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MAESTRIA OPERACIONES PETROLERAS. 1VERS. 6ED. & DIPLOMADO

INSTRUMENTACIN Y CONTROL EN PLANTAS DE PROCESOS. 2VERS. 1ED.

Docente: Ing. Nelson YaezCorreo: nelson@cotas.com.bo

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Sistemas Instrumentados de Seguridad

12. Diseo del Hardware

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Conceptos Fundamentales del Hardware

El diseo de hardware a nivel de la funcin de seguridad:

Energizar versus des-energizar para disparar

Baja demanda, alta demanda, modo continuo - 61508

Modo demanda, modo continuo - 61511

Probabilidad de Falla en Demanda (PFD)

Una medida del Safety Integrity Level (SIL)

Probabilidad de Falla Segura (PFS)

Una medida del Spurious Trip Level (STL)

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Des-energizar o Energizar para Disparar

Cul es la diferencia?

Un sub-sistema "des-energizar para disparar" no necesita energa para ejecutar su funcin de seguridad

Se basa en el as llamado "principio de diseo falla - segura"

Un sub-sistema "energizar para disparar" necesita energa para ejecutar su funcin de seguridad

ste no es un diseo falla - segura

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Ejemplos: "Des-energizar para disparar"Logic solver "fail - safe"

El estado seguro es siempre el estado "O". o estado des-energizado

Slo con energa elctrica resultar el estado "1.

Actuador con retorno a resorte

Energizar el resorte para abrir la vlvula

Des-energizar el resorte para cerrar

Diseo fail - safe

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Ejemplos: "Energizar para disparar"

Sistema de "sprinklers"BombasElectricidadAgua

Sistema Fire & gasDeteccin yGestin de alarmas

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Baja Demanda, Alta Demanda, Continuo

lEC 61508 define tres modos de operacin para las funciones de seguridad

Modo de Baja DemandaModo de Alta demandaModo Continuo

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Modo de Baja Demanda - lEC 61508Funcin de seguridad de baja demandaCuando la funcin se ejecuta ante una demanda, para llevar al equipo bajo control a un estado seguro y cuando la frecuencia de esta demanda no es mayor a una demanda por aoEjemplo tpicoFuncin de shutdowncon vlvula ESD

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Modo de Alta Demanda - lEC 61508

Funcin de seguridad de alta demanda

Cuando la funcin se ejecuta ante una demanda, para llevar al equipo bajo control a un estado seguro y cuando la frecuencia de esta demanda es mayor a una demanda por ao

Ejemplo tpico

Funcin de shutdown con vlvula de drenaje en un reactor de procesos

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Modo Continuo - lEC 61508Funcin de seguridad de modo continuo

Cuando la funcin retiene, al equipo bajo control en un estado seguro como parte de la operacin normal.

Ejemplo tpico

Funcin que regula un caudal de alimentacin de un producto a un reactor, cuya variacin puede ocasionar una reaccin fuera de control

Tambin se las conoce como funciones de Control Crtico

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Modo Demanda VS. Continuo - lEC 61511lEC 61511 define los modos demanda y continuo

Modo demanda

La falla de la funcin de seguridad, por s misma, no tiene un efecto inmediato en el proceso

El proceso est en peligro si

La funcin de seguridad ha fallado Y

Ocurre una demanda

Modo continuo

Una falla de la funcin de seguridad, por s misma, tiene un efecto inmediato en el proceso

El proceso est en peligro por el slo hecho de que la funcin de seguridad ha fallado en forma peligrosa

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Precaucin

La razones de cada demanda necesitan ser analizadas

Un mal control del proceso resulta a menudo en demasiadas demandas

Demandas frecuentes en un proceso de baja demanda no debieran resultar, necesariamente, en "lo que necesitamos es un sistema de alta demanda"

Podran resultar cambios en el diseo, o en la operacin del proceso, o cambios en los procedimientos, etc.

