LA REVISTA DE SEGURIDAD Y CONTROL DE SIMPSA

Sistemas Crticos Sistemas de Paro de Emergencia Sistemas de Gas y Fuego Sistemas de Control de Procesos IN-SAFE UNA REVISTA DE SEGURIDAD DE SIMPSA

Artculos Informacin Referencias Tecnologas 1

30 Julio 1998

En los ltimos aos la seguridad en los procesos industriales se ha incrementado de una manera sustancial, las normas internacionales y los requerimientos gubernamentales para el aumento de la proteccin de Instalaciones, Humanos y Medio Ambiente, han generado una inquietud en las compaas dedicadas al control de procesos y a la instrumentacin. Las tecnologas orientadas a sistemas de Paro de Emergencia (ESD) y Gas y Fuego (F&G) varan en su arquitectura, diseo, implementacin, las mas acreditadas con certificacin TUV. TUV

Como disear Sistemas de SeguridadMuchos son las normas, especificaciones, artculos y documentos que se han escrito en los ltimos aos en torno a los sistemas de proteccin, en particular a los llamados Sistemas de Paro de Emergencia (ESD por sus siglas en Ingles) Sistemas de Gas y Fuego (F&G), la mayora de estos estn orientados a las normas que deben de cumplir los sistemas bien al tipo de arquitectura y tecnologa utilizada, muy pocos nos brindan la informacin necesaria para evaluar los diferentes sistemas desde el diseo bsico hasta la implementacin.

B A C

El objetivo de esta edicin es el plantear los puntos mas relevantes al disear, especificar y evaluar de seguridad, de El enfoque en un sistema el sistema cumplatal forma que con la evaluacin las normas internacionales, tenga en nuestra primera edicin la publicacin iny seguridad de- safe esta orientada a la descripcin y definicin de trminos y tecnologas de seguridad. de diferentes la disponibilidadaplicacin , en seada para cada sistemas desde muchos casos se ha detectado que los puntos mas prcticos y sencillos desde el punto de vista tecnolgico no son el punto de considerados, como son el tipo de terminales de conexin a utilizarse, el como se debern de alambrar las entradas y salidas, la utilizacin de fusibles, etc.. en vista del diesta edicin tambin se consideraran estos puntos.

seo.

La mayora de la informacin que aqu se expone esta basada en normas como la ISA SP84, IEC 61508, DIN 0801 as como en artculos y documentacin tcnica generada por los fabricantes de sistemas de seguridad y consultores, es importante llamar la atencin que el fin mas importante de esta edicin es el enfocarnos en la evaluacin de diferentes sistemas desde el punto de vista del diseo, ya que se cuenta con poca informacin de los procedimientos para detectar cual es el mejor sistema para una determinada aplicacin y que tipo de arquitectura es la mas adecuada para los requerimientos de seguridad y disponibilidad de cada usuario. Tambin nos concentraremos en las normas y estndares para la evaluacin de riesgos de procesos como son la OSHA, EPA, DIN 19250 as como de una tcnica que agrupa a estas normas y que proporciona mayor informacin llamada Integrated Risk Assessment

Alcance Anlisis de Riesgos Clculos de Disponibilidad y Nivel de Integridad SIL Diferentes Tecnologas de Seguridad Consideraciones Importantes en Sistemas de Seguridad

