SAMSON

SAMSON
Fiabilidad mejorada
para los elementos finales
Artículo de la presentación
en la “Conference On Functional Safety”,
Jurata (Gdansk), Polonia, 16 Septiembre 2004
Autor:
Dr. Thomas Karte
Fiabilidad mejorada para los elementos finales
Dr. Thomas Karte, SAMSON AG
Las válvulas de proceso, a menudo llamadas elementos finales,
son en la mayoría de los casos el factor decisivo a la hora de
calcular el nivel SIL de una función de seguridad instrumentada
(SIF, safety instrumented functions). Debido a la gran variedad
de condiciones de uso en la industria de proceso no se tienen
datos apropiados ni equipos certificados. Procedimientos de
prueba como el de carrera parcial pueden proporcionar una
mejor información de diagnóstico y con ello ayudar a obtener
Artículo de la presentación en la “Conference On Functional Safety” 2004
mejores datos de fiabilidad del lazo completo. La verificación
de estos “datos de diagnóstico” y la correcta integración de
estos procedimientos en el Sistema Instrumentado de Seguridad
(SIS) y en el Sistema de Control de Proceso Básico (BPCS) al
mismo tiempo supone un reto. Se presentan los nuevos desarrollos y las certificaciones relevantes además de la instrumentación con nueva funcionalidad para ayudar en el diagnóstico
y las diferentes topologías de conexión a SIS y BPCS.
3
1. VALVULAS CERTIFICADAS
Actualmente en la industria de proceso es obligatorio la aplicación de la norma IEC 61508. En base al análisis de los posibles peligros y riesgos, se deben definir e implementar medidas de seguridad con el objetivo de reducir los niveles de
riesgo a un nivel aceptable. Las SIF (funciones de seguridad
instrumentadas) se implementan para contrarrestar peligros
individuales. Típicamente estas SIF comprenden un sensor que
informa del estado del proceso, un logic solver (lógica de decisión), responsable de activar la acción necesaria y un elemento final que bloquea o abre una tubería y comprende una
válvula, un accionamiento y una electroválvula. Es obligatorio
un análisis cuantitativo del lazo de regulación completo. La
fiabilidad del lazo se puede calcular a partir de los datos de
funcionamiento y fiabilidad de los componentes. Por ello,
cada vez es más frecuente pedirle a los fabricantes datos de
fiabilidad, principalmente la tasa de fallo peligroso, diferenciando entre fallos detectados y no detectados, y la fracción
de fallos seguros.
Por lo general el funcionamiento de un lazo típico viene definido por el funcionamiento del accionamiento y de la válvula.
Los mejor calificación y por eso el menor riesgo lo tiene el logic solver, seguido del sensor/transmisor. La combinación
accionamiento/válvula ocupan el peor lugar. Esto puede sorprender ya que el logic solver incorpora muchas partes electrónicas e incluso el software pareciera ser más sofisticado y
propenso a errores que las piezas de metal que componen
una válvula o accionamiento. No obstante, el problema proviene de la interacción con el proceso. El logic solver, tan
complicado como es, se considera fiable ya que todos sus
componentes y subsistemas tienen un funcionamiento conocido. La clave es no obstante, que el logic solver trabaja en un
ambiente conocido, la sala de control. Por el contrario, el
elemento final se encuentra expuesto no sólo al ambiente sino
también al proceso. Debido a la gran cantidad de materiales,
procesos, fases y otras condiciones que existen en una planta
química, es difícil reunir suficientes datos para hacer una afirmación para un determinado material, sustancia o proceso.
Si por ejemplo se consulta la biblioteca EXIDA para buscar
equipos para un lazo, se encontrarán muchos equipos en las
categorías de logic solvers, transmisores y barreras. Pero la
sección de válvulas es mucho menos popular, sólo aparecen
tres fabricantes y tres tipos de válvulas, y entre ellas la válvula
SAMSON es el único equipo para servicio general. Si comprobamos el nivel de funcionamiento de los productos que figuran, la válvula 3241 tiene sorprendentes datos de fiabilidad. ¿Cuál es el origen de estos datos, son fiables?
