ENC: [ARTIGO TÉCNICO] SIS - Sistemas Instrumentados de Segurança - Uma visão prática - Parte 4

SIS - Sistemas Instrumentados de Segurança Uma visão prática - Parte 4 Introdução Os Sistemas de Seguranças Instrumentados (SIS) são utilizados para monitorar a condição de valores e parâmetros de uma planta dentro dos limites operacionais e quando houver condições de riscos devem gerar alarmes e colocar a planta em uma condição segura ou mesmo na condição de shutdown. As condições de segurança devem ser sempre seguidas e adotadas em plantas e as melhores práticas operacionais e de instalação são deveres dos empregadores e empregados. Vale lembrar ainda que o primeiro conceito em relação à legislação de segurança é garantir que todos os sistemas sejam instalados e operados de forma segura e o segundo é que instrumentos e alarmes envolvidos com segurança sejam operados com confiabilidade e eficiência. Os Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são os sistemas responsáveis pela segurança operacional  e que garantem a parada de emergência dentro dos limites considerados seguros, sempre que a operação ultrapassar estes limites. O objetivo principal é se evitar acidentes dentro e fora das fábricas,  como incêndios, explosões, danos aos equipamentos, proteção da produção e da propriedade e mais do que isto, evitar riscos de vidas ou danos à saúde pessoal e impactos catastróficos para a comunidade. Deve-se ter de forma clara que nenhum sistema é totalmente imune a falhas e sempre deve proporcionar mesmo em caso de falha, uma condição segura. Durante muitos anos os sistemas de segurança foram projetados de acordo com os padrões alemães (DIN V VDE 0801 e DIN V 19250)  que foram bem aceitos durante anos pela comunidade mundial de segurança e que culminou com os esforços para um padrão mundial, a IEC 61508, que serve hoje de guarda-chuva em seguranças operacionais envolvendo sistemas elétricos, eletrônicos, dispositivos programáveis para qualquer tipo de indústria. Este padrão cobre todos os sistemas de segurança que têm natureza eletromecânica. Os produtos certificados de acordo com a IEC 61508 devem tratar basicamente 3 tipos de falhas: Falhas de hardware randômicas Falhas sistemáticas Falhas de causas comuns A IEC 61508 é dividida em 7 partes das quais as 4 primeiras são mandatórias e as 3 restantes servem de guias de orientação: Part 1: General requirements Part 2: Requirements for E/E/PE safety-related systems Part 3: Software requirements Part 4: Definitions and abbreviations Part 5: Examples of methods for the determination of safety integrity levels Part 6: Guidelines on the application of IEC 61508-2 and IEC 61508-3 Part 7: Overview of techniques and  measures Este padrão trata sistematicamente todas as atividades do ciclo de vida de um SIS (Sistema Instrumentado de Segurança) e é voltado para a performance exigida do sistema, isto é, uma vez atingido o nível de SIL (nível de integridade de segurança) desejável,  o nível de redundância e  o intervalo de teste ficam a critério de quem especificou o sistema. A IEC 61508 busca potencializar as melhorias dos PES (Programmable Electronic Safety, onde estão incluídos os PLCs, sistemas microprocessados, sistemas de controle distribuído, sensores e atuadores inteligentes, etc.) de forma a uniformizar os conceitos envolvidos. Recentemente vários padrões  sobre o desenvolvimento, projeto e manutenção de SIS foram  elaborados, onde já citamos a IEC 61508 (indústrias em geral) e vale citar também a IEC 61511, voltada as indústrias de processamento contínuo, líquidos e gases. Na prática se tem visto em muitas aplicações a especificação de equipamentos com certificação SIL para serem utilizados em sistemas de controle, e sem função de segurança. Acredita-se também que exista no mercado desinformação, levando a compra de equipamentos mais caros, desenvolvidos para funções de segurança onde na prática serão aplicados em funções de controle de processo, onde a certificação SIL não traz os benefícios esperados, dificultando inclusive a utilização e operação dos equipamentos. Além disso, esta desinformação leva os usuários a acreditarem que têm um sistema de controle seguro certificado, mas na realidade eles possuem um controlador com funções de segurança certificado. Com o crescimento do uso e aplicações com equipamentos e instrumentação digitais, é de extrema importância aos profissionais envolvidos em projetos ou no dia-a-dia da instrumentação que se capacitem e adquiram o conhecimento de como determinar a performance exigida pelos sistemas de segurança, que tenham o domínio das ferramentas de cálculos e as taxas de riscos que se encontram dentro