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8

Aplicación de Transmisores para Sistemas Integrados de Seguridad en Procesos Industriales

Ing. Gabriel Báez CambraAP Sales – End User Team

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8

BU Instrumentation

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08

�La unidad de negocios de

Instrumentación ABB se

construyó sobre la base y la

experiencia de marcas que fueron

líderes en el mercado

Nuestra HerenciaBU Instrumentation

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08

Productos clavesBU Instrumentation

� Medición de Caudal

� Medición de Presión

� Medición de Temperatura

� Instrumentos Analíticos

� Registradores y Controladores

� Actuadores and Posicionadores

� Servicios

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08

Medición de CaudalBUInstrumentation

� Electromagnetic Flowmeters

� Coriolis Mass Flowmeters

� Thermal Mass Flowmeters

� Vortex & Swirl Flowmeters

� Variable Area Flowmeters

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08

Medición de PresiónBU Instrumentation

� Absolute Pressure

� Gauge Pressure

� Differential Pressure

� Safety Transmitter

� Multivariable Transmitter

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08

Medición de TemperaturaBU Instrumentation

� Temperature Sensors

� Temperature Transmitters

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08

Instrumentos Analíticos BU Instrumentation

� Monitors for

� Silica, Phosphate, Ammonia, CO2, Chloride, Fluoride, Nitrate & Sodium

� Combustion gas analysis

� Hydrogen purity monitoring

� Conductivity/Resistivity

� pH/Redox

� Dissolved Oxygen

� Turbidity

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08

Registradores y ControladoresBU Instrumentation

� Videographic recorders

� Circular recorders

� Linear recorders

� ½ DIN Process controllers

� ¼ DIN Process controllers

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Actuadores y PosicionadoresBU Instrumentation

� Linear Actuators

� Part turn Actuators

� Positioners

� Converters

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08

Segmentos de MercadoBU Instrumentation

Química & Petroquímica

Farmacéutica

Oil & Gas

Agua, Tratamiento & Efluentes

Pulpa & Papel

Energía / Generación de Vapor

Alimentos & Bebidas

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www.abb.com/pressure IEC61508 SIL2 Certificaciónpara Transmisores de Presiónmodelo: 268 Rev.2

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08Por qué pensamos en “Seguridad” ?� Implementar seguridad en una

planta, que que protegaprotega la la CompaCompaññiaiade de cualquiercualquier responsabilidadresponsabilidad en en casocaso de de accidentesaccidentes..

� Implementar una estrategia de Seguridad en una planta segúnlos estándares Internacionalesreconocidos IEC61508/61511 previene la Compañia de costospor omisión en la prevención en caso de accidentes.

•Una Compañia que está protegiendo su planta tambitambiéénn protegeprotegeel el ambienteambiente, el personal y el , el personal y el equipoequipo de ser de ser dadaññadoado porpor eventoseventos““no no controladoscontrolados””•Proteger todo significa protegerproteger El Capital y la El Capital y la RentabilidadRentabilidad de la de la CompaCompaññiaia..••Mejorar la eficienciaMejorar la eficiencia

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08Cómo puedo aplicar la Seguridad?

DefiniciónDel riesgo

Inherente

RiesgoTolerable

Evalua

r El ri

esgo

Reducción del

riesgo

Capas

de

protecc

ión

ImplementaciónNiveles de Integridad

de la Seguridad

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08Cuándo la Seguridad es usada?

Seguridad en cualquiermomento es consideradacomo una necesidad de reducir el Riesgo:

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������ �������������� ����

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08Riesgos

Impactos del riesgo:GenteAmbienteCapital del equipo

Pérdida de producciónImagen de la Compañia

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08

Riesgo Inherente

La mayoría de los equipos y materiales existentes en una planta tienen su propio riesgo intrínseco que contribuye al Riesgo Inherente.

La probabilidad es determinada por una completa evaluación del proceso total; el tipo y la cantidad contribuyen a identificar las consecuencias del riesgo.

