DAVID ARTURO GARCiaCRUZ

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
CAMPUS COATZACOALCOS
“GUÍA PARA LA DETERMINACIÓN DEL NIVEL SIL EN
LA INDUSTRIA DE PROCESOS”
MONOGRAFÍA
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO QUÍMICO
PRESENTA:
DAVID ARTURO GARCÍA DE LA CRUZ
COATZACOALCOS, VER.
OCTUBRE 2009
ÍNDICE
OBJETIVO. ..................................................................................................... 1
INTRODUCCIÓN. ........................................................................................... 3
CAPÍTULO I .................................................................................................... 5
LAS MEDIDAS DE SEGURIDAD Y LOS NIVELES DE CONTENCIÓN DE
RIESGOS. ....................................................................................................................... 6
1.1
LAS MEDIDAS DE SEGURIDAD. .................................................................. 6
1.2.1
LOS NIVELES DE PROTECCIÓN. .............................................................. 8
1.2.2
LOS NIVELES DE PROTECCIÓN DE CONTENCIÓN DE RIESGOS. .. 10
1.3.1
LOS SISTEMAS BÁSICOS DE CONTROL DE PROCESOS. .................. 11
1.3.2
ALARMAS CRÍTICAS E INTERVENCIÓN MANUAL. .......................... 11
1.3.3
LOS SISTEMAS INSTRUMENTADOS DE SEGURIDAD. ..................... 12
1.3.4
LOS DISPOSITIVOS MECÁNICOS ACTIVOS DE PROTECCIÓN
(DISPOSITIVOS DE RELEVO). ................................................................................. 13
LOS DISPOSITIVOS MECÁNICOS PASIVOS DE PROTECCIÓN (SISTEMAS DE
CONTENCIÓN FÍSICA). ............................................................................................ 13
1.3.6
LOS SISTEMAS DE RESPUESTA A EMERGENCIAS DE LA PLANTA.
14
1.3.7
LOS SISTEMAS DE RESPUESTA A EMERGENCIAS Y DE
CONTENCIÓN DE RIESGOS IMPLEMENTADA POR LA COMUNIDAD. ......... 14
1.3.8
EL RIESGO REMANENTE ACEPTADO. ................................................. 14
CAPÍTULO II ................................................................................................. 16
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
SEGURIDAD FUNCIONAL. .......................................................................... 17
LAS NORMAS IEC ......................................................................................... 18
LA NORMA IEC 61508. .............................................................................. 19
LA NORMA IEC 61511 ............................................................................... 20
CAPÍTULO III ................................................................................................ 22
3.1
3.2
GRÁFICA DE LOS PARÁMETROS DEL RIESGO. ..................................... 23
ASIGNACIÓN DE LOS VALORES DE SIL. ................................................. 26
CAPÍTULO IV ............................................................................................... 27
4.1
NIVEL DE INTEGRIDAD DE SEGURIDAD (SIL). ..................................... 28
4.2
LA PROBABILIDAD DE FALLAS. ............................................................... 28
4.3
CARACTERIZACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SIS PARA
RECLAMAR UN CUMPLIMIENTO SIL. .................................................................. 29
4.3.1
LA FRACCIÓN DE FALLA SEGURA. ...................................................... 29
4.3.2
LA TOLERANCIA A FALLAS DEL HARDWARE. ................................. 31
CONCLUSIONES. ........................................................................................ 37
BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 39
GLOSARIO .................................................................................................................. 41
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1
Figura 1.2
Figura 1.3
Figura 2.1
Figura 3.1
Figura 4.1
Figura 4.2
Figura 4.3
Figura 4.4
Jerarquía de los niveles de contención de riesgos en la planta
industrial………………………………………………………………… 6
Los riesgos y su relación……………………………………………… 8
Secuencia de las medidas de contención de riesgos………………. 9
Normas que fundamentan la seguridad funcional…………………... 19
Matriz para la determinación del nivel SIL requerido por el riesgo.. 25
Diagrama esquemático de un ESD…………………………………… 33
Suma de probabilidades promedio…………………………………… 34
Arquitectura de la función de seguridad……………………………... 34
Arquitectura de la función de seguridad considerando un segundo
transmisor para la variable crítica……………………………………. 35
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1
Tabla 4.1
Tabla 4.2
Asignación de los valores de SIL requeridos por el riesgo………… 26
Probabilidad de fallas de la función de seguridad………………….. 29
Integridad de seguridad del hardware (IEC 61508-2, parte 2),
subsistemas tipo A relativos a seguridad…………………………… 31
Tabla 4.3
Integridad de seguridad del hardware (IEC 61508-2,
parte 2), subsistemas tipo B relativos a seguridad…………………. 32
OBJETIVO.
1
Proporcionar información suficiente y necesaria para la determinación del Nivel de
Seguridad Integridad SIL (siglas en ingles) requerido en la Industria de Procesos, y
de su relación con el concepto de Seguridad Funcional.
2
INTRODUCCIÓN.
3
La industria de procesos contiene riesgos, tal que los trabajadores, la
maquinaria, los equipos y el medio ambiente están en una situación constante de
exposición a daños consecuencia de estos riesgos.
Cada riesgo contiene un evento iniciador, y una determinada severidad de
consecuencias si el mismo es iniciado.
Para minimizar la presencia del evento iniciador del riesgo y/o para mitigar
las consecuencias del riesgo iniciado se implementan medidas de seguridad, las
cuales contienen una función de seguridad y un nivel de certidumbre y/o de
integridad que garantizará la acción de la función de seguridad si es demandada
por el riesgo.
Si la medida de seguridad contiene dispositivos eléctricos, electrónicos y/o
electrónicos programables se denomina Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS
por sus siglas en inglés), con Funciones Instrumentadas de Seguridad (SIF por
sus siglas en inglés), con un Nivel de Integridad de Seguridad (SIL por sus siglas
en inglés); y sus características desde su concepción hasta el desmantelamiento
se regirán por las normas internacionales IEC 61508 e IEC 61511.
El presente trabajo pretende, en forma sencilla, explicar el método
simplificado para la determinación del nivel SIL requerido por el riesgo; y de la
caracterización de los dispositivos eléctricos, electrónicos y electrónicos
programables, que les permitirá el cumplimiento con el SIL requerido.
