Cos'è un sistema strumentato di sicurezza?

Le organizzazioni che gestiscono materiali pericolosi come parte dei loro core business si affidano a sistemi strumentati di sicurezza per mantenere i lavoratori al sicuro e ridurre la probabilità di incidenti catastrofici come incendi, esplosioni, rilasci di sostanze chimiche tossiche e fusioni nucleari.

I sistemi di sicurezza strumentati sono strettamente correlati a un altro tipo di sistema di processo aziendale noto come sistema di controllo di processo di base (BPCS). Tuttavia, mentre un BCPS si concentra sul mantenimento delle normali operazioni aziendali, un SIS si concentra esclusivamente sulla sicurezza. Quando un SIS rileva condizioni pericolose avvia una risposta predefinita, come il rilascio di pressione da una valvola o l'attivazione di un sistema di arresto di emergenza.

I sistemi strumentati di sicurezza sono utilizzati principalmente nei settori di processo, cioè settori che producono prodotti trasformando le materie prime attraverso processi chimici, fisici, biologici o termici. Questi settori includono petrolio e gas, produzione, generazione di energia, prodotti farmaceutici e trattamento delle acque. Per gestire il rischio, le imprese che operano in questi settori implementano sistemi legati alla sicurezza per rilevare condizioni pericolose e ripristinare i sistemi a uno stato sicuro.

L'obiettivo principale di un SIS è ripristinare un sistema o un processo a uno stato sicuro, ovvero la condizione in cui una struttura o un'attrezzatura è nuovamente sicura dopo un evento pericoloso.

Al centro di ogni sistema strumentato di sicurezza vi sono una o più funzioni strumentate di sicurezza (IF), azioni che il SIS intraprende quando rileva condizioni pericolose. Ad esempio, se un SIS rileva livelli pericolosi in un reattore chimico, le sue valvole di chiusura d'emergenza e i comandi della pompa possono automaticamente impedire che altro materiale fluisca nel reattore.

Tutti i sistemi di sicurezza strumentati sono rigorosamente regolamentati da norme stabilite dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC). Gli standard IEC 61508 e IEC 61511 forniscono framework dettagliati che le organizzazioni devono seguire durante la creazione di architetture SIS.

Un sistema strumentato di sicurezza (SIS) funziona monitorando sistemi e processi e intraprendendo azioni predefinite quando rileva condizioni pericolose. I progetti di sistema variano in base all'applicazione e al settore, ma la maggior parte delle architetture SIS è composta da tre componenti principali:

• Sensori
• Risolutori logici
• Elementi di controllo finali

Il primo livello di un SIS è costituito da sensori e trasmettitori che misurano costantemente sottili variazioni di pressione, temperatura, livello e flusso all'interno di un sistema o processo. Questi piccoli dispositivi forniscono dati in tempo reale sulle condizioni operative e rilevano deviazioni che possono indicare la presenza di condizioni pericolose.

La maggior parte degli strumenti SIS moderni si basa su più sensori per fornire ridondanza e ridurre la probabilità di falsi allarmi. Le architetture ridondanti riducono la probabilità che un guasto di un singolo dispositivo sfugga al rilevamento e contribuiscono a rendere più affidabili i sistemi con strumentazione software.

Il risolutore logico è il componente processo decisionale di un SIS, responsabile della ricezione di input da sensori e trasmettitori e della valutazione se i dati soddisfano le condizioni di sicurezza predefinite. Se i dati valutati dal risolutore logico indicano l'esistenza di una condizione pericolosa, può eseguire automaticamente una risposta di sicurezza.

Nella maggior parte degli ambienti moderni di automazione industriale, i risolutori logici si affidano a controllori specializzati, noti come controllori logici programmabili di sicurezza (PLC), per ricevere e valutare i segnali e avviare le funzioni di sicurezza. A differenza dei PLC convenzionali, che si concentrano sull'ottimizzazione della produzione, i PLC di sicurezza controllano solo le applicazioni di sicurezza funzionale all'interno di un SIS.

Gli elementi finali di controllo sono i componenti fisici effettivi (tecnologia operativa) all'interno del SIS che eseguono modifiche in un processo e lo ripristinano a uno stato sicuro. Alcuni elementi di controllo finali comuni sono valvole, valvole di isolamento, avviatori motore, relè, ammortizzatori e attuatori. Quando il risolutore logico rileva condizioni pericolose, gli elementi finali di controllo compiono un'azione protettiva predefinita.

Ad esempio, quando un sensore indica al controllo logico che i livelli di materiale pericoloso in un tubo superano i limiti preimpostati, il risolutore logico utilizza attuatori per chiudere fisicamente le valvole e fermare il flusso del materiale. Se eseguita correttamente, questa procedura ripristina il sistema a uno stato sicuro.