de limites aceitáveis. Além disso, é necessário: Entender as falhas em modo comum, saber quais os tipos de falhas seguras e não seguras são possíveis em um determinado sistema, como preveni-las e mais do que isto; quando, como, onde e qual grau de redundância é mais adequado para cada caso. Definir o nível de manutenção preventiva adequado para cada aplicação. O mero uso de equipamentos modernos, sofisticados ou mesmo certificados, por si só não garante absolutamente nenhuma melhoria de confiabilidade e segurança de operação, quando comparado com tecnologias tradicionais, exceto quando o sistema é implantado com critérios e conhecimento das vantagens e das limitações inerentes a cada tipo de tecnologia disponível. Além disso, deve-se ter em mente toda a questão do ciclo de vida de um SIS. Comumente vemos acidentes relacionados a dispositivos de segurança bypassados pela operação ou durante uma manutenção. Certamente é muito difícil evitar na fase de projeto que um dispositivo destes venha a ser bypassado no futuro, mas através de um projeto criterioso e que atenda melhor às necessidades operacionais do usuário do sistema de segurança, é possível eliminar ou reduzir consideravelmente o número de bypasses não autorizados. Através do uso e aplicação de técnicas com circuitos de lógica fixas ou programáveis, tolerantes à falha e/ou de falha segura, microcomputadores e conceitos de software, hoje já se pode projetar sistemas eficientes e seguros com custos adequados a esta função. O grau de complexidade de SIS depende muito do processo considerado. Aquecedores, reatores, colunas de craquamento, caldeiras, fornos são exemplos típicos de equipamentos que exigem sistemas de intertravamento de segurança cuidadosamente projetados e implementados. O funcionamento adequado de um SIS requer condições de desempenho e diagnósticos superiores aos sistemas convencionais. A operação segura em um SIS é composta de sensores, programadores lógicos, processadores e elementos finais projetados com a finalidade de provocar a parada sempre que houver limites seguros sendo ultrapassados (por exemplo, variáveis de processos como pressão e  temperatura acima dos limites de alarme muito alto) ou mesmo impedir o funcionamento em condições não favoráveis às condições seguras de operação. Exemplos típicos de sistemas de segurança: Sistema de Shutdown de Emergência  (ESD) Sistema de Shutdown de Segurança (SSD) Sistema de intertravamento de Segurança Sistema de Fogo e Gás Veremos a seguir, em uma série de artigos, mais detalhes práticos envolvendo cálculos probabilísticos, conceitos de confiabilidade, falhas e segurança, SIS, etc. Vimos no artigo anterior, na terceira  parte, alguns detalhes sobre modelos de análises de árvores de falhas (Fault Trees), modelo de Markov e alguns cálculos. Na quarta parte veremos um pouco sobre o Processo de Verificação de SIF.   Processo de Verificação de SIF (Função Instrumentada de Segurança) Um Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) é uma das camadas críticas para a prevenção de acidentes. Um SIS realiza várias SIF's (Função Instrumentada de Segurança) e é tipicamente composto por sensores, analisadores lógicos e elementos finais de controle. Probabilidades de falha na demanda aceitáveis (chamadas de SIL -Safety Integrity Level) para cada SIF precisam ser determinadas para o projeto e posterior verificação. A análise de segurança é feita em cima dos níveis de riscos das SIFs. Um transmissor de Pressão e um Posicionador fazem parte da SIF, por exemplo. Existem diversos métodos para se identificar os SIL's necessários para as SIF's. Um deles é a análise de camadas de proteção "Layer of Protection Analysis", LOPA, uma técnica de análise de riscos que é aplicada em seguida ao uso de uma técnica qualitativa de identificação de perigos, como por exemplo, a HAZOP (Estudo de Perigos e Operabilidade). Derivada de uma ferramenta de análise quantitativa de riscos, a análise de freqüência por árvores de eventos e a LOPA podem ser descritas como técnicas semi-quantitativas, porque geram uma estimativa do risco. Os sistemas de controle são projetados para manter o processo dentro dos parâmetros de processo específicos considerados aceitáveis para a operação normal e segura da planta. Quando o processo excede o limite normal do funcionamento, pode apresentar risco potencial à vida humana, ao meio ambiente e aos ativos. Na fase de avaliação, os riscos são identificados juntamente com suas conseqüências e são definidos os meios para impedir sua ocorrência. O risco identificado terá sua probabilidade reduzida tanto quanto o sistema prover de camadas preventivas. A redução do risco