4
CAPÍTULO I
5
LAS MEDIDAS DE SEGURIDAD Y LOS NIVELES DE CONTENCIÓN
DE RIESGOS.
1.1
LAS MEDIDAS DE SEGURIDAD.
Las medidas de seguridad de prevención de riesgos en la industria de
procesos se diseñan considerando la frecuencia de la exposición al riesgo por
personas, la probabilidad de la presencia del evento iniciador del riesgo, y la
severidad de las consecuencias si el mismo es eventualmente iniciado.
Las medidas de seguridad de mitigación de riesgos se diseñan para
controlar los eventos peligrosos iniciados, y para reducir el impacto del evento a
las instalaciones, el medio ambiente y la vida humana.
En el modelo jerárquico siguiente (figura 1.1) se muestran las medidas de
seguridad contra riesgos industriales, en niveles ó capas de protección y su orden
secuencial.
Figura 1.1
Jerarquía de los niveles de contención de riesgos en la planta
industrial.
6
Las medidas de seguridad son independientes entre sí en cuanto a su
función. Por eso, dispositivos de regulación y control del nivel más bajo, por regla
general no se emplean simultáneamente para aplicaciones de seguridad de un
nivel superior.
Ahora bien, las medidas de seguridad deben ser evaluadas
sistemáticamente para asegurar su vigencia, conveniencia y actualización como
sistemas de reducción de riesgos.
Uno de los indicadores para la evaluación de las medidas de seguridad es
la seguridad funcional implementada, es decir –la garantía de funcionamiento de la
medida de seguridad con respecto a una posible demanda real del riesgo de la
planta de procesos-, expresada y cuantificada comúnmente como Probabilidad de
Falla en Demanda.
La evaluación de la seguridad funcional implementada de las medidas de
seguridad se lleva a cabo bajo la consideración de los siguientes parámetros:
a) Cuál es la función de seguridad
Qué hace la medida de seguridad.
b) Cuál es el nivel de integridad de seguridad
–
Qué
grado
de
certidumbre existe del desempeño de la función de seguridad.
Ambas funciones de la seguridad y el Nivel de Integridad de Seguridad (SIL
por sus siglas en inglés) especifican a la seguridad funcional como un requisito de
toda medida de seguridad, considerando a la medida de seguridad como un todo
dentro de un ambiente particular.
En el entorno de la maquinaria, la planta de procesos y los equipos, y
especialmente en la ingeniería de automatización y control, la determinación del
nivel SIL del riesgo como requisito en el dimensionamiento de los Sistemas
Instrumentados de Seguridad (SIS), tiene una importancia relevante.
1.2 LOS RIESGOS Y LOS NIVELES DE PROTECCIÓN.
La figura 1.2 muestra la relación del riesgo del equipo bajo control, el riesgo
remanente aceptado, y la reducción del riesgo obtenida por la implementación de
medidas de seguridad.
7
Figura 1.2
Los riesgos y su relación.
Donde:
Equipo bajo control: Es la maquinaria, la planta de procesos, el equipo,
en conjunto con los sistemas básicos de control asociados para su operación
eficiente. Se muestra en las posiciones “sin medidas de protección” y “con
medidas de protección”.
Riesgo Remanente Aceptado: Nivel de riesgo remanente después que
sistemas de reducción del riesgo han sido implementados. Este nivel de riesgo es
aceptado en un contexto basado en valores actuales de la sociedad.
Mientras que el nivel de riesgo remanente no es aceptable deberán
adicionarse más y mayores medidas de seguridad, hasta obtener el nivel de riesgo
remanente aceptado.
1.2.1 LOS NIVELES DE PROTECCIÓN.
Los riesgos industriales son de muy distinta naturaleza y sus consecuencias
pueden variar desde mínimas hasta realmente catastróficas.
Ha sido necesario analizar mediante numerosas técnicas cada uno de estos
riesgos para determinar las medidas para su prevención y en su caso la mitigación
8
de las consecuencias. La enorme variedad de los riesgos industriales ha requerido
una enorme variedad de medidas de protección y/o barreras de contención.
Los intentos por clasificar estas medidas de protección y/o barreras de
contención han dado lugar a lo que se denomina niveles de protección de
contención de riesgos.
Una filosofía de seguridad consiste en que si la probabilidad del evento
iniciador del riesgo y/o el desarrollo de las consecuencias de un riesgo que ha sido
iniciado exceden la protección de una medida de seguridad, deberá encontrar en
su recorrido medidas adicionales inclusive de tecnología diversa y/o de origen
externo de mayor contención y/o mitigación.
La figura 1.3 nos muestra como diferentes medidas de seguridad se
anteponen a la trayectoria del riesgo y/o del evento iniciador del riesgo, a la
probabilidad y frecuencia del riesgo, y a la severidad de las consecuencias del
riesgo,
Figura 1.3
Secuencia de las medidas de contención de riesgos.
9
Donde:
MSI1, MSI2, MSI3, etc.: Son las diferentes medidas de seguridad
independientes tanto en tecnología como en el origen implementadas para la
reducción del riesgo. Estas medidas de seguridad deberán ser independientes del
evento Iniciador del riesgo e independientes entre sí.
Las medidas de seguridad independientes conforman niveles de protección
para la contención en el recorrido de los riesgos. En la industria de procesos se
identifican siete niveles de protección, como se detallan a continuación.
1.2.2 LOS NIVELES DE PROTECCIÓN DE CONTENCIÓN DE
RIESGOS.
Los niveles de protección de contención de riesgos son los siguientes:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Los Sistemas Básicos de Control de Procesos (SBCP).
La intervención del operador humano.
Los Sistemas Instrumentados de Seguridad (SIS).
Los sistemas mecánicos activos (dispositivos de relevo).
Los sistemas mecánicos pasivos (barreras físicas de Contención).
La respuesta de emergencias de la planta.
La respuesta de emergencias de la comunidad.
La reducción global del riesgo resulta de la adopción de las medidas de
seguridad de los distintos niveles de protección y, en última instancia, debe
resultar un riesgo remanente aceptable.
1.3
DESCRIPCIÓN DE LOS NIVELES DE PROTECCIÓN DE
CONTENCIÓN DE RIESGOS.
