Architektūros užtikrinimas: Išsamus pasaulinis saugos sistemų projektavimo vadovas

Mūsų vis sudėtingesniame ir automatizuotame pasaulyje, nuo didžiulių chemijos gamyklų ir didelės spartos gamybos linijų iki pažangių automobilių sistemų ir kritinės energetikos infrastruktūros, tylūs mūsų gerovės sargai yra jose įdiegtos saugos sistemos. Tai nėra papildymai ar vėlesnės mintys; tai kruopščiai suprojektuotos sistemos, sukurtos su vienu, giliu tikslu: užkirsti kelią katastrofai. Saugos sistemų projektavimo disciplina yra šio užtikrinimo architektūros menas ir mokslas, paverčiantis abstrakčią riziką apčiuopiama, patikima apsauga žmonėms, turtui ir aplinkai.

Šis išsamus vadovas skirtas pasaulinei inžinierių, projektų vadovų, operacijų vadovų ir saugos specialistų auditorijai. Jis tarnauja kaip gilus nardymas į pagrindinius principus, procesus ir standartus, kuriais grindžiamas šiuolaikinis saugos sistemų projektavimas. Nesvarbu, ar dirbate procesų pramonėje, gamyboje, ar bet kurioje srityje, kur reikia kontroliuoti pavojus, šis straipsnis suteiks jums pagrindines žinias, kad galėtumėte užtikrintai ir kompetentingai naršyti šią kritinę sritį.

„Kodėl“: Akivaizdus tvirtų saugos sistemų projektavimo poreikis

Prieš gilindamiesi į techninius „kaip“, labai svarbu suprasti pagrindinį „kodėl“. Priežastis siekti meistriškumo saugos projektavime nėra vieninga, bet daugialypė, grindžiama trimis pagrindiniais ramsčiais: etine atsakomybe, teisinių reikalavimų laikymusi ir finansiniu apdairumu.

Moralinis ir etinis įpareigojimas

Saugos inžinerija iš esmės yra labai humaniška disciplina. Pagrindinė varomoji jėga yra moralinė pareiga apsaugoti žmonių gyvybes ir gerovę. Kiekviena pramoninė nelaimė, nuo Bhopalio iki Deepwater Horizon, yra ryškus priminimas apie pražūtingą nesėkmės žmonių kainą. Gerai suprojektuota saugos sistema yra organizacijos įsipareigojimo savo vertingiausiam turtui – jos žmonėms ir bendruomenėms, kuriose ji veikia – įrodymas. Šis etinis įsipareigojimas peržengia sienas, reguliavimo aktus ir pelno maržas.

Teisinis ir reguliavimo pagrindas

Visame pasaulyje vyriausybių agentūros ir tarptautinės standartų organizacijos yra nustačiusios griežtus teisinius pramonės saugos reikalavimus. Neatitikimas nėra pasirinkimas ir gali sukelti rimtų baudų, veiklos licencijos panaikinimą ir net baudžiamąją atsakomybę įmonių vadovybei. Tarptautiniai standartai, tokie kaip Tarptautinės elektrotechnikos komisijos (IEC) ir Tarptautinės standartizacijos organizacijos (ISO), suteikia pasaulyje pripažintą pagrindą pasiekti ir parodyti moderniausią saugos lygį. Šių standartų laikymasis yra universalus tinkamos priežiūros kalbos pagrindas.

Finansiniai ir reputaciniai rezultatai

Nors sauga reikalauja investicijų, saugos sutrikimo kaina beveik visada yra eksponentiškai didesnė. Tiesioginės išlaidos apima įrangos sugadinimą, gamybos praradimą, baudas ir bylinėjimąsi. Tačiau netiesioginės išlaidos gali būti dar labiau sukrečiančios: sugadinta prekės ženklo reputacija, prarastas vartotojų pasitikėjimas, krintanti akcijų vertė ir sunkumai pritraukiant bei išlaikant talentus. Ir atvirkščiai, tvirta saugos istorija yra konkurencinis pranašumas. Ji rodo patikimumą, kokybę ir atsakingą valdymą klientams, investuotojams ir darbuotojams. Veiksmingas saugos sistemų projektavimas nėra išlaidų centras; tai investicija į operacinį atsparumą ir ilgalaikį verslo tvarumą.