estabelece três critérios: O equipamento deve ser aprovado para as condições ambientais de onde será instalado; Os subsistemas devem possuir tolerância à falha necessária em virtude das falhas perigosas apresentadas pelo processo; A Probabilidade de Falha sob Demanda (PFD) da SIF deve ser adequada aos riscos aceitáveis pela empresa. O usuário deve ter domínio das informações sobre os equipamentos, de modo que seja possível realizar uma boa análise de desempenho da SIF. As técnicas construtivas com visão de tolerância à falha dos componentes impedem que uma única falha cause a falha do dispositivo. Finalmente, o cálculo do desempenho determina se o SIS mantém as expectativas do projeto com relação ao nível de integridade desejado.  A confiabilidade do SIS é definida por alguns parâmetros: Tempo médio entre falhas (MTBF) Arquitetura de votação Cobertura dos diagnósticos (DC) Intervalo do teste (TI) Tempo médio de reparo (MTTR) Modo de falha comum Para cada SIF as seguintes informações devem ser analisadas pelo menos: O perigo e suas conseqüências A freqüência do perigo A definição do estado seguro do processo A descrição da SIF A descrição das medições do processo e seus pontos de trip A relação entre entradas e saídas, incluindo lógicas, funções matemáticas, modos de operação, etc. O SIL requirido O período dos testes de prova (proof tests) A máxima taxa de trip permitida Máximo tempo de resposta para a SIF Requisitos para ativação da SIF Requisitos para reset da SIF Resposta da SIF no caso de falha de diagnósticos Requisitos de interface humana, isto é, o que deve ser mostrado em Displays, supervisórios, etc Requisitos de manutenção Estimativa de MTTR após um trip Condições ambientais esperadas nas diversas situações: operação normal e emergência.   Seleção de Equipamentos Deve-se estar atentos na escolha de equipamentos que atuaram em sistemas de segurança. Deve-se especificar equipamentos certificados de acordo com a IEC61508 ou que atendam os critérios de "prior use" de acordo com a IEC61511. O Proven in Use (PIU) é uma característica definida pela IEC61511(clausula 11.4.4) onde se um equipamento já foi usado com sucesso em aplicações de segurança e satisfaz algumas exigências (vide a seguir), então se pode reduzir o HTF (hardware Tolerance Fault) e com isto utilizá-lo em aplicações seguras com custos bem menores Deve se considerar o sistema de qualidade do fornecedor Versão de hardware e software do equipamento A documentação de performance e aplicação em sistemas de segurança O equipamento não pode ser programado e deve permitir configuração, por exemplo, da faixa de operação O equipamento de possuir o comando de write protection ou Jumper Neste caso o SIF é SIL 3 ou menor. A grande vantagem é que se pode padronizar Equipamentos para uso em controle e Equipamentos para segurança com um custo bem menor. Através de análises de hardware, chamadas de FMEDA (Failure Modes Effects and Diagnostics Analysis) também se pode determinar as taxas de falhas e os modos dos instrumentos. Este tipo de análise é uma extensão do conhecido método FMEA, a metodologia de Análise do Tipo e Efeito de Falha, conhecida  em  inglês como  Failure Mode and Effect Analysis. Neste caso, a FMEDA identifica e calcula as taxas de falhas nas seguintes categorias: seguras detectáveis, seguras não detectáveis, perigosas detectáveis e perigosas não detectáveis. Essas taxas de falhas são usadas para calcular o fator de cobertura da segurança e o fator de risco. Uma vez calculado o nível de integridade de segurança e seus requisitos deve-se então, escolher os equipamentos, os níveis de redundância e os testes de acordo com a demanda da SIF. Após isto, de posse das informações de cada equipamento e dispositivo calcula-se através de equações, análise de árvores, modelo de Markov e outras técnicas se os equipamentos escolhidos atenderam os requisitos de segurança.   Como determinar a arquitetura? ·         A arquitetura de uma SIF é decidida pela tolerância a falha de seus componentes. Pode atingir um nível mais elevado de SIL usando-se redundância. A quantidade de equipamentos vai depender da confiabilidade de cada componente definida em seu FMEDA (Failure Modes, Effects, and Diagnostic Analysis). As três mais comuns arquiteturas são: Simplex ou votação 1oo1 (1 out of 1) Duplex ou votação 1oo2 ou 2oo2 Triplex ou votação 2oo3  A figura 1 mostra exemplos comuns de arquitetura para sistemas de segurança, onde várias técnicas são usadas de acordo com o sistema de votação e SIL desejável:   Figura 1 - Exemplos típicos de arquitetura para sistemas de segurança Para SIF's, a probabilidade da falha pode ser interpretada como a