4
La IEC 61508 propone dos alternativas para definir datos de
fiabilidad: FMEDA o “prior use”. FMEDA es el análisis del diseño para obtener datos de fiabilidad. Pero como el uso en la
industria de procesos puede conducir a condiciones y problemas impredecibles, la segunda aproximación usando datos
“prior use” parece ser mejor. “Prior use” se refiere al registro
y al siguente análisis de todos los fallos de una determinada
población en el campo. Además los estrictos requerimientos
sobre horas de uso, implican una amplia muestra. Asegurar
ambas al mismo tiempo, población amplia además de un registro completo y comprensivo de los fallos, no es fácil.
SAMSON AG conjuntamente con Infraserv (antes Hoechst
AG) han realizado una investigación en su fábrica de
Francfort (fig. 1) en un proyecto a largo plazo que parece ser
el estudio más completo del mercado.
Fig. 1
Los puntos más importantes son:
• Largo periodo de investigación (1996 – 2002),
• Se estudiaron muchas válvulas, aprox. 40.000, en la fábrica
de la antigua Hoechst AG (horas de operación)
• La legislación alemana (Gefahrgutverordnung) y las directivas de Hoechst AG, garantizaron que todos los fallos en
campo se canalizaran a través del taller de mantenimiento
central para válvulas
• Documentación completa y análisis de fallos. Se desarrolló
un cuestionario especial para categorizar los fallos. Se entrenó al personal involucrado para asegurar que todos los
fallos se registraran correcta y consistentemente
• Para inspeccionar las válvulas se acondicionó un espacio
descontaminado y el personal especializado era responsable en inspeccionar y valorar las válvulas.
• Los resultados basados en un amplio rango de aplicaciones
de la industria química (de farmacéuticas a pigmentos para
colores) reflejan el uso de válvulas en aplicaciones típicas de
la industria de procesos y no datos recogidos en el laboratorio como parte de una prueba en seco.
Artículo de la presentación en la “Conference On Functional Safety” 2004
• El centro de pruebas para accionamientos de Infraserv sirvió
de organismo independiente para certificar los resultados
Los resultados demuestran un funcionamiento en campo excelente de las válvulas 3241. Los valores de PFD obtenidos como
resultado de este completo estudio, son sorprendentemente
bajos. Hay dos razones:
• Las válvulas 3241 se han optimizado durante años en estrecha colaboración con la industria química. Sus características técnicas, que no se discuten en este artículo, son la base
de su excelente comportamiento.
• Discusión de las aplicaciones críticas con el usuario .
El estudio descrito proporcionó datos fiables y excelentes para
el uso de válvulas en un típico ambiente de proceso. No obstante, para cada proceso, el usuario final es el responsable de
relacionar estos datos con su aplicación. Una válvula puede
durar fácilmente 20 años sin fallar, pero también puede fallar
en cuestión de días. El usuario final es especialmente responsable de:
• Dimensionar la válvula correctamente, teniendo en cuenta la
caida de presión, la cantidad de energía disipada en la
válvula, evitar cavitación y flashing, limitar cuidadosamente
la velocidad a la salida de la válvula; en resumen, especificar la válvula de forma “conservativa”
• Características del fluido (gas, líquido, vapor, corrosión,
medios viscosos)
• Las condiciones ambientales, temperaturas límite, ambientes
húmedos, corrosión,
• La selección adecuada de los equipos conectados como accionamiento, electroválvula y posicionador
Esto se tiene que considerar a priori antes de poner en marcha
la planta, aunque es aconsejable probar estas predicciones
durante la operación, y crear un sistema de:
procedimientos de prueba para comprobar todas las válvulas
• registro de todos los fallos
• clasificación
• prueba automatizada
• implantar pruebas durante la operación para facilitar comprobaciones más frecuentes
2. PRUEBA DE CARRERA PARCIAL (PARTIAL STROKE TEST)
El funcionamiento del lazo de seguridad depende del funcionamiento de los equipo y de la frecuencia de prueba. La fórmula es:
PFDpromedio = λDU TI / 2
(1)
PFD: probabilidad de fallo a petición
λDU: tasa de fallos peligrosos no detectados
TI:
intervalo entre pruebas
Por ello, el intervalo entre pruebas es crucial para conseguir
un valor específico de PFD. Actualmente la mayoría de plantas químicas realizan una parada anual, en la que se prueban
los equipos, incluidas las válvulas de seguridad. Pero en la
industria petroquímica, son comunes periodos de operación
de 5 años. Según la fórmula, se requiere un valor de PFD
cinco veces menor que el requerido para una planta con servicio anual. Para evitar este estricto requerimiento, se necesitan comprobaciones más frecuentes pero sin interrupir la
operación de la planta. Una tecnología propuesta y actualmente en uso es la llamada prueba de carrera parcial (PST).