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Sistemas de Seguridad

1.-Anlisis de RiesgosIntroduccin En la ultima dcada se han realizado grandes esfuerzos por establecer practicas y desarrollar estndares, entorno a los sistemas de seguridad, con el objetivo de poder cuantificar los riesgos en los procesos y sistemas. El objetivo de estos esfuerzos es el de establecer una metodologa consistente y aceptada para le evaluacin de riesgos y el proponer soluciones para reducir el nivel de riesgo a niveles aceptables, estos han culminado en diferentes estndares como sin OSHA 29 CR parte 1910, EPA 40 CFR parte 68, ISA S84.01 y ltimamente el borrador IEC 1508. Aqu discutiremos la utilizacin de los estndares basandonos en el modelo de ciclo de vida y nos enfocaremos en la evaluacin de riesgos de proceso utilizando mtodos cuantitativos. Tambin revisaremos las metodologa DIN 19250 y CCPS, y compararemos las tcnicas considerando ventajas y desventajas. As tambin se revisara la certificacin de sistemas de seguridad basada en los estndares IEC 1508, ISA S84.01, OSHA 29 CFR parte 1910 y EPA 40 parte 68. Los estndares IEC 1508, 1511 e ISA S84.01. El estndar IEC 1508 ha sido desarrollado bajo el concepto de aplicacin para cualquier proceso industrial que utiliza equipo Elctrico/Electrnico/PE. El estndar emplea el modelo de ciclo de vida para identificar y proveer una gua para todas las actividades relacionadas con la seguridad, provee tambin un modelo basado en parmetros de desempeo como los riesgos de proceso y puede ser objetiva y sistemticamente utilizado en cualquier industria. El estndar provee una gua para la determinacin del nivel de integridad (SIL) . Este estndar comprende siete fases, las mas significantes son las primeras tres que en conjunto proporcionan: 1) Los Requerimientos de Reduccin de Riesgos de Procesos. 2) Una Gua de Actividades del Ciclo de Vida. 3) Definicin del Esquema de Clasificacin para la Seguridad, Referido como Nivel de Integridad de Seguridad SIL (Safety Integrity Levels) ver tabla #1, 4) El Proveer una Gua de Diseo, Pruebas, Certificacin de Seguridad, Integracin del Hardware y Software de los Sistemas de Seguridad. Las otras cuatro partes se concentran en definiciones, normatividad y anexos de informacin del estndar. El estndar desarrollado por la Sociedad de Instrumentistas de Amrica (ISA) es el S84.01 y se desarrollo para aplicarse en sistemas de seguridad de procesos industriales, este sigue el mismo modelo de ciclo de vida que el IEC 1508, tambin utiliza la tabla #1 pero no considera el nivel SIL4, la IEC se encuentra trabajando para convertir el estndar ISA en un estndar IEC

La IEC 1508 y la ISA S84.01 proveen una gua para la evaluacin de desempeo de los sistemas de seguridad que va desde los sensores de campo, la lgica y los controladores hasta los elementos finales de control, la norma DIN 0801 realiza una evaluacin nicamente sobre la lgica y controladores, basandose en tcnicas cualitativas, por eso es difcil realizar una equivalencia de las normas, especficamente en la evaluacin de los niveles de integridad de los sistemas de seguridad y proteccin, la figura #1 representa el dominio de cada norma.

1.1.-Niveles de ControlSistemas de Gas y Fuego Sistema de Seguridad Sistemas Basicos de Control ProcesosIN-SAFE UNA REVISTA DE SEGURIDAD DE SIMPSA 3

Sistemas de SeguridadUn mtodo muy utilizado en los sistesistemas de seguridad en el control de procepro cesos es el mtodo basado en la DIN 19250, este es un mtodo Cualitativo, en el cual el concepto de riesgo es asumido basandonos en tcnicas de comparacin y consecuencia y esta orientado a ser manejado por personal con experiencia en los procesos, esta tcnica tiene como complicaciones: 1) Esta basado en la experiencia del que lo desarrolla, algunas veces produce resultados incongruentes. 2) No provee un mtodo explcito para el manejo de evaluacin de diferentes tecnologas. 3) Es difcil de documentar. 4)No provee un mtodo de manejo y monitoreo de cambios en sistemas y proceso. 5) Es difcil de utilizar en procesos complejos. En contra parte como beneficio es su fcilDominio de DIN Dominio de IEC/ISALogica

1.2-Dominio de Aplicacin de IEC,ISA y DINFigura #1Sistema de Seguridad

Aseguramiento de Riesgos

DIN 0801

Sensor Logica Elemento Final

Sensor

Elemento Final

Actividades de Mantenimiento

1.3-OSHA PSMLa regla de la OSHA PSM, Es una lista larga de requerimientos para diferentes productos qumicos e hidrocarburos, esta determina valores que las compaas deben de cumplir en el almacenamiento, uso, manejo y produccin para cumplir con las leyes. Las leyes estn basadas en valores que de acuerdo a estndares las compaas deben de cumplir, para la obtencin de los valores las compaas deben de realizar anlisis de riesgos de proceso, estos anlisis son los llamados Informacin de Seguridad de Procesos (PSI) y El Anlisis de Riesgos de Proceso (PHA) as tambin determina los Procedimientos Operativos, Entrenamiento a Operadores, Responsabilidades en el Pre-Arranque y Control, Auditorias de Seguridad, Manejo de Sub-Contratistas, Participacin de Empleados y Secretos las Compaas.

1.4-EPA, RMP. Plan de Manejo de RiesgosLas reglas de la EPA para el Plan de Manejo de Riesgos, esta diseando para prevenir las fugas al medio ambiente de sustancias txicas o peligrosas de manera accidental, estas reglas fijan los requerimientos mnimos para instalaciones fijas, en el desarrollo de programas de manejo de riesgos, usando modelos de dispersin para cuantificar los las concentraciones de materiales peligrosos en determinados puntos, las empresas son responsables de emitir documentos a las poblaciones adjuntas y desarrollar planes de contingencia con las poblaciones, se tienen responsabilidades de manejo histrico de cinco ayos de los accidentes y operaciones, as como el de desarrollar planes para la reduccin de riesgos.

uso en evaluaciones iniciales.