transição de um dispositivo do estado de funcionamento ao estado onde o mesmo deixa de exercer a função para qual foi especificado. Quando o dispositivo é testado, o PFD (t) é reduzido ao valor inicial. Isto envolve duas suposições implícitas: Toda a falha do dispositivo é detectada pela inspeção e pelo teste de prova. O dispositivo é reparado e retornado ao serviço em condições de novo. O efeito do teste de prova é ilustrado pela forma do dente da serra mostrada na figura 2. Como resultado, temos que o intervalo de teste é fator imperativo para determinação da classificação SIL alcançada. Figura 2- Estados de transição e PFD   Estabelecendo Intervalo de Testes Funcionais O período de tempo é um parâmetro que afeta a o PFD significativamente e, portanto o SIL É comum aumentar a freqüência de testes e com isto diminuem-se as probabilidades de falhas (ex: testes em válvulas, partial strokes) Suponha que uma SIF atenda SIL 2, mas o intervalo de testes é longo, com isto pode atender SIL 1. Da mesma forma, se tiver 2 equipamentos SIL 2 em votação e o intervalo for pequeno, pode atender SIL 3. Conclusão Em termos práticos o que se busca é a redução de falhas e conseqüentemente a redução de paradas e riscos operacionais. Busca-se o aumento da disponibilidade operacional e também em termos de processos, a minimização da variabilidade com conseqüência direta no aumento da lucratividade. Nos próximos artigos desta série veremos mais detalhes sobre SIS. Na quinta parte veremos um pouco sobre Soluções Típicas de SIF.   Referências IEC 61508 - Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems. IEC 61511-1, clause 11, " Functional safety - Safety instrumented systems for the process industry sector - Part 1: Framework, definitions, system, hardware and software requirements", 2003-01 William M. Goble, Harry Cheddie, "Safety Instrumented Systems Verification: Practical Probabilistic Calculation" ESTEVES, Marcello; RODRIGUEZ, João Aurélio V.; MACIEL, Marcos. Sistema de intertravamento de segurança, 2003. Sistemas Instrumentados de Segurança - César Cassiolato "Confiabilidade nos Sistemas de Medições e Sistemas Instrumentados de Segurança" - César Cassiolato Manual LD400-SIS Sistemas Instrumentados de Segurança - Uma visão prática - Parte 3, César Cassiolato http://www.numa.org.br/conhecimentos/conhecimentos_port/pag_conhec/FTA.htm

 

ENC: [ARTIGO TÉCNICO] SIS - Sistemas Instrumentados de Segurança - Uma visão prática - Parte 3

SIS - Sistemas Instrumentados de Segurança Uma visão prática - Parte 3 Introdução Os Sistemas de Seguranças Instrumentados (SIS) são utilizados para monitorar a condição de valores e parâmetros de uma planta dentro dos limites operacionais e quando houver condições de riscos devem gerar alarmes e colocar a planta em uma condição segura ou mesmo na condição de shutdown. As condições de segurança devem ser sempre seguidas e adotadas em plantas e as melhores práticas operacionais e de instalação são deveres dos empregadores e empregados. Vale lembrar ainda que o primeiro conceito em relação à legislação de segurança é garantir que todos os sistemas sejam instalados e operados de forma segura e o segundo é que instrumentos e alarmes envolvidos com segurança sejam operados com confiabilidade e eficiência. Os Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são os sistemas responsáveis pela segurança operacional  e que garantem a parada de emergência dentro dos limites considerados seguros, sempre que a operação ultrapassar estes limites. O objetivo principal é se evitar acidentes dentro e fora das fábricas,  como incêndios, explosões, danos aos equipamentos, proteção da produção e da propriedade e mais do que isto, evitar riscos de vidas ou danos à saúde pessoal e impactos catastróficos para a comunidade. Deve-se ter de forma clara que nenhum sistema é totalmente imune a falhas e sempre deve proporcionar mesmo em caso de falha, uma condição segura. Durante muitos anos os sistemas de segurança foram projetados de acordo com os padrões alemães (DIN V VDE 0801 e DIN V 19250)  que foram bem aceitos durante anos pela comunidade mundial de segurança e que culminou com os esforços para um padrão mundial, a IEC 61508, que serve hoje de guarda-chuva em seguranças operacionais envolvendo sistemas elétricos, eletrônicos, dispositivos programáveis para qualquer tipo de indústria. Este padrão cobre todos os sistemas de segurança que têm natureza eletromecânica. Os produtos certificados de acordo com a IEC 61508 devem tratar basicamente 3 tipos de falhas: Falhas de hardware randômicas Falhas sistemáticas Falhas de causas comuns A IEC 61508 é dividida em 7 partes das quais as 4 primeiras