Una breve descripción de los diferentes niveles de protección de contención
de riesgos es el siguiente:
10
1.3.1 LOS SISTEMAS BÁSICOS DE CONTROL DE PROCESOS.
La función de los sistemas básicos de control de procesos es la regulación
y control de las variables en la planta de procesos, dentro de valores necesarios
para obtener productos de máxima calidad, en procesos de fabricación estables,
continuos y optimizados.
Y aunque los sistemas básicos de control se diseñan para que las variables
del proceso se mantengan dentro de parámetros de control, de manera inherente
(seguridad inherente) conforman el primer nivel de protección de contención de
riesgos en la industria.
La filosofía de los sistemas básicos de control de procesos se basa en la
operación de lazos de control para cada variable del proceso. Los lazos de control
están constituidos por sensores de la magnitud de las variables, controladores de
desviación y elementos finales de control.
Complementan a estos lazos de control, las estrategias lógicas de control
(software), los valores límites establecidos para las variables, los medios de
comunicación, sistemas de diagnóstico de fallas, valores de referencia, métodos
de redundancia para incrementar la disponibilidad, entrelazamientos, algoritmos
de cálculo, entre otros.
1.3.2 ALARMAS CRÍTICAS E INTERVENCIÓN MANUAL.
El segundo nivel de protección de contención de riesgos se constituye por
la intervención del operador humano que actúa en situaciones donde las variables
del proceso exceden los valores límite (valores de alarma) durante la operación
normal de la planta de procesos y los equipos bajo control.
El operador humano manipula bajo prácticas y conocimientos obtenidos de
su capacitación y adiestramiento continuos, las variables del proceso que pueden
quedar fuera de control ante la presencia de desviaciones y de situaciones de
emergencia. Entre estas situaciones se encuentran los cortes inesperados de
energía eléctrica, fallas en el suministro de vapor, agua de enfriamiento, aire de
instrumentos, el descontrol de la operación de la planta, la falla de algún equipo,
etc.
11
El operador humano ejecuta las acciones necesarias para llevar la
operación de su Planta de proceso a condiciones seguras de falla en un estado de
riesgo remanente aceptado.
Estas actividades del operador humano están documentadas en los
procedimientos operativos de arranque y procedimientos de paro normal y de
emergencia de la planta de proceso y sus equipos.
Estos procedimientos operativos son elementos esenciales de formación
del operador humano.
1.3.3 LOS SISTEMAS INSTRUMENTADOS DE SEGURIDAD.
El tercer nivel de protección de contención de riesgos está conformado por
los Sistemas Instrumentados de Seguridad (SIS).
Los Sistemas Instrumentados de Seguridad son sistemas automatizados,
diseñados a prueba de fallas, con requerimientos de confiabilidad y disponibilidad
certificada por laboratorios especializados. Están constituidos por lazos de
seguridad conformados por sensores, controladores lógicos y elementos finales de
seguridad, independientes de los utilizados por los Sistemas Básicos de Control.
Los Sistemas Instrumentados de Seguridad aplican normalmente a
variables críticas y situaciones cuyo descontrol no puede ser atendida por el
operador humano debido a su complejidad, velocidad de desarrollo, y que
requieren detectarse de manera temprana y oportuna.
Los Sistemas Instrumentados de Seguridad no son aptos para el control del
proceso y no sirven para este objeto. Son sistemas paralelos diseñados para
actuar por seguridad, por lo que se impone la independencia de estos sistemas de
seguridad de los sistemas de regulación y control. Y en caso de situaciones de
emergencia, operarán automáticamente para llevar a la planta de proceso y sus
equipos a un estado de riesgo remanente aceptado. Estos sistemas pondrán fuera
de servicio los equipos, áreas del proceso y la planta misma si es requerido dentro
de su estrategia de seguridad (software de seguridad). Estos sistemas deberán
apegarse a los requisitos de seguridad funcional establecidos en las normas
técnicas internacionales IEC-61508, IEC-61511 e ISA/ANSI S84.01 para su
fabricación, diseño de aplicaciones, manejo por integradores y uso y
mantenimiento por el usuario final.
12
Ejemplos prácticos de sistemas instrumentados de seguridad lo conforman
los sistemas de paro de emergencia, sistemas de protección de motores, turbinas,
compresores, reactores químicos, hornos, calderas, quemadores, etc., y dentro de
las variables críticas encontramos vibración, desplazamiento, fricción, ausencia de
flama, sobrepresión, altas temperaturas, desbalance entre fases eléctricas,
descontrol de reacciones químicas catastróficas por su naturaleza, etc.
También se les conoce como interlocks de seguridad debido a que sus
componentes de operación y elementos finales pueden estar constituidos por
relevadores eléctricos, electrónicos y/o electrónicos programables dentro de una
lógica de actuación por seguridad.
Algunos autores consideran dentro de la clasificación de sistemas
instrumentados de seguridad a los sistemas diseñados para la detección y control
de emisiones fugitivas, y los sistemas automáticos de detección y supresión de
fuego (Fire & Gas Systems).
1.3.4 LOS
DISPOSITIVOS
MECÁNICOS
ACTIVOS
PROTECCIÓN (DISPOSITIVOS DE RELEVO).
DE
El cuarto nivel de protección de contención de riesgos está conformado por
los dispositivos mecánicos activos de protección, ó dispositivos de relevo.
Los dispositivos mecánicos activos y/o dispositivos de relevo, están
diseñados para proteger la integridad mecánica de equipos, tuberías y recipientes.
Entre estos dispositivos encontramos las válvulas de seguridad y relevo por
sobrepresión (PSV), los dispositivos de relevo térmico, discos de ruptura,
rompedoras de vacío, entre otros. Su función primordial es la de proteger la
integridad mecánica de tuberías y recipientes, y del medio ambiente ante riesgos
de alto impacto.
LOS DISPOSITIVOS MECÁNICOS PASIVOS DE PROTECCIÓN
(SISTEMAS DE CONTENCIÓN FÍSICA).