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1.5-Mtodos Cualitativos y CuantitativosFigura #2 Mtodo Cualitativo DIN 0801D IN 1 9 2 5 0 C lase, Requerimientos

Tambin se puede emplear un mtodo Seme Cualitativo para el anlisis de

Probabilidad de que Ocurra un Evento Indeseable Eridas

riesgos, este es utilizado para determinar reas de riesgo y sus potenciales problemas, mas que determinar el grado exacto y absoluto de riesgo, se pueden identificar los siguientes pasos en este mtodo. 1) Identificar escenarios de riesgo. 2) Identificar los eventos bsicos para cada escenario. 3) Asignar equivalencias de riesgo para cada evento. 4) Desarrollar un anlisis de consecuencias. 5) Asignar un rango de severidad para cada consecuencia. 6) Evaluar los riesgos y sus consecuencias. En este mtodo se desarrollan las matrices de riesgos de procesos para seleccionar el nivel de integridad en la seguridad.

S1Posible Una Muerte Raro

W3 1 G1 G2Indeceado

W2 1 2 3 4 5 6 7 8

W1 1 2 3 4 5 6 7 8

2 3 4 5 6 7 8

S2

A1 A2Frecuente

G1 G2

Varias Muertes

Aplicacion

S3Muchas Muertes

A1 A2

S4

Dao Externo

Exposicio n a Peligro

Prevencion de Peligro

El Mtodo Cuantitativo: Este mtodo identifica y cuantifica los riesgos asociados en los procesos con los accidentes potenciales, como resultado puede ser utilizado para prioridad las funciones de seguridad y establecer rangos, esto con el fin de poder reducir el nivel aceptable de riesgo en los procesos, se pueden distinguir los siguientes pasos: 1) Identificar las reas peligrosas en los procesos. 2) Identificar el nivel de seguridad deseado. 3) Identificar los eventos iniciales. 4) Desarrollar los escenarios de accidentes para cada evento utilizando tcnicas de modelado de secuencias de accidentes. 5) Calcular la probabilidad de accidentes de acuerdo a los eventos y calcular la seguridad de los sistemas existentes, utilizando tcnicas como, Markov, Arboles de Fallas. 6) Cuantificar el nivel de ocurrencia de los accidentes. 7) Evaluar las consecuencias de los diferentes escenarios. 8) Integrar los resultados. 9) Identificar los escenarios que no cumplen con el nivel de seguridad deseado. 10) Definir las funciones de seguridad requeridas para reducir el riesgo a niveles aceptables de acuerdo al nivel SIL. Los beneficios con este mtodo son: 1) Un mejor entendimiento de los procesos. 2) Una mejor cuantificacin de los riesgos. 3) La evaluacin del nivel de seguridad de los sistemas existentes. 4) La identificacin de cada funcin de seguridad necesaria para la reduccin de riesgos. 5) La comparacin del nivel de riesgo actual contra el deseado. Como contra parte este mtodo es caro, requiere de personal con conocimientos de proceso, matemticas, seguridad y manejo de computadoras y consume tiempo. Aun as es el mtodo mas confiable tanto para procesos sencillos como complejos y su aplicacin se ha difundido en los ltimos tiempos ya que la seguridad es vista como un negocio internamente en los complejos industriales mas aya de una ayuda o un requerimiento.

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Como conclusin podemos decir que los mtodos cualitativos requieren de personal con experiencia en el desarrollo de este tipo de anlisis, pero es una buena opcin en la fase de evaluacin preliminar o como anlisis rpido para la seleccin de sistemas de seguridad, mas aun cuando sabemos que otras tcnicas sern implementadas, la tcnica semi cualitativa, nos provee de una metodologa, pero los valores se seguridad estn basados determinaciones empricas o de juicio, nos da tambin una evaluacin basada en el ciclo de vida del sistema y nos proporciona una buena documentacin. El mtodo cuantitativo nos da valores absolutos y nos determina el nivel real de seguridad de procesos y sistemas, es aceptada por la OSHA y la EPA y provee una exacta documentacin y manejo de seguridad en los procesos.