são mandatórias e as 3 restantes servem de guias de orientação: Part 1: General requirements Part 2: Requirements for E/E/PE safety-related systems Part 3: Software requirements Part 4: Definitions and abbreviations Part 5: Examples of methods for the determination of safety integrity levels Part 6: Guidelines on the application of IEC 61508-2 and IEC 61508-3 Part 7: Overview of techniques and  measures Este padrão trata sistematicamente todas as atividades do ciclo de vida de um SIS (Sistema Instrumentado de Segurança) e é voltado para a performance exigida do sistema, isto é, uma vez atingido o nível de SIL (nível de integridade de segurança) desejável,  o nível de redundância e  o intervalo de teste ficam a critério de quem especificou o sistema. A IEC 61508 busca potencializar as melhorias dos PES (Programmable Electronic Safety, onde estão incluídos os PLCs, sistemas microprocessados, sistemas de controle distribuído, sensores e atuadores inteligentes, etc.) de forma a uniformizar os conceitos envolvidos. Recentemente vários padrões  sobre o desenvolvimento, projeto e manutenção de SIS foram  elaborados, onde já citamos a IEC 61508 (indústrias em geral) e vale citar também a IEC 61511, voltada as indústrias de processamento contínuo, líquidos e gases. Na prática se tem visto em muitas aplicações a especificação de equipamentos com certificação SIL para serem utilizados em sistemas de controle, e sem função de segurança. Acredita-se também que exista no mercado desinformação, levando a compra de equipamentos mais caros, desenvolvidos para funções de segurança onde na prática serão aplicados em funções de controle de processo, onde a certificação SIL não traz os benefícios esperados, dificultando inclusive a utilização e operação dos equipamentos. Além disso, esta desinformação leva os usuários a acreditarem que têm um sistema de controle seguro certificado, mas na realidade eles possuem um controlador com funções de segurança certificado. Com o crescimento do uso e aplicações com equipamentos e instrumentação digitais, é de extrema importância aos profissionais envolvidos em projetos ou no dia-a-dia da instrumentação que se capacitem e adquiram o conhecimento de como determinar a performance exigida pelos sistemas de segurança, que tenham o domínio das ferramentas de cálculos e as taxas de riscos que se encontram dentro de limites aceitáveis. Além disso, é necessário: Entender as falhas em modo comum, saber quais os tipos de falhas seguras e não seguras são possíveis em um determinado sistema, como preveni-las e mais do que isto; quando, como, onde e qual grau de redundância é mais adequado para cada caso. Definir o nível de manutenção preventiva adequado para cada aplicação. O mero uso de equipamentos modernos, sofisticados ou mesmo certificados, por si só não garante absolutamente nenhuma melhoria de confiabilidade e segurança de operação, quando comparado com tecnologias tradicionais, exceto quando o sistema é implantado com critérios e conhecimento das vantagens e das limitações inerentes a cada tipo de tecnologia disponível. Além disso, deve-se ter em mente toda a questão do ciclo de vida de um SIS. Comumente vemos acidentes relacionados a dispositivos de segurança bypassados pela operação ou durante uma manutenção. Certamente é muito difícil evitar na fase de projeto que um dispositivo destes venha a ser bypassado no futuro, mas através de um projeto criterioso e que atenda melhor às necessidades operacionais do usuário do sistema de segurança, é possível eliminar ou reduzir consideravelmente o número de bypasses não autorizados. Através do uso e aplicação de técnicas com circuitos de lógica fixas ou programáveis, tolerantes à falha e/ou de falha segura, microcomputadores e conceitos de software, hoje já se pode projetar sistemas eficientes e seguros com custos adequados a esta função. O grau de complexidade de SIS depende muito do processo considerado. Aquecedores, reatores, colunas de craquamento, caldeiras, fornos são exemplos típicos de equipamentos que exigem sistemas de intertravamento de segurança cuidadosamente projetados e implementados. O funcionamento adequado de um SIS requer condições de desempenho e diagnósticos superiores aos sistemas convencionais. A operação segura em um SIS é composta de sensores, programadores lógicos, processadores e elementos finais projetados com a finalidade de provocar a parada sempre que houver limites seguros sendo ultrapassados (por exemplo, variáveis de processos como pressão e  temperatura acima dos limites de alarme muito alto) ou mesmo impedir o funcionamento em condições não favoráveis às condições seguras de operação. Exemplos típicos de sistemas de segurança: Sistema de Shutdown de Emergência  (ESD) Sistema de Shutdown de Segurança (SSD) Sistema de intertravamento de Segurança Sistema de Fogo e Gás Veremos a seguir, em uma série de artigos, mais detalhes práticos envolvendo cálculos probabilísticos, conceitos de confiabilidade, falhas e segurança, SIS, etc. Vimos no artigo anterior, na segunda parte, alguns detalhes sobre Engenharia de Confiabilidade. Veremos agora, sobre modelos usando sistemas em série e paralelo, árvores de falhas (Fault Trees), modelo de Markov e alguns cálculos.   