Son todos aquellos sistemas diseñados para la canalización de fugas,
desfogues, derrames, diques de acumulación, muros cortafuego, materiales de
construcción no combustibles, barreras físicas, sistemas de drenaje aceitoso,
drenajes químicos, de fosas de captación y tratamiento, sistemas de quemado e
13
incineración, sistemas de recolección y tratamiento de residuos peligrosos,
contaminantes de suelo, agua y aire, etc. En la práctica son sistemas de
protección al medio ambiente y de la salud de los trabajadores y de los habitantes
en las comunidades aledañas ó regionales.
1.3.6 LOS SISTEMAS DE RESPUESTA A EMERGENCIAS DE LA
PLANTA.
Lo conforman los cuerpos de bomberos, de rescate y de atención médica
en planta, y de otros cuerpos especializados de contención de riesgos. Se
consideran aquí también los sistemas contraincendio conformados por las redes
de agua contraincendio y su equipamiento, así como la situación estratégica de
equipos manuales de extinción de incendios (extinguidores fijos y portátiles). Se
incluyen también los sistemas de aviso de evacuación del personal, métodos de
aislamiento y avisos de trabajos peligrosos, establecimiento de vías de escape,
puntos de reunión seguros, y todos aquellos planes y programas de salud y
seguridad en el trabajo.
1.3.7 LOS SISTEMAS DE RESPUESTA A EMERGENCIAS Y DE
CONTENCIÓN DE RIESGOS IMPLEMENTADA POR LA
COMUNIDAD.
Lo conforman los comités locales de ayuda mutua, sistemas de vías de
escape, sistemas para la evacuación general de la población, intervención del
ejército, policía, cuerpos de bomberos y de rescate de la comunidad, cuerpos
especializados externos a la planta, y de todos aquellos planes y programas de
salud general y de mantenimiento del entorno ambiental.
1.3.8 EL RIESGO REMANENTE ACEPTADO.
Las medidas de seguridad que en última instancia se adoptan dependen de
la magnitud del riesgo remanente que aún puede aceptarse.
La clasificación de los niveles de protección de contención de riesgos
unifica los distintos criterios, relativos a seguridad y al nivel del riesgo remanente
aceptado, de los ingenieros de proceso de la planta industrial, los ingenieros de
14
mantenimiento, los ingenieros de seguridad e incluso los de la comunidad,
fabricantes, diseñadores e integradores.
El riesgo remanente aceptado depende de los factores siguientes:




Región/País.
Sociedad de la correspondiente región/país.
Leyes.
Evaluación de los costos.
El riesgo remanente aceptado es una valoración y una decisión individual
de las organizaciones industriales, de la sociedad civil y de los organismos
gubernamentales, sobre una base de consenso, puesto que lo que para unos es
aceptable, para otros podría ser inaceptable.
15
CAPÍTULO II
16
SEGURIDAD FUNCIONAL. LAS NORMAS IEC DE SEGURIDAD
FUNCIONAL.
2.1
SEGURIDAD FUNCIONAL.
Ya establecimos que uno de los indicadores para la evaluación de las
medidas de seguridad es la seguridad funcional implementada, es decir –la
garantía de funcionamiento de la medida de seguridad con respecto a una posible
demanda real del riesgo de la planta de procesos-, expresada y cuantificada
comúnmente como probabilidad de falla en demanda, PFD.
La seguridad funcional como requisito de la medida de seguridad en un
ambiente particular debe garantizarse para cada una de las etapas del ciclo de
vida de la medida de seguridad. El ciclo de vida de cada una de las medidas de
seguridad abarca las siguientes:









El diseño conceptual.
El diseño de la función de seguridad.
La determinación del nivel de integridad de seguridad.
El suministro, la construcción y la instalación.
La integración y puesta en servicio (incluye pruebas pre-operacionales).
La operación.
El mantenimiento.
La validación.
El desmantelamiento.
El diseño conceptual de las medidas de seguridad se basa en los
resultados obtenidos de estudios del riesgo de los procesos, como son -el análisis
de peligros- y -la evaluación del riesgo-.
El análisis de peligros (HAZOP, por sus siglas en inglés) identifica que es
“lo que tiene que ser hecho para evitar el evento peligroso”, -la función de
seguridad-, y la evaluación del riesgo (QRA, por sus siglas en inglés) proporciona
el nivel de integridad de seguridad requerido para la función de seguridad, para
que el riesgo final sea única y seguramente el remanente aceptado.
Estos dos elementos “qué f unción de seguridad tiene que ser
implementada” -la función de seguridad- y “que grado de certidumbre es
necesario para que la función de seguridad se lleve a cabo” -el nivel de integridad
17
de seguridad (SIL, por sus siglas en inglés)- son los cimientos de la seguridad
funcional.
En un concepto más amplio seguridad funcional también se refiere a la
garantía global exigida a la maquinaria, la planta de procesos y los equipos,
relativos al desempeño de seguridad contra fallas y peligros, desde un punto de
vista independiente de los requisitos productivos. La seguridad funcional incluye
los criterios del riesgo remanente aceptado como requisito primario desde la
concepción y el diseño del proceso y la maquinaria, la operación, el mantenimiento
y el desmantelamiento seguros que son requeridos.
2.2
LAS NORMAS IEC
Hasta ahora había normas nacionales para la planificación, la construcción
y la operación de las instalaciones de seguridad para la industria. Así por ejemplo,
para el mercado alemán, los fabricantes y usuarios de dichas instalaciones
pudieron remitirse a las normas de seguridad DIN 19250, DIN 19251 y DIN 801.
Con estas normas se describía el dimensionamiento de los dispositivos relevantes
para la seguridad mediante las clases de seguridad AK (Clases AK 1-8).
Puesto que muchos países tenían normas distintas, y con muy variadas
nomenclaturas, para el correcto funcionamiento de dispositivos de seguridad, se
emitió en el año de 1998 una norma de requisitos básicos con acreditación
internacional a través de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC por sus
siglas en inglés) con sede en Génova, Suiza. Esta norma, válida para todo el
mundo es la IEC 61508 “Seguridad Funcional de los Sistemas Eléctricos/
Electrónicos/ Electrónicos Programables relacionados a la Seguridad”.
A partir de la norma base IEC 61508 nacieron una serie de normas de
aplicación para diferentes ramas y necesidades de la industria, en las que se
definieron los requisitos organizacionales y técnicos exigidos a las instalaciones de
seguridad y a su implementación.