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08

Evaluación del Riesgo

Probabilidad:•Un modelo de evaluación del riesgo es usualmente definido por un Equipo competente(incluyendo abogados e ingenieros) que desarrollan su tarea en tomar en consideración las DirectivasCorporativas.

•El equipo especifica y cuantifica el Modelo Probabilístico (Qué tan frecuente) que un evento puede suceder, sus consecuencias (su severidad) y especifica la región aceptable de el riesgo.

Consecuencia:

•El modelo tiene que describir un método para evaluar y definirconsecuencias para cada categoría de riesgo.

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08

Identificación de riesgos

Identificación de Riesgos es la base para mantener o mejorar la Seguridad.

Para identificar los riesgos, la probabilidad y la consecuencias, las dos, deben ser seriamente tomadas en consideración.

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08Ejemplo:Modelo de evaluación de riesgo probabilístico:

Baja (< 1/10,000 anualmente)

•Múltiples fallas en diversos instrumentos o válvulas,

•Múltiples errores humanos en un ambiente libre de estrés,

•Fallas espontáneas en contenedores de proceso.

Media (1/10,000 - 1/1000 anualmente)

•Fallas duales en instrumentos o válvulas,•Grandes entregas en areas de carga-descarga.

Alta(> 1/1000 anualmente)

• Fallas múltiples en diversos instrumentos o válvulas,

• Errores humanos múltiples en un ambiente libre de estrés,

• Fallas en contenedores de proceso.

ProbabilidadDescripción del tipo de Evento

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08Ejemplo Modelo evaluativo de las consecuencias del riesgo

Impacto Consecuencias

Menores (p.ej. Daño o más USD100,000 de daños o producción interrumpida).

Insignificante.Inconveniente al equipo sin parada total de planta.Daños menores a empleados y poco impacto ambiental

Serios(p.ej.la necesidad de cuidado por personal médico y/o pérdidas de

producción que exceden USD200,000)

Daños severos al personal requiriendo atención médica, daño al equipo y

significante impacto ambiental.

Extensivas(p.ej.daños extremadamente

serios/muerte del personal y daños al equipo en planta con pérdidas

mayores de USD900,000)

Extensivos daños a los equipos, con un requirimiento de una larga parada de

planta,serias consecuencias al personal, y daños mayores al ambiente

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08

Riesgo Tolerable

En una planta de proceso el criteriode riesgo tolerable es establecidopor los dueños de la Compañía,

que después de un análisis de riesgos, se está en la capacidad de estimar una escala de riesgo tolerable.

IEC 61511 y otros estándares de Seguridad local describen como riesgotolerable el cual es aceptado en un contexto dado, basado en los actualesvalores de la sociedad. El propietario de la planta una vez identificó el riesgotolerable, implementa todas las acciones necesarias para mantener el riesgoen planta, dentro de un área tolerable.

ALARP= Tan baja como sea razonablemente práctica

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08

Niveles de integridad en la seguridad (SIL)Cada SIL es definido como el arreglo en la reducción del rango de riesgo en order de magnitud.IEC 61508 establece unos objetivos definidos que el sistema debe cumplir,en términos de niveles de integridad en la seguridad (SILs) p.ej. La probabilidad de seguridad alcanzable a través de un lazo(sistema) en demanda de seguridad.

Protección al ambiente y

la comunidad

Protección humana

Protección a la propiedad

y a la fabricación

Protección de la planta

�������

�������

������

������

“SIL 4”

“SIL 3”

“SIL 2”

“SIL 1”

PFD: E-005 to< E-004 RRF: 100,000 to 10,000 (yrs)

PFD: E-004 to< E-003RRF: 10,000 to 1,000 (yrs.)

PFD: E-003 to < E-002RRF: 1,000 to 100 (yrs.)

PFD: E-002 to < E-001RRF: 100 to 10 (yrs.)

Factor de reducción del

riesgo

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08La Seguridad está en su Presupuesto?

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08Inversión

� Pensar en Seguridad frecuentemente conduce a invertiren Protección.

� Un evento peligroso en la planta le cuesta a la Cia másque la inversión requerida para equipos en Seguridad.

