficacité d’un SIS :

• Niveaux d’intégrité de sécurité : les niveaux d’intégrité de sécurité (SIL) sont le niveau de réduction des risques requis par une fonction instrumentée spécifique dans un SIS. Les niveaux SIL vont de SIL 1 à SIL 4, les niveaux les plus élevés indiquant une fiabilité accrue. Pour la plupart des entreprises, les niveaux SIL 2 et SIL 3 sont acceptables, car ils permettent une réduction significative des risques tout en restant pratiques et rentables.
• Spécifications des exigences de sécurité : une spécification d’exigence de sécurité (SRS) définit les exigences de fiabilité et opérationnelles pour une fonction de sécurité spécifique dans un SIS. Lors de la mise en place d’un SIS, les entreprises réalisent généralement différents types d’évaluations des dangers et des risques. Les plus courantes sont les études de risques et d’opérabilité (HAZOP) et les analyses de couches de protection (LOPA). Ces méthodologies largement acceptées aident les opérateurs de machines et les techniciens à déterminer les mesures de protection appropriées à mettre en place autour des processus potentiellement dangereux.
• Tests de validation : enfin, les entreprises qui conçoivent et exécutent un SIS doivent effectuer des tests constants pour vérifier le bon fonctionnement de ses fonctions de sécurité. Les essais de validation impliquent des inspections périodiques des systèmes instrumentés de sécurité et des tests soigneusement coordonnés pour vérifier que le SIS fonctionnera correctement en cas de situation dangereuse. En plus des tests de validation, les entreprises suivent également des indicateurs clés concernant les équipements impliqués dans des processus dangereux, tels que le taux de défaillance et la probabilité de défaillance à la demande (PFoD).

Les installations industrielles modernes dépendent de plus en plus de technologies d’automatisation complexes telles que l’IA et l’Internet des objets (IdO). Bien que ces technologies améliorent l’efficacité et augmentent la productivité, elles introduisent également de nouveaux risques pour l’environnement, la santé et la sécurité (EHS) et la continuité d’activité. Par exemple, un seul dysfonctionnement d’un équipement dans une installation moderne peut dégénérer en événement dangereux si des mesures de protection adéquates ne sont pas mises en place.

La mise en place d’un système instrumenté de sécurité (SIS) aide les entreprises à accroître la fiabilité de leurs processus, à améliorer la sécurité des travailleurs et à mieux protéger leurs actifs les plus importants. Selon un rapport récent, la demande pour les outils de SIS est en hausse, son marché actuel de 5,26 milliards de dollars devant atteindre 7,32 milliards de dollars au cours des cinq prochaines années.

Voici un aperçu des avantages courants du déploiement d’un SIS au niveau de l’entreprise.

Un SIS améliore la gestion de la sécurité des procédés en surveillant en continu les processus et systèmes pouvant entraîner des conditions dangereuses. Selon un rapport, un SIS peut réduire les incidents au travail de jusqu’à 80 % grâce à ses capacités de détection et de réponse. En suivant automatiquement les variables et en lançant des actions de protection, les systèmes instrumentés de sécurité contribuent à réduire les risques d’accidents et de pannes catastrophiques.

Les travailleurs des installations industrielles, par exemple, manipulent souvent des produits chimiques dangereux et combustibles dans le cadre de leur travail quotidien. Les systèmes d’arrêt de sécurité, lancés par un SIS, peuvent les avertir d’une exposition potentielle et prendre des mesures correctives. Lorsque les conditions dépassent certains seuils de tolérance, un SIS peut répondre plus rapidement et de manière plus constante qu’un humain.

Beaucoup des processus et systèmes qu’un SIS surveille sont essentiels à la gestion des opérations métier, à la conception et à l’optimisation des processus métier pour faciliter l’efficacité et la résilience. En plus de poser des problèmes de sécurité, les défaillances d’actifs peuvent entraîner des pertes financières importantes.

En évitant les dommages aux réacteurs, canalisations, compresseurs, turbines et autres actifs critiques, un SIS peut réduire les coûts de réparation et les temps d’arrêt imprévus. Par exemple, les grands compresseurs centrifuges font partie des actifs critiques et les plus coûteux du secteur du gaz naturel. Les techniciens et les opérateurs de machines programment des systèmes instrumentés de sécurité pour surveiller le débit, la pression et les niveaux de vibration afin d’éviter une condition appelée surtension, où le gaz passant par le compresseur devient instable et peut endommager l’actif.