Saugos kalba: Pagrindinių sąvokų dekodavimas

Norint įvaldyti saugos sistemų projektavimą, pirmiausia reikia mokėti jos kalbą. Šios pagrindinės sąvokos sudaro visų saugos klausimų ir sprendimų pagrindą.

Pavojus prieš riziką: Pagrindinis skirtumas

Nors pokalbiuose dažnai vartojami pakaitomis, „pavojus“ ir „rizika“ saugos inžinerijoje turi tikslią reikšmę.

• Pavojus: Potencialus žalos šaltinis. Tai yra vidinė savybė. Pavyzdžiui, aukšto slėgio indas, besisukanti mentė ar toksiška cheminė medžiaga yra pavojai.
• Rizika: Žalos tikimybė kartu su tos žalos sunkumu. Rizika atsižvelgia tiek į nepageidaujamo įvykio tikimybę, tiek į jo galimas pasekmes.

Mes projektuojame saugos sistemas ne tam, kad pašalintume pavojus – tai dažnai neįmanoma – bet kad sumažintume susijusią riziką iki priimtino ar toleruotino lygio.

Funkcinis saugumas: Aktyvi apsauga veikiant

Funkcinis saugumas yra bendro sistemos saugumo dalis, priklausanti nuo jos teisingo veikimo reaguojant į įvestis. Tai yra aktyvus konceptas. Nors gelžbetoninė siena suteikia pasyvią saugą, funkcinio saugumo sistema aktyviai aptinka pavojingą būklę ir atlieka konkrečią veiksmą, kad pasiektų saugią būseną. Pavyzdžiui, ji aptinka pavojingai aukštą temperatūrą ir automatiškai atidaro aušinimo vožtuvą.

Saugos instrumentinės sistemos (SIS): Paskutinė gynybos linija

Saugos instrumentinė sistema (SIS) yra suprojektuota techninės ir programinės įrangos valdymo sistema, specialiai sukurta vienai ar kelioms „saugos instrumentinėms funkcijoms“ (SIF) atlikti. SIS yra viena iš dažniausių ir galingiausių funkcinių saugumo įgyvendinimų. Ji veikia kaip kritinis apsaugos sluoksnis, sukurtas įsikišti, kai nepavyksta kitos proceso kontrolės ir žmogaus intervencijos. Pavyzdžiai apima:

• Avarinio išjungimo (ESD) sistemos: Norint saugiai išjungti visą gamyklą ar proceso bloką, jei įvyksta didelis nukrypimas.
• Aukšto vientisumo slėgio apsaugos sistemos (HIPPS): Siekiant užkirsti kelią vamzdyno ar indo perkrovai, greitai uždarant slėgio šaltinį.
• Degiklių valdymo sistemos (BMS): Siekiant išvengti sprogimų krosnyse ir katiluose, užtikrinant saugų paleidimo, veikimo ir išjungimo seką.

Našumo matavimas: SIL ir PL supratimas

Ne visos saugos funkcijos yra vienodos. Saugos funkcijos kritiškumas lemia jos patikimumo poreikį. Du tarptautiniu mastu pripažinti skalės, SIL ir PL, yra naudojami šiam reikalingam patikimumui kiekybiškai įvertinti.