� Los costos en seguridad se reducen notoriamente cuandouna planta es pensada con Seguridad desde los inicios de la Ingeniería.

� Considerar temas como la interrupción en la producción y en la calidad.

� Considerar daños en los equipos y los costos de reparación.

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08Seguridad en transmisores de presión

Fabricantesy suministradores

de equipos

IEC 61508

Fabricantesy suministradores

de equipos

IEC 61508

Estándares en el sistema de

seguridad para el sector de Procesos

Integradores y Usuarios,Diseñadoresde sistemas

instrumentadoscon seguridad

IEC 61511

Integradores y Usuarios,Diseñadoresde sistemas

instrumentadoscon seguridad

IEC 61511

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08

La madre de la actual Seguridad es el estándar IEC61508.IEC61508 describe generalmente el Riesgo y define la base para todos los otros estándares de Seguridad bajo IEC.

IEC 61508Aplicable a todas las

Industrias

ISA S84.01Industrias de Proceso

IEC 61511Industria de Proceso

IEC 61513Industria Nuclear

IEC 615YYTransportes

IEC 1131Lenguajes de

programación para PLCEsta especificación

juega un rol importante en la programación del sistema en aplicaciones

de SeguridadIEC 615ZZ

Otras Industrias

Estándares de Seguridad

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08

Desarrollo de nuevo hardware en dispositivos

SiguiendoIEC 61508

Usar equipo probado en

uso

SiguiendoIEC 61511

Usar equipodesarrollado y

validado de acuerdo a IEC61508

SiguiendoIEC 61511

Guía sobre cuándo aplicar IEC 61511 o 61508

Desarrollo y manufactura de transmisor

268

Usar dispositivos probados en operación.

Usar dispositivos certificados

SIL2 IEC61508

Diseño de Un Lazo SIS

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08Requerimientos de “Probados en uso”

� IEC 61511-1 par. 11.5.3.1 & 11.4.4

� Apropiada evidencia que debe estar disponible para que componentesy subsistemas estén apropiados para su uso en un SIS.

� IEC 61511-1 par. 11.5.3.2La apropiada evidencia debería incluir lo siguiente:

� Consideración de la calidad del fabricante [..]

� Adecuada identificación y especificación [..]

� Demostración del desarrollo de los componentes o subsistemas en similares perfiles operativos y ambientes físicos.

� Volumen de experiencias operativas [..] para los dispositivos de campo, información relativa a la experiencia operacional, la mayor parteregistrada en la lista de usuarios de equipos aprobados en la planta [..]

IEC 61511

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08

La certificación TUV implica la verificación que el producto pasó lassiguientes pruebas:

El Model 268 – análisis completo

� Chequeo total del ciclo de vida de seguridad

� Seguridad funcional (hardware & software) test (HW tolerancia a falla);

� Prueba de seguridad eléctrica

� Prueba EMC

� Prueba ambiental

� Aseguramiento de calidad (QA) en producción y mantenimiento del producto.

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08Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS)

El SIS es físicamente separado del BPCS para mantener su integridad aún en caso de falla del BPCS.Algunas comunicaciones limitadas son permitidas entre el BPCS y el SIS

SIS is fundamentalmente diferente del BPCS

• El objetivo del BPCS es producción de calidad / cantidad.

• El objetivo del SIS es el monitoreo de una condición de procesoinsegura y la eventual parada de planta si se necesita.

BPCSBasic Process Control System

SIS

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08Implementación SIS, ejemplo en FCC

BPCS

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08Implementación SIS, ejemplo en FCC

BPCS

SIS

Capa de protección adicional:SIS

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08

35% 15% 50%

Transductor& transmisor

Sistema de Seguridad Actuador/válvula

“distribución” de la seguridad

� Cada uno de los tres elementos SRS tiene su propio PFD, con valores como 0.05 to 0.0001.

� El total de PFD de los SRS es aproximadamente la suma de los PFDs para cada elemento.

� Los transmisores análogos SMART ofrecen un incremento en la disminución de los factores de riesgo a nivel de sensor.

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08Cómo trabaja?