En Agosto de 2004 se aprobó la norma IEC 61511 la cual es una norma de
aplicaciones unificada para la industria de procesos. Ver la figura 2.1.
18
Figura 2.1
Normas que fundamentan la seguridad funcional
Para la industria de procesos son relevantes las dos normas siguientes:
 IEC 61508 (Norma básica): Es válida en todo el mundo como base para
especificaciones, diseño y operación de los Sistemas Instrumentados de
Seguridad, SIS.
 IEC 61511 (Norma para la industria de procesos): Aplicaciones específicas de
IEC 61508 para la industria de procesos.
Las Normas IEC 61508 e IEC 61511 se han de emplear en sistemas
relacionados con la seguridad si éstos contienen uno o más de los dispositivos
siguientes:
 Dispositivos eléctricos (E)
 Dispositivos electrónicos (E)
 Dispositivos electrónicos programables (EP)
2.2.1
LA NORMA IEC 61508.
La norma industrial internacional IEC 61508 “Seguridad Funcional de los
Sistemas Eléctricos/Electrónicos/Electrónicos Programables relacionados a la
Seguridad” dirigida a los diseñadores y fabricantes de equipos, establece que un
Sistema Instrumentado de Seguridad SIS está compuesto por Funciones
Instrumentadas de Seguridad (SIF por sus siglas en ingles). Cada Función
Instrumentada de Seguridad SIF es un lazo de seguridad compuesto de tres
elementos principales: Un elemento primario de medición (sensor-transmisor), un
solucionador lógico, y un elemento final (Actuador de Seguridad). El propósito de
la Función Instrumentada de Seguridad SIF, -medida de seguridad-, es el de
19
llevar el proceso industrial a un estado seguro (riesgo remanente aceptado)
cuando se han violado condiciones extremas predeterminadas.
El Solucionador Lógico del Sistema SIS puede integrar y desarrollar una ó
mas Funciones Instrumentadas de Seguridad SIF, las cuales cuentan con un Nivel
de Integridad de Seguridad (SIL) específico.
Las normas establecen 4 niveles para el Nivel de Integridad de Seguridad,
los cuales son SIL 1, SIL 2, SIL 3 ó SIL 4 (el SIL 4 es para aplicaciones nucleares).
El nivel SIL 1 es el que establece más bajas especificaciones y el nivel SIL
4 el que establece mayores especificaciones.
Dado que el nivel SIL representa el grado de certidumbre requerido para el
desempeño de la Función Instrumentada de Seguridad, IEC 61508 determina que
el nivel SIL varía en función no solo del diseño y proceso constructivo de los
equipos que conforman el Lazo de Seguridad, sino también del factor de cobertura
del diagnóstico de fallas que suministren estos equipos. En otras palabras, sin
diagnósticos el SIL es bajo, pero se eleva cuando se provee diagnóstico en tiempo
real del equipo, así como el intervalo de ejecución de pruebas del funcionamiento
adecuado -intervalo de pruebas-, de la velocidad de respuesta y del tiempo medio
de reparación de fallas.
IEC 61508, consiste de 7 partes:
 IEC 61508-1 Requisitos generales.
 IEC 61508-2 Requisitos de los sistemas eléctricos/electrónicos/electrónicos
programables relacionados a seguridad.
 IEC 61508-3 Requisitos de software.
 IEC 61508-4 Definiciones y abreviaturas.
 IEC 61508-5 Ejemplos de métodos para la determinación de niveles de
integridad de seguridad.
 IEC 61508-6 Guías para la aplicación de IEC 61508-2 e IEC 61508-3.
 IEC 61508-7 Revisión de técnicas y medidas.
2.2.2 LA NORMA IEC 61511
La norma IEC 61511 “Seguridad funcional, -Sistemas Instrumentados de
Seguridad para el Sector de la Industria de Transformación” dirigida a los usuarios
finales, establece que éstos deben cumplir un ciclo de vida del SIS, el cual incluye
el análisis actualizado del riesgo, diseño, instalación, c omisionamiento,
20
validación, operación, mantenimiento, modificaciones y desmantelamiento del SIS.
Este ciclo requiere la implementación de procedimientos operativos de
trabajo (manual de procedimientos), la documentación de las pruebas funcionales,
y el registro de los eventos asociados. De este modo, el usuario que requiera la
implementación de un SIS con un nivel SIL determinado, no solo debe asegurarse
que el equipo que solicita y adquiere cumpla con IEC 61508, sino además debe
asegurarse que él mismo cumplirá la Norma IEC 61511, mediante la actualización
constante del ciclo de vida del SIS.
En la actualidad, los fabricantes de equipos están desarrollando y
presentando al mercado, elementos primarios de medición, solucionadores lógicos
y actuadores finales de seguridad con las aprobaciones necesarias para cumplir el
nivel SIL requerido, mediante la inclusión de software especializado de diagnóstico
y que además ejecutan periódicamente las pruebas funcionales de los equipos de
campo, el registro de resultados de estas pruebas y de los eventos asociados, y la
generación de la documentación necesaria, para el cumplimiento de las normas
IEC 61508 e IEC 61511en forma integral.
21
CAPÍTULO III
22
GUÍA PARA LA DETERMINACIÓN DEL NIVEL SIL.
3.1
GRÁFICA DE LOS PARÁMETROS DEL RIESGO.
La tecnología de los procesos industriales incorpora riesgos por el tipo de
proceso, los productos obtenidos, las materias primas utilizadas y el medio
ambiente y sus circunstancias. Los sistemas instrumentados automatizados
pueden reducir estos riesgos. La seguridad funcional de los instrumentos de
campo y de los sistemas de monitoreo y control debe ser asegurada mediante la
detección, identificación y control de las fallas de los mecanismos y del software
de aplicación.
El riesgo potencial de la tecnología de los procesos es determinado de
acuerdo a IEC 61511. Una reducción de riesgo direccionada a cada riesgo en
particular debe ser implementada. Los componentes utilizados deben cumplir los
requisitos de IEC 61508 si implican el uso de tecnologías de automatización
(Sistemas Instrumentados de Seguridad).