1.6-Mtodos Cualitativos y CuantitativosFigura #3 Mtodo Semi Cualitativo

1. Analizar Peligros 2. Identificar Sistemas relacionados a seguridad 3. Desidir el nivel de integridad deceado 4. Disear utilizando los criterios de integridad para la aplicacin especifica 5. Fijar la integridad del sistema de seguridad de acuerdo a la integridad deceada 6. Asegurarse de que se cumpla el nivel de seguridad

Especificar el nivel de integridad utilizando la estrategia de los tres

Definir las medicions que constituyen los elementos de la aplicacin

Integridad para: 1. Bases de diseo 2.Bases de Analisis

1.7-Seleccin de Niveles de Riesgo en ProcesosFigura #4 Niveles de Riesgo

Seleccin de RiesgoRiesgo Actual s Reduccion de Riesgo

Respuesta a Emergencias Proteccion Mecanica Sistemas de Represion Sistemas Proteccion y Seguridad Sistema Monitoreo y Alarma Control Basico de Procesos

Riesgo Aceptable

R=fxC

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2.-Determinacin del Nivel de Integridad SILPara facilitar la deter-

El estndar de la IEC 1508 y la especificacin ISA S84.04, han desarrollado una tcnica para la determinacin del Nivel de Integridad de Seguridad o SIL (Safety Integrity Levels) que todo sistema de seguridad deber de cumplir. Los Nivel requeridos derivan del anlisis de riesgos potenciales de los procesos, como son los peligros y consecuencias. El anlisis y el nivel SIL resultante debern de aplicarse para cada funcin de seguridad implementada. El nivel SIL es la segunda fase en la implementacin de sistemas de seguridad. la primera como se ha estado mencionando es la metodologa de anlisis de riesgos de proceso, de hecho, la determinacin del SIL es una consecuencia de estos anlisis.HAZOP FASE DE ESTUDIO Cuantitativa s Analisis Riesgos : Por Calculos Objetivo PFD AVG Frecuencia Eventos ISA SP.84 / IEC SC 65 SAFETY INTEGRITY LEVEL SIL

minacin del nivel de integridad de seguridad la IEC ofrecen la informacin completa de tablas de valores calculados de la Probabilidad de Falla Sobre Demanda para varias arquitectura como son 1oo1, 1oo2, 2oo2, 1oo2D, 2oo3. Pero estas arquitecturas son genricas. Hoy da se han determinado 5 posibles arquitecturas de sistemas de seguridad sin incluir equipo de campo, cuando este se considera se tienen 80 combinaciones posibles (La ISA identifica 14 combinaciones sistemas) si adems se consideran los 32 sistemas bajo el concepto de alambrado fsico de lgica, se tienen un total de 110 diferentes combinaciones de sistemas de seguridad. Algunas organizaciones ofrecen paquetes de software para facilitar estos clculos (ej. Casspack, ISA, SIS Solver SIL Computation)

Identificar todos los peligros en el proceso : Causas Consecuencias Nivel Demanda Relacion Paros Frecuencia

4 4 3Cualitativo s Analisis Riesgos : Por Evaluacion Frecuencia Consecuencia Tiempo de Exposicion Evitacion

2 1 0 0

Figura #5 Relacin de SIL con HAZOP

El objetivo en esta seccin el de presentar de una forma simplificada el nivel SIL para varias arquitecturas de sistemas de control, el anlisis de SIL contempla a sistemas completos, desde sensores de campo, entradas y salidas del sistema, controladores y elementos finales de control. El Nivel de Integridad de Seguridad (SIL) es determinado por los clculos de la Probabilidad de Falla Sobre Demanda (PFD) de todos los subsistemas que componen al sistema de seguridad y con la combinacin individual de los valores de los subsistemas se obtiene el valor del sistema completo, esto expresado de la siguiente forma.

Seccion de Sensores y Entradas al Sistema

Seccion de Resolucion de Logica

Seccion de Elemento Finales y Salidas del Sistema

S

LS PFD AVG = PFD S + PFD LS + PFD FEFigura #6 Determinacion de PFD

FE

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2.1-Determinacion del Nivel de Integridad SILEl SIL se obtiene mediante la combi combinacin de varias consicon deraciones de diseo: funciones de control y seguridad. 2) Niveles considerados. 3) ciones en el diseo de software. 4) seleccin Relacin de fallas y dos de falla. 6) ArquiFuentes de poder del sistema. 8) Causas de sistema. 8) Nivel de nosticas. 9) Dispositivos de Campo. 10) ces de operacional. 11) Seguridad deseada. 12) sistema. 13) cin. 14) Intervalos de prueba funcional.

Figura #7 Determinacion de SIL de acuerdo a PFD

Safety Integrity Level 4 3 2 1 0

En Control Continuo Fallas Peligrosas por Hora 1 0 -9 t o < 1 0 -8 1 0 -8 t o < 1 0 -7 1 0 -7 t o < 1 0 -6 1 0 -6 t o < 1 0 -5 1 0 -5 t o < 1 00

S ist. de Proteccion Probabilidad de Falla Bajo Demanda < 99.99% 99.9%