� En lazos criticos una falla en el dispositivo de medida puedeconducir a consecuenciaspeligrosas

� Dispositivos de medida son frecuentemente en doble o triple redundancia para dar cierto grado de Confianza acerca de la fiabilidad en la medida.

� Un transmisor certificado SIL2 debe ser diseñado de tal manera que en caso de falla su Salida Analógica es conducida a un valor CONOCIDO.

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08

Los límites de saturación y la escala SUPERIOR/INFERIOR (alarma) en la señal de 4-20ma

Salida de acuerdo a NAMUR

Operación normal

Salida analógica saturada

3.8 20.8

Mal funcionamiento

223.7

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08Transmisor convencional

���� �� � � ��� ! " # � #�$ #

%& '�( # )� '

Output current

02468

101214161820

0 5 10 15 20

Time (sec)

Cu

rren

t (m

A)

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08Transmisor convencional

���� �� � � ��� ! " * � #�$ #

%& '�( #( �+ &

Output current

02468

101214161820

0 5 10 15 20

Time (sec)

Cu

rren

t (m

A)

Salida

congelada

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08

���� �� � � ��� !

%& '�( #( �+ &, # � � -� # �

Output current

02468

101214161820

0 5 10 15 20

Time (sec)

Cu

rren

t (m

A)

Salida

congelada

Transmisor convencional

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08

���� �. � � ��� !

%& '�( #( �+ &

Output current

0

2468

1012141618

20

0 5 1 0 15 20

Time (se c)

Cu

rre

nt (

mA

)

Estado de

Seguridad

Transmisor para SIS

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08

Output current

0

2468

101214

1618

20

0 5 10 15 20

Time (sec)

Cur

rent

(mA

)

Diseño

En este caso está legalmenteprotegido pero…no se previene

un accidente

En este caso se previene el accidente

Output current

024

68

101214

161820

0 5 10 15 20

Time (sec)

Cur

rent

(m

A)

Estado de

seguridad

Salida

congelada

TRANSMISOR CONVENCIONAL

TRANSMISOR PARA SIS

��Para un Para un componentecomponente, la , la informaciinformacióónn clave clave eses la la tasatasa de de fallasfallas peligrosaspeligrosas no no detectadasdetectadas. . EstoEsto eses lo que el lo que el usuariousuarionecesitanecesita sabersaber parapara disediseññarar susu sistemasistema””

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08

Output current

3456789

10111213141516171819202122

0 5 10 15 20 25 30 35

Time (min)

Cur

rent

(mA

)

Cómo trabaja?

Area de operación

4 to 20 mA

Saturacion/alarma

Saturacion/alarma

In case of a malfunction the 268 transmitter will drive the signal to the well known pre-configured level. In

this case the alarm value will be easily detected, preventing

damages.

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08Ejemplo de la vida real Dic. 2005 UK

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08Safety Transmitter

� El transmisor de seguridad 2600T ha sido diseñado de acuerdo con IEC 61508 para nivel 2 de Integridad de Seguridad (SIL2)

� El transmisor detecta cada fallainterna de hardware, dando unaalarma externa y un valor predeterminado del nivel de salidaanalógica programada.

� La aprobación SIL2 es válida solo para la salida analógica. Los Transmisores de Presión de Seguridad 2600T desarrollan unacomunicación Hart con todas suscaracterísticas, pero con unamejorada información de diagnóstico.