Análise de Falhas - Árvore de Falhas (Fault Trees) Existem algumas metodologias de análises de falhas. Uma delas e bastante utilizada é a análise da árvore de falhas (Fault Tree Analysis - FTA), que visa melhorar a confiabilidade de produtos e processos através da análise sistemática de possíveis falhas e suas conseqüências, orientando na adoção de medidas corretivas ou preventivas. O diagrama da árvore de falhas mostra o relacionamento hierárquico entre os modos de falhas identificados. O processo de construção da árvore tem início com a percepção ou previsão de uma falha, que a seguir é decomposto e detalhado até eventos mais simples. Dessa forma, a análise da árvore de falhas é uma técnica top-down, pois parte de eventos gerais que são desdobrados em eventos mais específicos. A seguir é mostrado um exemplo de um diagrama FTA aplicado a uma falha em um motor de elétrico. O evento inicial, que pode ser uma falha observada ou prevista, é chamado de evento de topo, e está indicado pela seta azul. A partir desse evento são detalhadas outras falhas até chegar a eventos básicos que constituem o limite de resolução do diagrama. As falhas mostradas em amarelo compõem o limite de resolução deste diagrama. Figura 1 - Exemplo de FTA É possível adicionar ao diagrama elementos lógicos, tais como 'e' e 'ou', para melhor caracterizar os relacionamentos entre as falhas. Dessa forma é possível utilizar o diagrama para estimar a probabilidade de uma falha acontecer a partir de eventos mais específicos. O exemplo a seguir mostra uma árvore aplicada ao problema de superaquecimento em um motor elétrico utilizando elementos lógicos. Figura 2 - Exemplo de FTA usando elementos lógicos   A análise da Árvore de Falhas foi desenvolvida no início dos anos 60 pelos engenheiros da Bell Telephone Company. Símbolos Lógicos usados na FTA A realização da FTA é uma representação gráfica da inter-relação entre as falhas de equipamentos ou de operação que podem resultar em um acidente específico. Os símbolos mostrados a seguir são usados na construção da árvore para representar está inter-relação. PORTA "OU": indica que a saída do evento ocorre quando há uma entrada de qualquer tipo.     PORTA"E": indica que a saída do evento ocorre somente quando há uma entrada simultânea de todos os eventos.     PORTA DE INIBIÇÃO: indica que a saída do evento ocorre quando acontece a entrada e a condição inibidora é satisfeita.     PORTA DE RESTRIÇÃO: indica que a saída do evento ocorre quando a entrada acontece e o tempo específico de atraso ou restrição expirou.     EVENTO BÁSICO: representa a FALHA BÁSICA do equipamento ou falha do sistema que não requer outras falhas ou defeitos adicionais.     EVENTO INTERMEDIÁRIO: representa uma falha num evento resultado da interação com outras falhas que são desenvolvidas através de entradas lógicas como as acima descritas.     EVENTO NÃO DESENVOLVIDO: representa uma falha que não é examinada mais, porque a informação não está disponível ou porque suas conseqüências são insignificantes.     EVENTO EXTERNO: representa uma condição ou um evento que é suposto existir como uma condição limite do sistema para análise.     TRANSFERÊNCIAS: indica que a árvore da falhas é desenvolvida de forma adicional em outras folhas. Os símbolos de transferência são identificados através de números ou letras. Figura 3 - Símbolos Lógicos usados na FTA   Modelos de Markov Um modelo de Markov é um diagrama de estado onde se identificam os diversos estados de falha de um sistema. Os estados são ligados por arcos identificados com as taxas de falha ou as taxas de reparo que levam o sistema de um estado para outro (vide figura 4 e figura 5).. Os modelos de Markov são conhecidos também como diagramas de espaço de estados ou diagramas de estado. O espaço de estados é definido como o conjunto de todos os estados em que o sistema pode se encontrar.   