Los dos estándares, IEC 61511 e IEC 61508, clasifican a los sistemas y los
riesgos involucrados en cuatro niveles SIL, desde el nivel SIL 1 (riesgo potencial
bajo) hasta el nivel SIL 4 (riesgo potencial y sus consecuencias muy alto).
Teniendo determinados los riesgos y la necesidad de reducir estos riesgos
mediante Sistemas Instrumentados de Seguridad, nos encontramos con la
necesidad de establecer un Nivel de Integridad de Seguridad SIL requerido por el
riesgo y que deberán cumplir las Funciones Instrumentadas de Seguridad a
implementar,
La gráfica mostrada a continuación, figura 3.1, de acuerdo a IEC 61508,
nos ayuda a establecer en forma simplificada, la interrelación de los parámetros
del riesgo con el nivel SIL requerido.
Para poder utilizar la gráfica debemos responder a las siguientes
circunstancias:
1) Severidad de las consecuencias si el riesgo es iniciado:
C1
C2
C3
Daño leve a una persona, daño leve al ambiente.
Daño grave o muerte de una persona, daño moderado al ambiente.
Muerte de varias personas, daño fuerte al ambiente.
23
C4
Muerte de muchas personas, catástrofe al medio ambiente.
2) Frecuencia de exposición de personas al riesgo, frecuencia de ocurrencia del
riesgo:
F1
F2
Muy raramente hasta frecuente por una persona.
De frecuente hasta permanente por una o mas personas.
3) Posibilidad de prevención del riesgo:
P1
P2
Posibilidades de prevención.
No existe forma y/o es difícil la prevención.
4) Probabilidad de inicio del riesgo:
W1
W2
W3
Muy baja probabilidad, raramente ocurre.
Probabilidad baja
Probabilidad alta.
24
SEVERIDAD DE LAS
CONSECUENCIAS
PROBABILIDAD QUE
EL RIESGO SEA INICIADO
EXPOSICION
POSIBILIDAD
FRECUENCIA
DE PREVENCION
DEL RIESGO
W3
W2
W1
A
--
--
P1
1
A
--
F2
P2
P1
2
1
A
F1
F2
P2
P1
3
2
1
F1
P2
4
3
2
B
4
3
C1
F1
C2
C3
C4
P1
F2
P2
A
B
-1,2,3,4
SE REQUIERE UNA SALVAGUARDA NO SIS
UN SOLO SIS NO ES SUFICIENTE
ES POSIBLE SEA UN RIESGO TOLERABLE
NIVEL DE INTEGRIDAD DE SEGURIDAD REQUERIDO (NIVEL SIL).
Figura 3.1 Matriz para la determinación del nivel SIL
requerido por el riesgo
25
3.2
ASIGNACIÓN DE LOS VALORES DE SIL.
La asignación de los valores de SIL se realiza de acuerdo a la frecuencia
permisible de los eventos de peligro con respecto a las consecuencias si estos
eventos son iniciados. La asignación de los valores de SIL se expresan para una
estimación de la Probabilidad de Falla en Demanda PFD como a continuación se
detallan en la tabla 3.1.
Riesgo
Frecuencia
Nivel máxima permisible
Consecuencias
SIL
del riesgo
(evento/año).
Falla en demanda
de la Medida de
seguridad, PFD
(evento/año).
Bajo
Lesiones a una
persona
1
1.0 x 10-1
10-1 < PFD < 10-2
Moderado
Muerte de una
persona
2
1.0 x 10-2
10-2 < PFD < 10-3
Severo
Muerte de
varias personas
3
1.0 x 10-3
10-3 < PFD < 10-4
Catastrófico
Muerte de
muchas
personas
4
1.0 x 10-4
10-4 < PFD < 10-5
Tabla 3.1
Asignación de los valores de SIL requeridos por el riesgo.
La frecuencia máxima permisible está dada en el número de eventos de
riesgo por año (eventos peligrosos / año).
La Probabilidad de Falla en Demanda, PFD, está dada en el número de
fallas de la medida de seguridad por año (fallas peligrosas / año).
Son valores prácticamente idénticos, sin embargo, es más fácil identificar y
cuantificar las fallas (historial de fallas) en los componentes físicos de una medida
de seguridad, mediante pruebas de Laboratorio en “simuladores de fallas” y
mediante la compilación de datos de experiencias de campo, por lo que los
valores de PFD, son de importancia relevante.
26
CAPÍTULO IV
27
LA CARACTERIZACIÓN DE LOS NIVELES SIL.
4.1
NIVEL DE INTEGRIDAD DE SEGURIDAD (SIL).
Nuevamente, establecimos que uno de los indicadores para la evaluación
de las medidas de seguridad es la seguridad funcional implementada, es decir –la
garantía de funcionamiento de la medida de seguridad con respecto a una posible
demanda real del riesgo de la planta de procesos-.
Esta garantía de funcionamiento se apoya en el cumplimiento de los
requisitos del riesgo tanto por la función de seguridad implementada como por el
Nivel de Integridad de Seguridad SIL.
Donde el Nivel de Integridad de Seguridad SIL, -requerido por el riesgo-, es
el grado de certidumbre del sistema relativo a seguridad de ejecutar la función de
seguridad requerida bajo todas las condiciones establecidas dentro de un periodo
de tiempo establecido, donde la combinación riesgo-medida de seguridad-medio
ambiente, son considerados como un todo.
4.2
LA PROBABILIDAD DE FALLAS.
La norma IEC 61508 establece que es más fácil identificar y cuantificar las
condiciones y causas de fallas en los instrumentos (hardware) que conforman las
funciones de seguridad, para poder establecer una garantía de funcionamiento de
la función de seguridad cuando es requerida en un periodo de tiempo dado.
Dos clases de SIL, son identificadas dependiendo del servicio provisto por
la función de seguridad de acuerdo a los requisitos del riesgo:
 Para funciones de seguridad que son activadas únicamente cuando son
requeridas (modo de baja demanda).
 Para funciones de seguridad que están continuamente activadas, la
probabilidad de una falla peligrosa de la función de seguridad es expresada en
términos de horas (modo continuo).
28
Probabilidad de falla (funciones de seguridad).