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08

PRESSURE DETECTIONELEMENT 2

PRESSURE DETECTIONELEMENT 2

LINEARIZATION &

COMPENSATION

LINEARIZATION &

COMPENSATION

Arquitectura Estándar Redundancia Diagnóstico

Dos elementos sensores

OUTPUT2

OUTPUT2

VOTINGVOTING

COMPARATORCOMPARATOR

VERIFYSUPPLYVERIFYSUPPLY

COMPARATORCOMPARATOR

W ATCHDOGW ATCHDOG

4÷÷÷÷20 mASAFE

OUTPUT

4÷÷÷÷20 mASAFE

OUTPUT

CLOCK2

CLOCK2

A / DA / D VERIFYOUTPUT VERIFY

OUTPUT

FAILSAFE

ENABLE

FAILSAFE

ENABLE4÷÷÷÷20 mA

OUTPUT1

4÷÷÷÷20 mA

OUTPUT1

Arquitectura de un transmisor de Seguridad

Microprocesador A/D Fuente de poder & AO

HART

4÷÷÷÷20 mA4÷÷÷÷20 mA

PRESSUREDETECTIONELEMENT 1

PRESSUREDETECTIONELEMENT 1

Temperature sensor

Temperature sensor

LINEARIZATION &

COMPENSATION

LINEARIZATION &

COMPENSATION

VALID ATIONVALID ATION D / AD / A

CLOCK1

CLOCK1

Para IEC 61508 Tolerancia a fallas del hardware (HFT) el # de fallas que el componente que puede soportar antes de ocasionar la pérdida de la función de

seguridad

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08

MenoresMenores CostosCostos

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08

Familia 2600T standard con Sensor Tecnología Inductiva

Measuring diaphragm

Ferrite Plate

CoilFerrite

Pot-Core

Feedthrough

requerimientos SIL 2 para el sensor

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08Sensor redundante

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08Puntos clave para la Integridad de la Seguridad

� Integridad de la medición y la lectura.

� Integridad del sensor

� Integridad de la CPU

� Integridad de la etapa de la analógica de salida

� Trabajo de la CPU- secuencias del software

� Integridad del reloj

� Monitoreo de la fuente de potencia

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08Parámetros

FMEDA (Failure Mode, Effect and Diagnostics Analysis)

A given hardware is analyzed to evaluate its suitability for a specific application. Together with the investigation of the mechanical / electromechanical components this allows to define the device’s failure rates needed for SIL determination.

Basically, three parameters resulting from FMEDA are used for SIL classification of the device:

� HFT Hardware Fault Tolerance

� SFF Safe Failure Fraction

� PFD Probability of Failure on Demand

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08Tasas de Falla

Failures rates can be classified according to:� The impact on the safe function

� The capability of the device to diagnose/detect it

λ DDIt prevents the safe function to be triggered, but it provides a diagnostic output

λ DUIt prevents the safe function to be triggered, even in case of demand (i.e. a process dangerous condition)

λD

Dangerous (peligrosas)

λ SDIt triggers the safe function putting the plant in the safe state, but it also provides a diagnostic output

λ SUIt triggers the safe function putting the plant in the safe state or it does not have effect on the output.

λ SSafe

(Segura)

Detected (Detectables)Undetected

(NO Detectables)

λFailure Rate

(tasa de falla)

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08Tasas de falla

Examples:

λ DD

Fault of the transistor driving the output current (it is detected because the output is read back)

λ DU

Fault of the Power supply unit of the Tx

λ DDangerous

λ SD

The Temperature sensor to the primary electronic is faulty

λ SU

Secondary electronic Dip switch stuck in off position

λ SSafe

DetectedUndetectedλFailure rate

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08

� HFT = 1

� Fracción de fallas seguras = 98,66%

� Cobertura del Diagnóstico = 97,75%

� PFD = 4,977 x 10-4(Markov Modeling-low demand mode)

Intervalo del test de prueba T1= 10 años

Tiempo promedio de restauración MTTR = 8 h

� Para IEC 61508 la tolerancia a fallas del hardware (HFT) es el número de fallas que un componente puede sostener antes de causar una pérdida de la función de seguridad .

� La Fracción de Fallas Seguras (SFF) es la relación de la tasa promedio de fallasseguras más las fallas detectadas peligrosas de un subsistema- al total de la tasa de fallas promedio de un subsistema.

� Cobertura del diagnóstico(DC) es la relación de la tasa de fallas detectadas al total de fallas de un componente o subsistema como el detectado por el test de diagnóstico..