Consiste en un movimiento del 10% de una válvula de corte,
desde 100% abierta a 90% abierta y regreso a 100%. Se registra el movimiento. (Fig. 2) Si la válvula se mueve se deduce
que la válvula cerraría completamente la tubería de ser necesario. Esta prueba se describe en muchos artículos. En (1) se
hace una descripción entusiasta indicando su potencial, y en
(2) se hace un análisis más reflexivo, con conclusiones del
beneficio potencial pero también de sus limitaciones.
No obstante, siguen algunos asuntos pendientes: ¿Cuál es la
información exacta sobre el diagnóstico de esta prueba? No
existe una respuesta general debido a la gran variedad de
condiciones de proceso. Una forma correcta de abordar este
tema sería durante el análisis FMEDA de un sistema de paro.
Para cada tipo de fallo se debe preguntar si se podría o no
haber detectado por tecnología PST. Una tabla de fallos tendría el siguiente aspecto
El futuro posiblemente traerá consigo un registro más exhaustivo de los lazos de seguridad, gracias a las nuevas funciones
de los equipos de campo. Este registro debería generar más
datos sobre funcionamiento en caso de activación y en caso
de prueba. La estrecha colaboración entre el usuario final y el
proveedor debería asegurar la expansión de bases de datos y
la generación de datos de seguridad fiables.
Artículo de la presentación en la “Conference On Functional Safety” 2004
5
Sólo con este análisis específico se pueden valorar los beneficios de PST para un determinado proceso. Por eso, la conclusión es similar a la del uso de válvulas. El fabricante puede dar
datos generales y el usuario es responsable de analizar su proceso y hacer un uso correcto de los datos. Frases como “…
prueba de carrera parcial puede ampliar el tiempo de funcionamiento de su proceso en…” no tienen sentido. Es más, un
paquete de un mismo fabricante, que incluya posicionador,
accionamiento y válvula, debería ser más ventajoso teniendo en
cuenta la información sobre diagnóstico, que una combinación
de equipos de diferentes fabricantes montados por el usuario.
Fig. 3: Posicionador Serie 3730 con multiples funciones
Fig. 2: Prueba de carrera parcial
Cómo se valida una prueba de carrera parcial:
Partimos de la base que implementando un PST el intervalo de
inspección de un SIF se amplia. Pero queda una incognita:
¿cómo se prueba que se ha realizado la carrera parcial? Si
leemos detalladamente la documentación de un equipo de un
fabricante líder, encontramos que la certificación SIL de un
posicionador PST sólo es válida para la capacidad de parar el
proceso. Las funciones de diagnóstico no se evalúan y en consecuencia no se certifican. Es fácil de entender esta actitud, ya
que es muy difícil certificar el software del posicionador con
todas sus funciones. Entonces, ¿es posible utilizar la información de diagnóstico para ampliar la revisión de seguridad de
una planta?
El posicionador SAMSON de la Serie 3730 de la fig. 3 propone una solución diferente, y utiliza una combinación de
hardware y software en el mismo equipo. Este equipo además
de la función de PST incluye
• electroválvula
• finales de carrera P&F
• salida de alarma
Se probó una configuración de este posicionador conectado a
un PLC de seguridad de HIMA (Fig. 4). El posicionador realizó
6
la PST, activada manual o automáticamente por temporizador.
El evento de la PST se registra internamente y se realiza el
diagnósitico. Los datos de diagnóstico permiten visualizar el
estado de la válvula en el tiempo. La clave de la configuración
es el registro de la PST en el PLC de seguridad de HIMA mediante los finales de carrera P&F. A través de la secuencia
• final de carrera P&F
• canal de entrada del PLC de seguridad de HIMA
• lógica de registro de eventos de HIMA
la PST se registra con una marca temporal precisa en una cadena de equipos certificados. No puede existir ninguna duda
de que el evento tuvo lugar.