Saugos vientisumo lygis (SIL) daugiausia naudojamas procesų pramonėje (chemijos, naftos ir dujų) pagal IEC 61508 ir IEC 61511 standartus. Tai yra saugos funkcijos teikiamos rizikos mažinimo priemonės matas. Yra keturi atskiri lygiai:

• SIL 1: Suteikia rizikos mažinimo koeficientą (RRF) nuo 10 iki 100.
• SIL 2: Suteikia RRF nuo 100 iki 1000.
• SIL 3: Suteikia RRF nuo 1000 iki 10000.
• SIL 4: Suteikia RRF nuo 10000 iki 100000. (Šis lygis yra nepaprastai retas procesų pramonėje ir reikalauja išskirtinio pagrindimo).

Reikalingas SIL nustatomas rizikos vertinimo etape. Aukštesnis SIL reikalauja didesnio sistemos patikimumo, didesnio rezervavimo ir griežtesnio testavimo.

Našumo lygis (PL) naudojamas mašinų valdymo sistemų su saugos susijusioms dalims, pagal ISO 13849-1 standartą. Jis taip pat apibrėžia sistemos gebėjimą atlikti saugos funkciją numatomomis sąlygomis. Yra penki lygiai, nuo PLa (žemiausias) iki PLe (aukščiausias).

• PLa
• PLb
• PLc
• PLd
• PLe

PL nustatymas yra sudėtingesnis nei SIL ir priklauso nuo daugelio veiksnių, įskaitant sistemos architektūrą (kategoriją), vidutinį laiką iki pavojingo gedimo (MTTFd), diagnostikos aprėptį (DC) ir atsparumą bendrųjų priežasčių gedimams (CCF).

Saugos gyvavimo ciklas: Sisteminga kelionė nuo koncepcijos iki dekomisijos

Šiuolaikinis saugos projektavimas nėra vienkartinis renginys, bet nuolatinis, struktūrizuotas procesas, žinomas kaip Saugos gyvavimo ciklas. Šis modelis, esminis tokiems standartams kaip IEC 61508, užtikrina, kad saugumas būtų svarstomas kiekviename etape, nuo pradinės idėjos iki galutinio sistemos pašalinimo. Jis dažnai vizualizuojamas kaip „V“ modelis, pabrėžiantis specifikacijos (V kairėje pusėje) ir validacijos (V dešinėje pusėje) ryšį.

1 etapas: Analizė – Saugos brėžinys

Šis pirminis etapas, ko gero, yra kritiškiausias. Klaidų ar praleidimų čia visame projekte bus perduodamos, todėl reikės brangiai persidirbti arba, dar blogiau, neveiksmingos saugos sistemos.

Pavojų ir rizikos vertinimas (HRA): Procesas prasideda sisteminiu visų galimų pavojų identifikavimu ir susijusios rizikos įvertinimu. Visame pasaulyje naudojami keli struktūrizuoti metodai:

• HAZOP (Pavojų ir eksploatacijos tyrimas): Sisteminis, komandinis smegenų šturmo metodas, skirtas nustatyti galimus nukrypimus nuo projektavimo tikslo.
• LOPA (Apsaugos sluoksnių analizė): Pusiau kiekybinis metodas, naudojamas nustatyti, ar esamos apsaugos priemonės yra pakankamos rizikai kontroliuoti, ar reikalinga papildoma SIS, ir jei taip, kokio SIL lygio.
• FMEA (Gedimų režimų ir poveikio analizė): Iš apačios į viršų nukreipta analizė, kuri nagrinėja, kaip gali sugesti atskiri komponentai ir koks būtų tos gedimo pasekmė visai sistemai.

Saugos reikalavimų specifikacija (SRS): Kai rizika yra suprantama ir nusprendžiama, kad saugos funkcija yra būtina, kitas žingsnis yra tiksliai dokumentuoti jos reikalavimus. SRS yra galutinis saugos sistemos projektuotojo brėžinys. Tai yra teisinis ir techninis dokumentas, kuris turi būti aiškus, glaustas ir nedviprasmiškas. Tvirta SRS nurodo, ką sistema turi daryti, o ne kaip ji tai daro. Ji apima funkcinės reikalavimus (pvz., „Kai V-101 inde slėgis viršija 10 barų, uždarykite XV-101 vožtuvą per 2 sekundes“) ir vientisumo reikalavimus (reikalingas SIL arba PL).