Modo de operación “en demanda”,
Modo de operación
PFDprom. (probabilidad promedio de
“continuo”, PFH
Nivel
falla para ejecutar la función
(probabilidad de falla
SIL
diseñada bajo una demanda,
peligrosa, expresada en
expresada en años)
horas)
-5
-4
4
≥ 10 a < 10
≥ 10-9 a < 10-8
3
≥ 10-4 a < 10-3
≥ 10-8 a < 10-7
2
≥ 10-3 a < 10-2
≥ 10-7 a < 10-6
1
≥ 10-2 a < 10-1
≥ 10-6 a < 10-5
Tabla 4.1
Probabilidad de fallas de la función de seguridad.
De los datos proporcionados por la tabla 4.1, observamos que, si después
del análisis del riesgo se decide que la función de seguridad deberá cumplir con
un SIL inferior a SIL 1, uno de los requisitos de IEC 61508 es que cuando un
proceso es considerado benigno, con riesgos tolerables, los componentes del
Sistema Básico de Control de Procesos, los cuales se desempeñan como del tipo
continuo, si tienen alguna función relativa a seguridad deben demostrar al menos
tener una tasa de fallas peligrosas de 10-5 por hora.
El cumplimiento de las tasas de falla requeridas se logra mediante el uso de
componentes eléctricos y/o electrónicos de buena calidad, del mejor diseño y
arquitectura.
4.3
CARACTERIZACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SIS
PARA RECLAMAR UN CUMPLIMIENTO SIL.
IEC 61508 establece para la asignación de un nivel SIL a una Función
Instrumentada de Seguridad SIF, que los componentes de la función de seguridad,
además de cumplir las condiciones de falla en demanda y/o falla por hora,
deberán cumplir los parámetros siguientes: la “fracción de falla segura” y la
“tolerancia a fallas del hardware”.
4.3.1 LA FRACCIÓN DE FALLA SEGURA.
La Fracción de Falla Segura (SFF por sus siglas en inglés) es una fracción
que se obtiene del total de fallas de los instrumentos, que son estimadas ya sea
29
como fallas seguras y/o detectables por el software de diagnóstico, y las
estimadas como “fallas peligrosas”, entonces tenemos los siguientes términos:
se
guro
=
Tasa de falla de componentes dirigido a un estado seguro.
=
Tasa de falla de componentes dirigido a un estado
potencialmente peligroso.
Estos términos son posteriormente categorizados como “detectables” y “no
detectables” para reflejar la habilidad del software de diagnóstico embebido en el
instrumento, como sigue:
dd
=
Tasa de fallas peligrosas detectables.
=
Tasa de fallas peligrosas no detectables.
La suma de todas las tasas de falla es expresada como:
total
=
seguros +
peligrosos
Entonces, la fracción de falla segura SFF puede ser calculada como:
SFF
=
1-
/
total
IEC 61508 establece 4 bandas expresadas en porciento para la Fracción de
Falla Segura SFF, como sigue:
<60%, de 60% a <90%, de 90% a <99%, >99%.
Evidentemente el valor de la Fracción de Falla Segura es un indicador de la
capacidad de cobertura del software de diagnóstico embebido en el instrumento
y/o sistema. Por lo tanto, las bandas de SFF establecidas por IEC 61508 en
realidad son 4 especificaciones de calidad del software de autodiagnóstico con
respecto a la cobertura de fallas.
30
4.3.2 LA TOLERANCIA A FALLAS DEL HARDWARE.
IEC 61508 considera la integridad segura del hardware y entonces define
dos subsistemas. Para el subsistema tipo A considera que todos los posibles
modos de falla son determinados para todos los elementos, mientras que para el
subsistema tipo B no es posible completamente determinar el comportamiento
bajo condiciones de falla.
SUBSISTEMA TIPO A.
Por ejemplo:
características:
Un
transmisor
de
campo
contiene
las
siguientes
 Los modos de falla de todos los componentes están bien definidos.
 El comportamiento bajo condiciones de falla puede ser completamente
determinado.
 Los datos de la experiencia en campo son suficientes y confiables y muestran
que las tasas de fallas peligrosas detectables y no detectables publicadas son
cumplidas.
Entonces, un Instrumento con características del subsistema tipo A, puede
reclamar un cumplimiento de un nivel SIL especifico, de acuerdo a la tabla 4.2.
Fracción de Falla
segura, SFF
< 60%
60% a < 90%
90% a < 99%
> 99%
Tabla 4.2
Tolerancia a Fallas del Hardware, HFT
0
1
2
SIL 1
SIL 2
SIL 3
SIL 2
SIL 3
SIL 4
SIL 3
SIL 4
SIL 4
SIL 3
SIL 4
SIL 4
Integridad de seguridad del hardware (IEC 61508-2, parte 2),
subsistemas tipo A relativos a seguridad.
SUBSISTEMA TIPO B.
Por ejemplo: Un solucionador lógico contiene las siguientes características:
31
 El modo de falla de por lo menos un componente no es bien definido.
 El comportamiento bajo condiciones de falla no puede ser completamente
determinado.
 Los datos de la experiencia en campo son insuficientes para demostrar que las
tasas de fallas peligrosas detectables y no detectables publicadas son
cumplidas.
Entonces, un instrumento con características del subsistema tipo B, puede
reclamar un cumplimiento de un nivel SIL especifico, de acuerdo a la tabla 4.3.
Fracción de Falla
Segura, SFF
< 60%
60% a < 90%
90% a < 99%
> 99%
Tabla 4.3
Tolerancia a Fallas del Hardware, HFT
0
1
2
No permitido
SIL 1
SIL 2
SIL 1
SIL 2
SIL 3
SIL 2
SIL 3
SIL 4
SIL 3
SIL 4
SIL 4
Integridad de seguridad del hardware (IEC 61508-2, parte 2),
subsistemas tipo B relativos a seguridad.
En las tablas 4.2 y 4.3, una Tolerancia a Fallas del Hardware de “N”
significa que “N+1” fallas pueden causar una pérdida de la función de seguridad.
Por ejemplo, si un subsistema tipo A ó B, reclaman tener una “Tolerancia a Fallas”
de 1, esto quiere decir que se requiere que ocurran 2 fallas en el sistema para que
la función de seguridad se pierda.