La gestione del ciclo di vita della sicurezza è un processo rigorosamente strutturato su cui le organizzazioni fanno affidamento per garantire che un sistema di sicurezza strumentato (SIS) e le sue funzioni strumentate funzionino correttamente.

Tre componenti critici sono fondamentali per gestire efficacemente il ciclo di vita della sicurezza e garantire che un SIS sia efficace:

• Livelli di integrità della sicurezza: i livelli di integrità della sicurezza (SIL) rappresentano il livello di riduzione del rischio richiesto da una specifica funzione di sicurezza strumentata in un SIS. I SIL vanno da SIL 1 a SIL 4, con livelli più alti che indicano una maggiore affidabilità. Per la maggior parte delle organizzazioni, SIL 2 e SIL 3 sono accettabili perché offrono una significativa riduzione del rischio pur essendo pratici ed economici.
• Specifiche dei requisiti di sicurezza: una specifica di requisiti di sicurezza (SRS) definisce l'affidabilità e i requisiti operativi per una specifica funzione di sicurezza in un SIS. Durante la fase di implementazione di un SIS, le organizzazioni in genere conducono diversi tipi di valutazioni dei pericoli e dei rischi. I più comuni sono gli studi di rischio e operatività (HAZOP) e l'analisi dei livelli di protezione (LOPA). Queste metodologie ampiamente accettate aiutano gli operatori delle macchine e i tecnici a determinare le giuste misure di sicurezza da adottare per i processi potenzialmente pericolosi.
• Test di dimostrazione: infine, le organizzazioni che progettano un SIS e lo mettono in funzione devono costantemente verificare che le sue funzioni di sicurezza funzionino correttamente. I test di prova prevedono ispezioni periodiche dei sistemi strumentati di sicurezza e test attentamente coordinati per verificare che il SIS funzioni correttamente quando si verifica una condizione pericolosa. Oltre ai test di prova, le organizzazioni monitorano anche metriche chiave relative alle attrezzature coinvolte in processi pericolosi, come il tasso di guasto e la probabilità di guasto su richiesta (PFoD).

Le moderne strutture industriali dipendono sempre più da tecnologie complesse di automazione come l'intelligenza artificiale (AI) e l'Internet of Things (IoT). Sebbene queste tecnologie migliorino l'efficienza e aumentino la produttività, introducono anche nuovi rischi per ambiente, stato di salute e sicurezza (EHS) e continuità aziendale. Ad esempio, un singolo malfunzionamento dell'attrezzatura in una struttura moderna può degenerare in un evento pericoloso se non sono in atto adeguate misure di sicurezza.

L'implementazione di un sistema strumentato di sicurezza (SIS) aiuta le organizzazioni ad aumentare l'affidabilità dei loro processi, migliorare la sicurezza dei lavoratori e proteggere meglio i loro asset più importanti. Secondo un recente rapporto, la domanda per gli strumenti SIS è in aumento, con un mercato attuale di 5,26 miliardi di USD previsto che raggiungerà i 7,32 miliardi di USD nei prossimi 5 anni.

Ecco uno sguardo ad alcuni vantaggi comuni della distribuzione di un SIS a livello aziendale.

Un SIS migliora la gestione della sicurezza dei processi monitorando continuamente processi e sistemi che possono causare condizioni pericolose. Secondo un report, un SIS può ridurre gli incidenti sul posto di lavoro fino all'80% grazie alle sue capacità di rilevamento e risposta. Tracciando automaticamente le variabili e Initiate azioni di protezione, i sistemi strumentati di sicurezza aiutano a ridurre la probabilità di incidenti e guasti catastrofici.

I lavoratori nelle strutture industriali, ad esempio, spesso maneggiano sostanze chimiche pericolose e combustibili come parte del loro lavoro quotidiano. I sistemi di arresto di sicurezza, avviati da un SIS, possono avvisarli di una potenziale esposizione e intraprendere azioni correttive. Quando le condizioni superano certe soglie di tolleranza, un SIS può rispondere più rapidamente e in modo più costante rispetto a un essere umano.

Molti dei processi e dei sistemi monitorati da un SIS sono fondamentali per la gestione delle operazioni aziendali, la progettazione e l'ottimizzazione dei processi aziendali per facilitare efficienza e resilienza. Oltre a presentare problemi di sicurezza, i guasti degli asset possono comportare perdite finanziarie significative.

Prevenendo danni a reattori, condotte, compressori, turbine e altri asset critici, un SIS può ridurre i costi di riparazione e i tempi di inattività non pianificati. Ad esempio, i grandi compressori centrifughi sono alcuni degli asset più critici e costosi del settore del gas naturale. Tecnici e operatori di macchine programmano sistemi strumentati di sicurezza per monitorare la portata di corrente, la pressione e i livelli di vibrazione al fine di prevenire una condizione chiamata surge, in cui il gas che scorre attraverso il compressore diventa instabile e può danneggiare l'asset.