2 etapas: Realizacija – Dizaino atgaivinimas

Vadovaujantis SRS, inžinieriai pradeda saugos sistemos projektavimą ir diegimą.

Architektūros projektavimo pasirinkimai: Siekdami pasiekti tikslinį SIL arba PL, projektuotojai naudoja keletą pagrindinių principų:

• Rezervavimas: Naudojant kelis komponentus tai pačiai funkcijai atlikti. Pavyzdžiui, naudojant du slėgio siųstuvus vietoj vieno (1 iš 2, arba „1oo2“ architektūra). Jei vienas sugenda, kitas vis tiek gali atlikti saugos funkciją. Kritiškesnės sistemos gali naudoti 2oo3 architektūrą.
• Įvairovė: Naudojant skirtingas technologijas ar gamintojus rezervuotiems komponentams, siekiant apsaugoti nuo bendros projektavimo klaidos, darančios įtaką visiems. Pavyzdžiui, naudojant vieno gamintojo slėgio siųstuvą ir kito gamintojo slėgio jungiklį.
• Diagnostika: Integruojant automatinius savikontrolės testus, kurie gali aptikti gedimus pačioje saugos sistemoje ir apie juos pranešti prieš įvykstant užklausai.

Saugos instrumentinės funkcijos (SIF) anatomija: SIF paprastai susideda iš trijų dalių:

1. Sensoriai: Elementas, matuojantis proceso kintamąjį (pvz., slėgis, temperatūra, lygis, srautas) arba aptinkantis sąlygą (pvz., šviesos užuolaidėlės pertraukimas).
2. Loginis sprendėjas: Sistemos „smegenys“, paprastai sertifikuotas saugos PLC (programuojamas logikos valdiklis), kuris skaito jutiklių įvestis, vykdo iš anksto užprogramuotą saugos logiką ir siunčia komandas galutiniam elementui.
3. Galutinis elementas (-ai): „Raumuo“, kuris vykdo saugos veiksmą fiziniame pasaulyje. Tai dažnai yra solenoidinio vožtuvo, pavaros ir galutinio valdymo elemento, tokio kaip išjungimo vožtuvas ar variklio kontaktorius, derinys.

Pavyzdžiui, aukšto slėgio apsaugos SIF (SIL 2): Sensorius gali būti SIL 2 sertifikuotas slėgio siųstuvas. Loginis sprendėjas būtų SIL 2 sertifikuotas saugos PLC. Galutinis elementas būtų SIL 2 sertifikuotas vožtuvas, pavara ir solenoidinis derinys. Projektuotojas privalo patikrinti, ar šių trijų dalių bendras patikimumas atitinka bendrą SIL 2 reikalavimą.

Aparatinės ir programinės įrangos pasirinkimas: Saugos sistemose naudojami komponentai turi būti tinkami naudoti. Tai reiškia, kad reikia pasirinkti prietaisus, kurie yra sertifikuoti akredituotos įstaigos (pvz., TÜV ar Exida) pagal konkretų SIL/PL reitingą, arba turi tvirtą pagrindimą, pagrįstą „patikrintais naudojime“ ar „ankstesniu naudojimu“ duomenimis, demonstruojančiais didelio patikimumo istoriją panašioje programoje.

3 etapas: Operacija – Skydui prižiūrėti

Tobulai suprojektuota sistema yra nenaudinga, jei ji nėra tinkamai įdiegta, eksploatuojama ir prižiūrėta.