4.3.3 UN EJEMPLO:
Aplicación en modo de “Baja Demanda”.
Sistema de Paro de Emergencia.
Un Sistema de Paro de Emergencia (ESD por sus siglas en inglés) es
utilizado para poner “fuera de operación” un proceso industrial ó parte del mismo,
en forma segura, en caso de una falla del Sistema Básico de Control del Proceso
(IEC lo define como BPCS), ó cuando determinados parámetros críticos exceden
límites pre-establecidos.
32
Un ESD es utilizado para proteger contra daños físicos de los
equipos, daño al proceso industrial, pérdida de vida humana, daños severos al
medio ambiente.
El sistema ESD es casi siempre un sistema separado al Sistema Básico de
Control, y generalmente tiene sus propios sensores y actuadores dedicados al
mismo.
Una aplicación típica se muestra en el diagrama siguiente (figura 4.1):
Figura 4.1
Diagrama esquemático de un ESD.
Las características relevantes de los dispositivos de entrada/salida al PLC
de seguridad (Solucionador Lógico) en un Sistema ESD son las siguientes:
Entradas analógicas tipo 4-20 mA son usadas para la comunicación con los
diferentes Transmisores de valores críticos.
Salidas digitales normalmente energizadas son utilizadas para las válvulas
de seguridad, las cuales pueden ser válvulas de corte y/o válvulas de relevo.
Entradas digitales son utilizadas para monitorear contactos “libres de
voltaje”.
El monitoreo de fallas en los conductores eléctricos se realiza mediante
resistores de “fin de línea”, utilizados para identificar y reportar circuitos abiertos
y/o cortocircuito en el cableado de campo.
33
Probabilidad de Falla en Demanda.
La Probabilidad de Falla en Demanda para cada una de las funciones de
seguridad manejadas por el sistema ESD, es la suma de las probabilidades
promedio de cada elemento de la función de seguridad:
Figura 4.2
Suma de probabilidades promedio.
Podemos observar que todos los componentes de la función de seguridad
están operando en modo “continuo”, aunque la función de seguridad opera en
modo “Bajo Demanda”, entonces:
PFDprom total para la función de seguridad es:
PFDprom = 5x10-4 + 1x10-4 + 5x10-4 + 3x10-4 + 6.1x10-3 = 7.5x10-3
Los límites de SIL 2 para PFDprom es ≥ 10-3 a < 10-2, entonces para esta
Función de Seguridad el Nivel de Integridad de Seguridad es SIL 2.
Alternativas de Arquitectura de la Función de Seguridad.
Si la arquitectura de la función de seguridad de nuestro ejemplo es la
siguiente (figura 4.3):
34
Figura 4.3
Arquitectura de la función de seguridad
La Tolerancia a Fallas del Hardware de la Función de Seguridad es Cero (N
= 0) puesto que una falla en cualquiera de los componentes conlleva a la pérdida
de la función de seguridad (también conocidos como sistemas 1oo1).
Si la arquitectura de la función de seguridad considera un segundo
transmisor para la variable crítica según se muestra (figura 4.4), tendremos:
Figura 4.4
Arquitectura de la función de seguridad considerando un segundo
transmisor para la variable crítica
La Tolerancia a Fallas del Hardware de la Función de Seguridad es uno (N
= 1) puesto que una falla en cualquiera de los componentes no conlleva a la
pérdida de la función de seguridad (también conocidos como sistemas 1oo2).
Para esta presunción partimos de los siguientes datos:
Para el transmisor de presión,
du = 100x10-9,
total = 0.34, SFF = 66%; por lo tanto:
35
total = 2.9x10-7,
du/
Sistema 1oo1
SFF = 66%
N=0
subsistema tipo A
calificación SIL 2
Sistema 1oo2
SFF = 66%
N=1
subsistema tipo A
calificación SIL 3
Para el Solucionador Lógico (PLC de seguridad),
1.77x10-6,
du/
du = 100x10-9,
total =
total = 0.06, SFF = 94%, N = 1, subsistema tipo B; por lo tanto:
SFF = 94%
N=1
subsistema tipo B
36
calificación SIL 3
CONCLUSIONES.
37
La industria de procesos requiere que las medidas de seguridad que se
implementan como sistemas de reducción de riesgos cumplan con parámetros
estandarizados desde su concepción hasta inclusive su desmantelamiento.
Cada sistema de reducción de riesgos deberá incluir una función de
seguridad y un determinado nivel de certidumbre de que la función de seguridad
actuará si es demandada por el riesgo.
Tanto la función de Seguridad como el nivel de certidumbre de seguridad
deberán ser determinados de acuerdo a la severidad de las consecuencias del
riesgo y a la frecuencia de exposición al riesgo.
Si los sistemas de reducción de riesgos utilizan dispositivos eléctricos,
electrónicos y/o electrónicos programables deberán cumplir los requisitos
establecidos en las normas IEC 61508 e IEC 61511, las cuales son de aprobación
internacional.
Las normas IEC 61508 e IEC 61511 introducen el concepto seguridad
funcional, el cual viene determinado por un Nivel de Integridad de Seguridad (SIL
por sus siglas en inglés) para cada función de seguridad y para cada uno de los
componentes de la función de seguridad. Asimismo, las normas permiten el uso
de diferentes arquitecturas y la utilización de tecnologías diversas para la
conformación de las medidas de seguridad.
Las normas no dicen “como debe hacerse ni con que elementos”, pero si
establecen “los requisitos funcionales que deben cumplirse”.
38
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40
GLOSARIO
C
ESD
F
Hazop
IEC
MSI
P
PFD
PLC
PSV
QRA
SBCP
SFF
SIF
SIL
SIS
W
Severidad
Paro de Emergencia
Frecuencia
Análisis de peligro
Comisión Electrotécnica Internacional
Medidas de Seguridad Independientes
Posibilidad
Probabilidad de Falla en Demanda
Control de Presión Baja
Válvulas de Seguridad
Evaluación de Riesgo
Sistemas Básicos de Control de Procesos
Fracción de Falla Segura
Funciones Instrumentadas de Seguridad
Nivel de Integridad de Seguridad
Sistemas Instrumentados de Seguridad
Probabilidad
41