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Probabilidad de FallaPara cada funcin de seguridad se necesita saber cun a menudo sta falla

Probabilidad de Falla en Demanda - PFDLa probabilidad de que la funcin de seguridad no se ejecute al recibir una demanda del proceso

Requerimiento en lEC 615611

Probabilidad de Falla Segura - PFSLa probabilidad de que la funcin de seguridad se ejecute sin que haya una demanda desde el proceso

No es un requerimiento en lEC 61561 1

Sin embargo indica que quiz deba tenerse en cuenta

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PFDavg versus PFH

La probabilidad de falla en demanda despus de un ao o despus de una hora

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Spurious TriP Level - STL

La Probabilidad de Falla Segura - PFS

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Cmo usar el Spurious Trip LevelPara cada funcin de seguridad, estime el costo de un disparo espurio

Cuanto mayor sea el costo ms alto deber ser el STL

Los niveles necesitan ser determinados para cada compaa en particular. Vea un ejemplo ms abajo.

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Sub-sistemas

Una funcin de seguridad es parte de un sistema el cual puede tener varios subsistemas y elementos

Todos stos deben ser tems conforme a norma, es decir, que deben cumplir con todos los requerimientos de la norma.

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Conceptos Fundamentales del Hardware

Diseo del Hardware a nivel de sub-sistemasRedundancia y diversidadVotacin y Tolerancia a Fallas del Hardware (HFT)Tipo A y Tipo BModos de fallaFallas detectadas y reveladasFraccin de Falla Segura (SFF)Restricciones de arquitectura

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Redundancia

Definicin:

El uso de mltiples medios para conseguir la misma (o PARTE DE la misma) funcin de seguridad

La redundancia puede conseguirse

Por igual hardware y/o software o

Por diversidad de hardware y/o software

No ayuda necesariamente contra las fallas de causa comn y no ayuda contra las fallas sistemticas

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Ejemplos de redundancia

Equipamiento redundante

Bus de comunicacin simple con mensajera triple redundante

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Diversidad

Definicin:

El uso de diferentes medios para ejecutar la misma (o PARTE DE la misma) funcin de seguridad

Puede conseguirse por

Diferentes mtodos fsicos

Diferentes filosofas de diseo

Es una medida contra las fallas de causa comn y sistemticas, pero no necesariamente ayuda contra todas ellas

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Ejemplos de diversidad

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VotacinVotacin es

El nmero de caminos independientes (M) requeridos dentro del total de caminos eXistentes (N) para poder ejecutar la funcin de seguridad

La votacin se expresa normalmente como MooN

M expresa el nmero de votacin

N expresa el nmero de redundancia

Por ejemplo 1002, 2003, 2004, etc .

La votacin puede "destruir" la redundancia

Por ejemplo: 2002

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Ejemplos - MooN

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Tolerancia a Fallas del Hardware (HFT)

Una tolerancia a fallas de hardware 'N ' significa

Que N + 1 fallas pueden causar la prdida de la funcin de seguridad

La HFT es fcil de calcular

Para cualquier sistema MooN: HFT =N - M

Por ejemplo, la HFT de un sistema 2003 es: 3 - 2 = 1

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Sub-sistemas Tipo AUn sub-sistema es Tipo A si:

Los modos de falla estn bien definidos Y

La conducta durante una falla puede ser determinada completamente Y

Se hallan disponibles suficientes datos de falla

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Sub-sistemas Tipo B

Un sub-sistema es Tipo B Si:

Una o ms modos de falla no estn bien definidos, O

Si la conducta ante una falla no puede ser completamente definida, O

Si los datos de falla disponibles no son suficientes

Si tiene algn circuito integrado puede estar 99.9% seguro de que es Tipo B

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Modos de Falla de los Sub-sistemasFalla Segura

El sub-sistema falla en forma segura, si ste ejecuta la funcin de seguridad sin que haya una demanda desde el proceso

Falla Peligrosa

El sub-sistema falla en forma peligrosa, si ste no puede ejecutar la funcin de seguridad ante una demanda

Falla de No Efecto

El elemento que falla es parte de la funcin de seguridad, pero la falla no afecta a esta funcin

Falla de No Es Parte

El elemento que falla no es parte de la funcin de seguridad

Falla Detectada

Una falla es "detectada" si los diagnsticos incorporados (built- in) la descubren

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Descubriendo Fallas

Las fallas pueden ser descubiertas de tres formas:

Durante la operacin normal

Mediante pruebas manuales peridicas

Periodic Proof Tests

Por medio de diagnsticos incorporados (built-in)

Diagnostic Tests

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Por medio de la Operacin Normal del proceso

Descubrirlas durante la operacin normal significa que la conducta propia del proceso, por s misma. revela la falla del sub-sistema, por ejemplo,

El proceso se detiene debido a una falla segura en un transmisor de presin, o

El tanque no se puede vaciar debido al peligroso bloqueo en cerrado de la vlvula de drenaje

Este forma de descubrir fallas no es til

Ni desde el punto de vista de la seguridad

Ni desde el punto de vista de la disponibilidad

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Descubriendo Fallas por medio de Pruebas

En los sistemas de seguridad se llevan a cabo muchas pruebas (testing)

Pruebas manuales peridicas (Periodic Proof Tests)

Pruebas de diagnstico (built-in Diagnostic Tests)

Cualquiera de estas pruebas comprende

Frecuencia: Cun a menudo se la real iza

Cobertura: El porcentaje de fallas detectadas

Una prueba es til slo si se acta de acuerdo con sus resultados, por ejemplo:

Llevando inmediatamente el sistema a condicin segura

No permitiendo que el sistema vuelva a arrancar si la falla no fue reparada

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Descubriendo Fallas por Diagnstico

Una prueba es de diagnstico (Diagnostic Test) si:

Se ejecuta en forma automtica Y

Se ejecuta frecuentemente Y

Se utiliza para descubrir fallas que puedan hacer peligrar la funcin de seguridad y

Resulta en una respuesta segura

Usualmente una prueba es de diagnstico y est incorporada ("built-in")

Por ejemplo un test de memoria, el "watchdog", etc.

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Acerca de la Frecuencia de Diagnstico

Con qu frecuencia debera ejecutarse una prueba llamada "Diagnostic Test"?

Por lo menos un orden de magnitud mayor que la "tasa de demanda" esperada

Frecuencia de DT > 10* Frecuencia de Demanda Estimada

Por ejemplo

Si la demanda esperada es 1 vez por ao, y se realizan pruebas automticas de 'partial stroke ms de una vez por mes, entonces esas pruebas de "partialstroke' son consideradas como "Diagnostic Test"

Las mismas pruebas automticas de "partial stroke" realizadas cada 2 meses, deben ser consideradas como Periodic Proof Test

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Descubriendo Fallas por Pruebas Peridicas

Todas las otras pruebas son llamadas Pruebas Peridicas (PPT = periodic proof test). stas son:

NO automticas O

De muy baja frecuencia

Una prueba peridica

Es iniciada por la accin humana

Usualmente no est incorporada ("built-in'') en el equipamiento. Se requiere equipamiento adicional para ejecutarla

Por ejemplo, un operador realiza la prueba de cierre parcial (partial stroke test) de una vlvula

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Pruebas Peridicas (PPT)

Podemos ejecutar una Prueba Peridica

En un dispositivo individual

En una combinacin de dispositivos

En la funcin de seguridad completa

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Diferencias entre DT y PPT

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Distribucin de Fallas

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Detectada o No Detectada

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Fraccin de Falla Segura (SFF)

Qu es la SFF?

Una medida de la efectividad del diseo "failsafe y/o de los diagnsticos incorporados de un sub-sistema

Es un parmetro de diseo, no un parmetro operacional

Se calcula como:

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Atencin No se puede utilizar una Prueba Peridica (PP1) para

calcular la SFF

Prueba Peridica (PPT) es un parmetro operacional

Por qu existe la SFF?

La PFD refleja cun a menudo un sub-sistema falla en forma peligrosa no detectada

Esto no es suficiente para expresar la seguridad

La SFF es la proporcin de fallas peligrosas no detectadas inherentes a un sub-sistema %DU=1-SFF

Fallas peligrosas no detectadas

SFF "qu porcentaje"

PFD "qu tan probables"

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Restricciones de Arquitectura(lEC 61508 - Ruta 1H)

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Restricciones de Arquitectura (lEC 61511)

Programmable electronic (PE) logic solvers

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Restricciones de Arquitectura (lEC 61151-1)

Todo equipamiento excepto los PE logic solvers

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Cundo reducir o incrementar la HFT?