Diegimas, paleidimas ir validavimas: Tai yra patvirtinimo etapas, kai įrodoma, kad suprojektuota sistema atitinka visus SRS reikalavimus. Tai apima gamyklos priėmimo bandymus (FAT) prieš išsiuntimą ir vietos priėmimo bandymus (SAT) po diegimo. Saugos validacija yra galutinis patvirtinimas, kad sistema yra teisinga, išsami ir paruošta procesui apsaugoti. Jokia sistema neturėtų pradėti veikti, kol ji nebus visiškai patvirtinta.

Eksploatacija, priežiūra ir įrodymo testavimas: Saugos sistemos projektuojamos su apskaičiuota gedimo tikimybe pagal poreikį (PFD). Siekiant užtikrinti šio patikimumo išlaikymą, būtinas reguliarus įrodymo testavimas. Įrodymo testas yra dokumentuotas testas, skirtas atskleisti bet kokius nepastebėtus gedimus, kurie galėjo atsirasti nuo paskutinio testo. Šių bandymų dažnumas ir išsamumas nustatomas pagal SIL/PL lygį ir komponentų patikimumo duomenis.

Pakeitimų valdymas (MOC) ir dekomisija: Bet koks saugos sistemos, jos programinės įrangos ar ją saugančio proceso pakeitimas turi būti valdomas per oficialią MOC procedūrą. Tai užtikrina, kad būtų įvertintas pakeitimo poveikis ir nebūtų pažeistas saugos sistemos vientisumas. Panašiai, dekomisija pasibaigus gamyklos eksploatacijai turi būti atidžiai suplanuota, siekiant užtikrinti saugumą visame procese.

Naršymas po pasaulinius standartus

Standartai suteikia bendrą kalbą ir kompetencijos pagrindą, užtikrinant, kad vienaip šalyje suprojektuota saugos sistema galėtų būti suprasta, eksploatuojama ir ja pasitikėta kitoje. Jie atstovauja pasaulinį geriausių praktikų sutarimą.

Pagrindiniai (skėtiniai) standartai

• IEC 61508: „Elektros/elektroninių/programuojamų elektroninių saugos susijusių sistemų funkcinis saugumas“. Tai yra funkcinio saugumo pagrindas arba „motininis“ standartas. Jame pateikiami reikalavimai visam saugos gyvavimo ciklui ir jis nėra specifinis jokiai pramonei. Daugelis kitų pramonės specifinių standartų yra grindžiami IEC 61508 principais.
• ISO 13849-1: „Mašinų sauga – Valdymo sistemų su saugos susijusios dalys“. Tai yra vyraujantis standartas mašinų saugos valdymo sistemų projektavimui visame pasaulyje. Jis suteikia aiškią metodiką saugos funkcijos Našumo lygio (PL) apskaičiavimui.

Pagrindiniai sektorių specifiniai standartai

Šie standartai pritaiko pagrindinių standartų principus specifinėms pramonės šakų problemoms:

• IEC 61511 (Procesų pramonė): Taiko IEC 61508 gyvavimo ciklą specifiniams procesų sektoriaus poreikiams (pvz., chemijos, naftos ir dujų, farmacijos).
• IEC 62061 (Mašinos): Alternatyva ISO 13849-1 mašinų saugai, ji grindžiama tiesiogiai IEC 61508 koncepcijomis.
• ISO 26262 (Automobiliai): Išsamus IEC 61508 pritaikymas kelių transporto priemonėse esančių elektros ir elektroninių sistemų saugumui.
• EN 50126/50128/50129 (Geležinkeliai): Standartų rinkinys, reguliuojantis geležinkelių programų saugumą ir patikimumą.

Supratimas, kurie standartai taikomi jūsų konkrečiai programai ir regionui, yra pagrindinė bet kokio saugos projektavimo projekto pareiga.

Dažniausios klaidos ir patvirtintos geriausios praktikos

Techninių žinių vien nepakanka. Saugos programos sėkmė labai priklauso nuo organizacinių veiksnių ir įsipareigojimo siekti meistriškumo.