Fig. 4: Posicionador Serie 3730 conectado a un PLC de seguridad HIMA
Esta configuración posibilita otra función interesante de visualización. El paquete de diagnóstico del posicionador incluye
un registrador de datos. Este registrador es una función de
visualización que almacena el movimiento de la válvula y la
señal de entrada en el tiempo. Se puede activar por la electroválvula integrada en el posicionador. Por eso, durante un paro
de planta o paro simulado, se puede almacenar el movimiento
de cierre completo de la válvula. Esto hace que la verificación
y el registro de la prueba de una válvula sea muy eficiente, ya
que cualquier válvula equipada con esta función puede geneArtículo de la presentación en la “Conference On Functional Safety” 2004
rar automáticamente un protocolo de funcionamiento de la
válvula durante la prueba de paro. No sólo el cierre de la
válvula se puede comprobar, sino que también se pueden obtener más conclusiones sobre parámetros como tiempo muerto, tiempo de cierre, velocidad de cierre y otros para anticipar
el fallo de una válvula. Además también se pueden documentar y usar paros simulados como pruebas de válvula.
Estas funciones permiten proponer el uso de un posicionador
en una válvula ESD (el ejemplo de la fig. 5 muestra la instrumentación con la válvula de seguridad y la válvula de proceso
como dos unidades por separado, aunque también es posible
una configuración con sólo una válvula):
Fig. 5. Posicionador Serie 3730 para paro de emergencia con electroválvula y finales de carrera
Esta configuración comprende los siguientes instrumentos y
características:
• La válvula de corte está equipada con un posicionador ESD
de la Serie 3730 en lugar de una electroválvula
• La electroválvula integrada y certificada se utiliza para la
función de paro, activada por el PLC de seguridad
• A través del posicionador es posible la prueba de carrera
parcial. Se comanda por el BPCS. Todos los datos de prueba
se almacenan en el BPCS y en el entorno de administración
de activos
• La prueba de carrera parcial se señaliza por los finales de
carrera. El PLC de seguridad la registra con marca temporal
• El diagnóstico de la válvula se realiza en el posicionador en
cualquier movimiento de la válvula (prueba de carrera parcial o
de carrera completa). Se almacenan internamente datos indicando el tiempo muerto, la velocidad de movimiento, la fricción
de la válvula y otros, y pueden ser consultados por el BPCS.
Artículo de la presentación en la “Conference On Functional Safety” 2004
• Una salida de alarma opcional sirve para señalizar el deterioro en la válvula o la falta de una prueba o el error en una
prueba
Una solución compacta como la descrita en la fig. 3 proporciona todas las funciones necesarias en un solo equipo. El
beneficio no es sólo el ahorro, sino la significativa ganancia
en fiabilidad por el menor número de interfaces. Todas las interfaces entre una combinación de electroválvula, finales de
carrera y posicionador se reducen a conectar una sola caja en
la válvula, actuador y sistema.
Conclusiones:
• La valoración exacta de la fiabilidad de los elementos finales
sigue siendo un reto
• Sólo existen datos sobre fiabilidad de muy pocas válvulas
• Los usuarios deben valorar sus condiciones de proceso específicas para generar datos de fiabilidad de sus lazos
• Cada vez son más usuales las pruebas como la de carrera
parcial, pero sus beneficios se deben aprovechar en cada
planta y proceso específicamente
• Probablemente el futuro conlleve una visualización más detallada y un registro de los lazos de seguridad, gracias a las
funciones de los equipos de campo y especificametne de los
posicionadores
• La integración de estas funciones y de los datos registrados
en el sistema y en los procedimientos de administración de
activos es obligatorio
Como se requieren datos, procedimientos y avances en la
tecnología, el éxito sólo se podrá alcanzar de la forma tradicional: con una estrecha cooperación entre fabricantes y
usuarios.
Bibliografía
[1] Riyaz, Ali and Jero, LeRoy “Smart positioners in safety instrumented
systems”, PTQ 2002/2003
[2] Mostia Jr., Bill “Partial Stroke Testing, Simple Or Not?”, Control
Magazine Nov 2003
Autor:
Dr. Thomas Karte · SAMSON AG · Dept. E99
Weismuellerstr. 3 · 60314 Frankfurt · Main, Germany
Tel: +49 69 4009-2086
E-Mail: [email protected]
7
2004-09 DR · WA 140 ES
SAMSON S.A. · TÉCNICA DE MEDICIÓN Y REGULACIÓN · Pol. Ind. Cova Solera · Avda. Can Sucarrats 104 · E-08191 Rubí (Barcelona)
Tel: 93 586 10 70 · Fax: 93 699 43 00 · E-mail: [email protected] · Internet: http://www.samson.es