Progettare e gestire un SIS aiuta le organizzazioni a migliorare le proprie funzionalità di monitoraggio della conformità in diversi modi. Innanzitutto, i settori di processo sono spesso soggetti a rigide normative e standard di sicurezza a causa dei materiali che sono fondamentali per i loro processi aziendali. La conformità alle norme IEC 61508 e IEC 61511 dimostra l'impegno di un'organizzazione per la sicurezza dei lavoratori e dimostra di aver implementato correttamente le best practice per la gestione della sicurezza funzionale.

In secondo luogo, regolatori e assicuratori spesso richiedono che le strutture mantengano programmi di sicurezza documentati che includano la progettazione del SIS, la documentazione dei test di prova e le attività di manutenzione registrate.

Un SIS affidabile aiuta un'organizzazione a ridurre la probabilità di un fermo falso fermando l'attrezzatura solo quando le condizioni sono davvero pericolose. Senza un SIS, gli operatori delle macchine devono fare affidamento sullo spegnimento manuale, aumentando la probabilità di falsi arresti perché i processi manuali non sono affidabili come quelli automatizzati.

Inoltre, il funzionamento delle attrezzature in condizioni non sicure aumenta la probabilità di guasto. Un sistema SIS progettato correttamente previene danni catastrofici all'attrezzatura e contribuisce a ridurre il numero di riparazioni di emergenza, guasti collaterali e interruzioni non pianificate.

I sistemi strumentati di sicurezza aiutano a migliorare le iniziative di gestione del rischio fornendo un livello di protezione indipendente (ILP) contro gli eventi pericolosi. Sebbene procedure corrette e l'intervento dell'operatore aiutino a ridurre il rischio durante la formazione, un SIS può monitorare attivamente le condizioni e intervenire quando diventano pericolose.

Ecco alcuni esempi comuni di eventi pericolosi che i sistemi di sicurezza strumentati contribuiscono a prevenire:

• Incapacità delle valvole di controllo di regolare i livelli di sostanze chimiche tossiche
• Incapacità dei sistemi di controllo dei processi di mantenere condizioni di sicurezza
• Mancanza di riconoscimento delle condizioni pericolose da parte degli operatori quando si presentano
• Guasto di cuscinetti, tubi, motori e altri componenti hardware

I sistemi strumentati di sicurezza sono utilizzati principalmente nei settori di processo per proteggere i processi che trasformano materie prime come petrolio, acqua e sostanze chimiche in prodotti. Ecco cinque degli esempi più comuni:

• Petrolio e gas: il settore petrolifero e del gas si affida a sistemi strumentati di sicurezza per monitorare raffinerie, piattaforme di perforazione offshore, oleodotti e impianti di lavorazione. I sistemi di sicurezza strumentati, progettati specificamente per il settore petrolifero e del gas, eseguono regolarmente arresti ad alta pressione, rilevano sostanze chimiche pericolose e isolano automaticamente l'attrezzatura.
• Produzione chimica: i produttori di sostanze chimiche si affidano a sistemi strumentati di sicurezza per monitorare liquidi e gas reattivi, tossici o infiammabili. In un impianto di produzione chimica, un SIS monitora le temperature del reattore, le pressioni di liquidi e gas e le concentrazioni chimiche per proteggere i lavoratori e prevenire guasti catastrofici.
• Centrali elettriche: gli operatori delle centrali elettriche utilizzano sistemi strumentati di sicurezza per proteggere asset come turbine, caldaie e sistemi ausiliari. Le funzioni di sicurezza di un SIS in una centrale elettrica includono in genere la protezione dalla velocità eccessiva delle turbine, lo spegnimento della caldaia e il monitoraggio dei sistemi di raffreddamento.
• Produzione farmaceutica: nel settore farmaceutico, i sistemi strumentati di sicurezza aiutano a garantire il funzionamento sicuro delle attrezzature di produzione e dei sistemi critici. Molti stabilimenti farmaceutici utilizzano solventi infiammabili, sostanze chimiche tossiche e sistemi ad alta pressione. Un SIS progettato per il workload di un impianto farmaceutico aiuta a regolare reattori di sintesi, sistemi di storage di solventi, unità di distillazione e reattori ad alta pressione.
• Strutture di trattamento delle acque reflue: le strutture di trattamento dell'acqua utilizzano la tecnologia SIS per gestire con attenzione i sistemi di dosaggio chimico, i serbatoi di stoccaggio e le stazioni di pompaggio. Le funzioni di sicurezza per il trattamento delle acque reflue aiutano a prevenire una vasta gamma di incidenti potenzialmente pericolosi come malfunzionamenti dei sistemi di trasporto, perdite di gas e sostanze chimiche tossiche, incendi ed esplosioni.