Penkios kritinės klaidos, kurių reikia vengti

1. Saugumas kaip vėlesnė mintis: Saugos sistemos traktavimas kaip „pridėtinio“ elemento vėlyvame projektavimo etape. Tai brangu, neefektyvu ir dažnai lemia nepakankamą ir mažiau integruotą sprendimą.
2. Neaiški ar neišsami SRS: Jei reikalavimai nėra aiškiai apibrėžti, projektas negali būti teisingas. SRS yra sutartis; dviprasmiškumas veda prie nesėkmės.
3. Prastas pakeitimų valdymas (MOC): Saugos prietaiso aplenkimas ar „nekaltas“ valdymo logikos pakeitimas be oficialaus rizikos vertinimo gali turėti katastrofiškų pasekmių.
4. Per didelis pasitikėjimas technologijomis: Tikėjimas, kad aukštas SIL ar PL reitingas vienas garantuoja saugumą. Žmonių veiksniai, procedūros ir mokymai yra tokios pat svarbios dalys bendro rizikos mažinimo paveiksle.
5. Priežiūros ir testavimo nepaisymas: Saugos sistema yra tokia gera, kokia buvo paskutinis jos įrodymo testas. „Projektuok ir pamiršk“ mentalitetas yra viena pavojingiausių pramonėje laikomų nuostatų.

Penki sėkmingos saugos programos ramsčiai

1. Skatinti proaktyvią saugos kultūrą: Saugumas turi būti pagrindinė vertybė, remiama vadovybės ir priimta kiekvieno darbuotojo. Tai apie tai, ką žmonės daro, kai niekas nemato.
2. Investuoti į kompetenciją: Visi saugos gyvavimo cikle dalyvaujantys darbuotojai – nuo inžinierių iki technikų – turi turėti tinkamą mokymą, patirtį ir kvalifikaciją savo pareigoms. Kompetencija turi būti įrodoma ir dokumentuojama.
3. Palaikyti kruopščią dokumentaciją: Saugos pasaulyje, jei tai nepadaryta dokumentais, tai neįvyko. Nuo pradinio rizikos vertinimo iki naujausių įrodymo testavimo rezultatų, aiški, prieinama ir tiksli dokumentacija yra svarbiausia.
4. Priimti holistinį, sisteminį mąstymą: Žiūrėti už atskirų komponentų. Apsvarstykite, kaip saugos sistema sąveikauja su pagrindine proceso valdymo sistema, su operatoriais ir su gamyklos procedūromis.
5. Reikalauti nepriklausomo vertinimo: Naudoti komandą ar asmenį, nepriklausomą nuo pagrindinio projektavimo projekto, atlikti Funkcinių saugos vertinimus (FSA) pagrindiniuose gyvavimo ciklo etapuose. Tai suteikia kritišką, nešališką patikrinimą ir balansą.

Išvada: Saugesnio rytojaus inžinerija

Saugos sistemų projektavimas yra griežta, reikli ir labai naudinga sritis. Ji pereina nuo paprasto atitikimo prie proaktyvios inžinerinio užtikrinimo būsenos. Priimdami gyvavimo ciklo požiūrį, laikydamiesi pasaulinių standartų, suprasdami pagrindinius techninius principus ir puoselėdami tvirtą organizacinę saugos kultūrą, galime kurti ir eksploatuoti gamyklas, kurios yra ne tik našios ir efektyvios, bet ir iš esmės saugios.

Kelionė nuo pavojaus iki kontroliuojamos rizikos yra sisteminga, grindžiama techninės kompetencijos ir nepajudinamų įsipareigojimų dviguba sąjunga. Technologijoms ir toliau vystantis su Pramone 4.0, DI ir didėjančiu autonomiškumu, tvirtų saugos projektavimo principai taps dar svarbesni nei bet kada anksčiau. Tai nuolatinė atsakomybė ir kolektyvinis pasiekimas – galutinis mūsų gebėjimo kurti saugesnę, stabilesnę ateitį visiems išraiška.