�

# λλ

λ+

=�

��$$λλ

λλ++=

ABB 2600T Seguridad 268 “SIL2”

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08

PFD (Probabilidad de falla en demanda)

El PFDAV indica la probabilidad de falla, referidaa un intervalo de tiempo. p.ej.: PFDAV= 4,977 * 10-4 significa que la función de seguridad de un dispositivo falla con una probabilidad de 0,0004977 dentro de 10 años*.

La siguiente tabla muestra cual es la probabilidad de falla en demanda asignada a cierto SIL:

SIL4� 10-6 … < 10-4

SIL3� 10-4 … < 10-3

SIL2� 10-3 … < 10-2

SIL1� 10-2 … < 10-1

SILPFD average

* El corte de tiempo es arbitrario por el fabricante.

10 años

5 años

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08Certificado Seguridad Funcional

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08Certificado Seguridad Funcional

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08

Estándar vs Seguridad

268XT Safety

264XT

�SU 235 103 �SD 103 42 �DD 490 260 �DU 11 84 � 840 489

SFF 98.7% 83%HFT 1 0

SIL 2certif.

Yes No

SeguridadDisponibilidad

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08Porqué un transmisor certificado SIL2?

� En lazos criticos una falla en el dispositivo de medida puedeconducir a consecuencias peligrosas

� Dispositivos de medida son frecuentemente en doble o triple redundancia para dar cierto grado de Confianza acerca de la fiabilidad en la medida.

� Un transmisor certificado SIL2 debe ser diseñado de tal manera que en caso de falla su Análoga de Salida es conducida a un valor CONOCIDO.

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08

Historia

Qty

2003 2004 2005 2006 2007 2008 teor

� Los transmisores de Seguridad hanestado creciendo rapidamente en los últimos 3 años. Signo que el mercado es Buscando Seguridadmás que en el pasado..

� La mayoría de Compañias de G&O, P&U y Químicas han confiado en el transmisor ABB de Seguridad 268.

� El 268 es el transmisor de Presión Hart Inteligente a gran escala, certificado por TUV y un hardware de tolerancia a falla =1 .

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08Por qué un nuevo transmisor certificado SIL 2 ?

� ABB ha sido la primera compañia en introducir transmisores de presión SIL2 certificados en Europa desde 1999; la tecnología de hoy permite a ABB ademásde mejorar la Fiabilidad y la Disponibilidadde su Producto en que la versión mejoradaes el transmisor de presión MAS SEGUROen el mercado

� Las mejoras en la Seguridad actual permite a los usuarios reducir el intervalo de pruebas a 10 años

� La certificación de seguridad mecánica adicional es una garantía de la disponiblidad al tope de Fiabilidad

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08

Porqué una nueva certificación SIL2 para 268?

�El 268 mejorado ha sido certificado para cumplir con el requerimiento de lazos SIL3 cuando son configurados en 1oo2

= SIL2

= SIL3

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A20

08

� Es una línea de transmisores dedicado para aplicaciones SIS críticos

� Su característica de una circuiteríadedicada con componentes redundantes y diagnóstico mejorado para evitar falsas fallas .

� Su diseño y funcionalidad han sido reconocidos y certificados por TUV para estar en cumplimiento con IEC 61508 para instalaciones SIL2 y SIL3

Cúales son las mejoras en el 268 ?

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08Cúales son las mejoras en el 268 ?

� Manométrico

� Absoluto

� Diferencial

� Todos los Sellos de diafragma soldados.

� Medida de; Nivel, Flujo, Densidad, Vacio, que pueden ser realizadasen lazos clasificados SIL2/SIL3

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08268 Mejoras en Seguridad con números...

268 Revision 1 268 Revision 2

HFT 1 1PFDavg 1,48 x 10-3 4,977 x 10-4

SFF 96,73% 98,658 %Cubrimiento diagnóstico 94,88% 97,753 %�DU 37 11

MEJORAMEJORAMEJORAMEJORA

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Transmisores 268

Soluciones probadas

Una familia completade Transmisores de seguridad...para…..

� Paradas de emergencia

� Protección de Gas y fuego

� Manejo de Quemadores

� Interlocks

HFT 1 … en adición certificado,en diseño, .. . . . . . . . . pruebas y manufactura.