La conception et la gestion d’un SIS aident les entreprises à améliorer leurs capacités de surveillance de la conformité de plusieurs manières. Tout d’abord, les secteurs de transformation sont souvent soumis à des réglementations et des normes strictes en matière de sécurité en raison des matériaux qui sont au cœur de leurs processus métier. La conformité aux normes IEC 61508 et IEC 61511 témoigne de l’engagement d’une entreprise en faveur de la sécurité des travailleurs et montre qu’elle a correctement mis en œuvre les bonnes pratiques en matière de gestion de la sécurité fonctionnelle.

Deuxièmement, les régulateurs et les assureurs exigent souvent que les installations maintiennent des programmes de sécurité documentés incluant leur conception du SIS, la documentation des tests de preuve et les activités de maintenance enregistrées.

Un SIS fiable aide une entreprise à réduire le risque d’un arrêt erroné en arrêtant l’équipement uniquement lorsque les conditions sont vraiment dangereuses. Sans SIS, les opérateurs de machines doivent se fier à l’arrêt manuel, ce qui augmente le risque de faux arrêts, car les processus manuels ne sont pas aussi fiables que les processus automatisés.

En outre, l’utilisation des équipements dans des conditions dangereuses augmente le risque de défaillance. Un SIS bien conçu prévient les dommages d’équipement catastrophiques et contribue à réduire le nombre de réparations d’urgence, de pannes collatérales et de pannes imprévues.

Les systèmes instrumentés de sécurité contribuent à améliorer les initiatives de gestion des risques en fournissant une couche de protection indépendante (ILP) contre les événements dangereux. Bien que des procédures appropriées et l’intervention de l’opérateur contribuent à réduire les risques pendant la formation, un SIS peut surveiller activement les conditions et intervenir lorsqu’elles deviennent dangereuses.

Voici quelques exemples courants d’événements dangereux que les systèmes instrumentés de sécurité aident à prévenir :

• Défaillance des vannes de contrôle pour réguler les niveaux de substances chimiques toxiques
• Défaillance des systèmes de contrôle des processus à maintenir des conditions sûres
• Incapacité des opérateurs à reconnaître les conditions dangereuses lorsqu’elles existent
• Défaillance des roulements, tuyaux, moteurs et autres composants matériels

Les systèmes instrumentés de sécurité sont principalement utilisés dans les secteurs de transformation pour protéger les processus qui transforment les matières premières telles que le pétrole, l’eau et les produits chimiques en produits. Voici cinq de ses instances les plus courantes :

• Pétrole et gaz : le secteur pétrolier et gazier s’appuie sur des systèmes instrumentés de sécurité pour surveiller les raffineries, les plateformes de forage en mer, les oléoducs et les usines de traitement. Les systèmes instrumentés de sécurité conçus spécifiquement pour le pétrole et le gaz effectuent régulièrement des arrêts à haute pression, détectent des produits chimiques dangereux et isolent automatiquement les équipements.
• Fabrication chimique : les fabricants de produits chimiques s’appuient sur des systèmes instrumentés de sécurité pour surveiller les liquides et gaz réactifs, toxiques ou inflammables. Dans une usine de fabrication chimique, un SIS surveille les températures des réacteurs, les pressions liquides et gazeuses ainsi que les concentrations chimiques afin de garantir la sécurité des travailleurs et de prévenir des défaillances catastrophiques.
• Centrales électriques : les exploitants de centrales électriques utilisent des systèmes instrumentés de sécurité pour protéger des actifs précieux tels que les turbines, les chaudières et les systèmes auxiliaires. Les fonctions de sécurité d’un SIS dans une centrale électrique comprennent généralement la protection contre le surrégime de la turbine, l’arrêt de la chaudière et la surveillance des systèmes de refroidissement.
• Fabrication pharmaceutique : dans les secteurs pharmaceutiques, les systèmes instrumentés de sécurité contribuent à assurer le fonctionnement sûr des équipements de production et des systèmes critiques. De nombreuses usines pharmaceutiques utilisent des solvants inflammables, des produits chimiques toxiques et des systèmes à haute pression. Un SIS conçu pour le workload d’une centrale pharmaceutique aide à réguler les réacteurs de synthèse, les systèmes de stockage des solvants, les unités de distillation et les réacteurs à haute pression.
• Installations de traitement des eaux usées : les installations de traitement de l’eau utilisent la technologie de SIS pour gérer soigneusement les systèmes de dosage chimique, les stockages et les stations de pompage. Les fonctions de sécurité pour le traitement des eaux usées aident à prévenir une large gamme d’incidents potentiellement dangereux tels que les dysfonctionnements des systèmes de convoyeurs, les fuites de gaz et de produits chimiques toxiques, les incendies et les explosions.