Figura 4 - Exemplo de modelo de Markov Para um determinado sistema, um modelo de Markov consiste em uma lista dos estados possíveis desse sistema, os caminhos possíveis de transição entre os estados, e as taxas de falhas de tais transições. Na análise da confiabilidade das transições consistem geralmente de falhas e reparos. Ao representar um modelo de Markov graficamente, cada estado é representado como um "círculo", com setas indicando os caminhos de transição entre os estados, como mostrado na figura 4. O método de Markov é uma técnica útil para modelar a confiabilidade de sistemas nos quais as falhas são estatisticamente independentes e as taxas de falha e reparo são constantes. Entende-se como estado de um componente o conjunto de possíveis valores que seus parâmetros podem assumir. Estes parâmetros são chamados variáveis de estado e descrevem a condição do componente. O espaço de estados é o conjunto de todos estados que um componente pode apresentar. O modelo de Markov de um verdadeiro sistema geralmente inclui um "full-up" do estado (ou seja, o estado com todos os elementos operacionais) e um conjunto de estados intermediários que representam uma condição de falha parcial, levando ao estado totalmente em falha, ou seja, o estado em que o sistema é incapaz de desempenhar a sua função de projeto. O modelo pode incluir caminhos de reparação de transição, bem como os caminhos de transição de falha. Em geral, cada caminho de transição entre dois estados reduz a probabilidade do estado que ele está partindo, e aumenta a probabilidade do estado em que está entrando, a uma taxa igual ao parâmetro de transição multiplicada pela probabilidade atual do estado de origem. O fluxo de probabilidade total em um determinado estado é a soma de todas as taxas de transição para esse estado, cada um multiplicado pela probabilidade do estado na origem dessa transição. A saída de fluxo probabilidade de um dado estado é a soma de todas as transições que saem do estado multiplicado pela probabilidade daquele determinado estado. Para ilustrar, os fluxos de entrada e saída típica de um estado e de estados vizinhos estão representados na Figura 4. Neste modelo todas as falhas são classificadas como falhas perigosas ou como falhas seguras. Uma falha perigosa é aquela que põe o sistema de segurança em um estado em que ele não estará disponível para parar o processo se isto vier a ser necessário. Uma falha segura é aquela que leva o sistema a parar o processo em uma situação onde não existe perigo. A falha segura é normalmente chamada de "trip" falso ou espúrio. Os modelos de Markov incluem fatores de cobertura de diagnóstico para todos os componentes e taxas de reparos. Os modelos consideram que as falhas que não forem detectadas serão diagnosticadas e reparadas por testes de prova periódicos (proof tests). Os modelos de Markov incluem ainda taxas de falhas associadas a falhas funcionais e falhas comuns de hardware. A modelagem do sistema deve incluir todos os tipos possíveis de falhas e estas podem ser agrupadas em duas categorias: 1.      Falhas físicas 2.      Falhas funcionais As falhas físicas são as que ocorrem quando a função desempenhada por um módulo, um componente, etc., apresenta um desvio em relação à função especificada devido à degradação física. As falhas físicas podem ser falhas por envelhecimento natural ou falhas provocadas pelo ambiente. Para se utilizar às falhas físicas nos modelos de Markov deve-se determinar a causa das falhas e seus efeitos nos módulos, etc. As falhas físicas devem ser categorizadas como falhas dependentes ou independentes. Falhas independentes são aquelas que nunca afetam mais do que um módulo, enquanto que as falhas dependentes podem vir a causar a falha de vários módulos. As falhas funcionais são as que ocorrem quando o equipamento físico está em operação embora sem capacidade de desempenhar a função especificada devido a uma deficiência funcional ou a um erro humano. Exemplos de falhas funcionais são: erros de projeto do sistema de segurança, de software, na ligação do hardware, erros de interação humana e erros de projeto do hardware. Nos modelos de Markov as falhas funcionais são separadas em falhas seguras e em falhas perigosas. Supõe-se que uma falha funcional segura resultará em um trip espúrio. De modo similar, uma falha funcional perigosa resultará em um estado de falha-para-atuar, isto é, aquela que o sistema não estará disponível para parar o processo. A avaliação da taxa de falha funcional deve levar em consideração muitas causas possíveis, como por exemplo: 1.      Erros de projeto do sistema de segurança Aqui se incluem erros de especificação lógica do sistema de segurança, escolha de arquitetura inadequada para o sistema, seleção incorreta de sensores e atuadores, erros no projeto da interface entre os PLCs e os sensores e atuadores. 2.      