Podemos reducir en "1" la HFT

Si el dispositivo est seleccionado como "prior use" Y

Slo pueden ajustarse parmetros relacionados con el proceso Y

Este ajuste de parmetros est protegido Y

El SIL es menor que 4

Debemos aumentar la HFT en "1"

SI la falla dominante no lleva al sub-sistema a un estado seguro Y

No pueden detectarse las fallas peligrosas

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Cundo lEC 61508 Y cundo lEC 61511?

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Integridad de la seguridad del hardware: restricciones de la arquitectura en el tipo A y B en subsistemas relacionados con la seguridad

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Restricciones de Arquitectura Insatisfechas?

Detngase!

No hay necesidad de continuar

No hay necesidad de hacer clculo de probabilidades

Lo que usted necesita hacer es

Redisear la arquitectura O

Cambiar la configuracin de la arquitectura

Seleccionar dispositivos ms apropiados

Seleccionar dispositivos con una SFF mayor

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Sistema de Seguridad 1001

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Sistema de Seguridad 1001 versin II

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Sistema de Seguridad 1002

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Sistema de Seguridad 1002 versin II

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Sistema de Seguridad 11002 versin IV

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Sistema de Seguridad 2002

Mal diseo de sistema de seguridad

Ninguna Seguridad -> Disponibilidad de Proceso

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Anlisis de Confiabilidad

Por qu un Anlisis de Confiabilidad? De acuerdo con la Normas, necesitamos

Documentar el comportamiento de la fal la de la funcin de seguridad

Determinar la SFF para cada sub-sistema

Determinar la "PFD Objetivo" (PFDavg, PFH) para cada funcin de seguridad

Otra razn para realizar un estudio de confiabilidad

Los Usuarios tambin quieren saber las tasas de falla espurias de la funcin de seguridad

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Pasos del Anlisis de Confiabilidad

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Diagrama de Bloques Funcionales

Cree el diagrama de bloques funcionales

Desde el punto de vista del funcionamiento (sin fallas)

Tome en cuenta relaciones funcionales

Descienda hasta el componente reparable ms pequeo (mdulo)

Tome en cuenta la redundancia y la votacin

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Diagrama de Bloques Funcionales

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Ejemplos de Ecuaciones lEC 61508-6

1001

1002

La lEC 61508 tiene frmulas para bloques de confiabilidad con votaciones 1001, 1002,

1002D, 2002, y 2003

Estas frmulas no son normativas

Las ecuaciones simplificadas se pueden derivar de modelos de Markov

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Modelos de Confiabilidad

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Confiabilidad vs. Disponibilidad

Disponibilidad (Availability) La probabilidad de xito en un momento en el tiempo

A = f( , ) (Tasa de falla y tasa de reparacin)

Confiabilidad (Reliability) La probabilidad de xito durante un intervalo de tiempo

R = f( , TI = t ) Tasa de falla, intervalos de tiempo

La confiabilidad y la disponibilidad son frecuentemente intercambiados. Ellas son medidas similares de una operacin exitosa. La disponibilidad es por su lado un valor promedio que es una funcin de las tasas de falla y de las tasas de reparacin. La confiabilidad es una funcin de las tasas de falla y de los intervalos de tiempo de operacin.

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Ejemplo - Disponibilidad

Tasa de Falla Falla por unidad de tiempo por dispositivo

Mean Time to Failure (MTTF) Tiempo promedio a la falla El intervalo tiempo promedio de operacin exitosa de un sistema (puede ser extendido a sub sistemas o dispositivos)

Mean Time to Repair (MTTR) Tiempo promedio de reparacin El intervalo de tiempo de reparacin promedio de un sistema. Aplica solo a sistemas reparables!

Debe tenerse cuidado con el trmino MTTR que no es universalmente definido a travs de varias normas internacionales y los libros de texto de ingeniera de confiabilidad.

En la IEC 61508 por ejemplo, es el acrnimo de Mean Time to Restore.

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