Erros de implementação do hardware Esses erros incluem erros na ligação dos sensores e dos atuadores aos PLCs. A probabilidade de erro cresce com a redundância de E/S se o usuário tiver que ligar cada sensor e cada atuador a vários terminais de E/S. A utilização de sensores e atuadores redundantes também acarretará em uma maior probabilidade de erros de ligação. 3.      Erros de software Esses erros incluem os erros em softwares desenvolvidos tanto pelo fornecedor quanto pelo usuário. Os softwares de fornecedores tipicamente incluem o sistema operacional, as rotinas de E/S, funções aplicativas e linguagens de operação. Os erros de software do fornecedor podem ser minimizados ao se assegurar um bom projeto de software e a observância dos procedimentos de codificação e testes. A realização de testes independentes por outras organizações também pode ser muito útil. Os erros de software desenvolvidos pelo usuário incluem erros no programa aplicativo, diagnósticos e rotinas de interface do usuário (displays, etc.). Engenheiros especializados em software de sistemas de segurança podem ajudar a minimizar os erros de software do usuário. Deve-se também realizar testes exaustivos dos softwares. 4.      Erros de interação humana Aqui se incluem os erros de projeto e de operação da interface homem-máquina do sistema de segurança, os erros cometidos durante testes periódicos do sistema de segurança e durante a manutenção de módulos defeituosos do sistema de segurança. Os erros de manutenção podem ser reduzidos através de um bom diagnóstico do sistema de segurança que identifique o módulo defeituoso e que inclua indicadores de falha nos módulos defeituosos. Vale lembrar aqui que não existe um diagnóstico perfeito ou a prova de falhas. 5.      Erros de projeto do hardware Entre esses erros, incluem-se os erros do projeto de fabricação dos PLCs, sensores e atuadores, bem como os erros do usuário na interface entre o sistema de segurança e o processo. Em configurações redundantes de PLCs, sensores e elementos de atuação, algumas falhas funcionais podem ser reduzidas através da utilização de diversos hardwares e/ ou softwares. As falhas dependentes devem ser modeladas de modo diferente, já que é possível que ocorram falhas múltiplas simultaneamente. Do ponto de vista da modelagem, as falhas dependentes dominantes são falhas de causa comum. As falhas de causa comum são o resultado direto de uma causa básica comum. Um exemplo disso é a interferência de rádio freqüência que causa a falha simultânea de módulos múltiplos. A análise desse tipo de falhas é bastante complexa e exige um profundo conhecimento do Sistema, tanto em nível de hardware e de software quanto do próprio ambiente. Figura 5 - Exemplo de modelo de Markov em sistema redundante Certamente com equipamentos e ferramentas certificadas de acordo com o padrão IEC 61508 se tem o conhecimento das taxas de falhas dos produtos facilitando cálculos e arquiteturas de segurança.   Conclusão Em termos práticos o que se busca é a redução de falhas e conseqüentemente a redução de paradas e riscos operacionais. Busca-se o aumento da disponibilidade operacional e também em termos de processos, a minimização da variabilidade com conseqüência direta no aumento da lucratividade. Nos próximos artigos desta série veremos mais detalhes sobre SIS. Na quarta parte veremos um pouco sobre o Processo de Verificação de SIF.  Referências IEC 61508 - Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems. IEC 61511-1, clause 11, " Functional safety - Safety instrumented systems for the process industry sector - Part 1: Framework, definitions, system, hardware and software requirements", 2003-01 William M. Goble, Harry Cheddie, "Safety Instrumented Systems Verification: Practical Probabilistic Calculation" ESTEVES, Marcello; RODRIGUEZ, João Aurélio V.; MACIEL, Marcos. Sistema de intertravamento de segurança, 2003. Sistemas Instrumentados de Segurança - César Cassiolato "Confiabilidade nos Sistemas de Medições e Sistemas Instrumentados de Segurança" - César Cassiolato Manual LD400-SIS Sistemas Instrumentados de Segurança - Uma visão prática - Parte 2, César Cassiolato http://www.numa.org.br/conhecimentos/conhecimentos_port/pag_conhec/FTA.htm

 

ENC: [ARTIGO TÉCNICO] HPC401 - Configurador Portátil HART: Simples e Fácil

HPC401 - Configurador Portátil HART: Simples e Fácil Introdução Quando falamos em protocolos digitais abertos, um dos tópicos mais importantes para o sucesso do interfaceamento entre os equipamentos de campo e as atividades do dia-a-dia dos usuários são as ferramentas de configuração, calibração e manutenção. Este artigo nos traz detalhes de um configurador para a linha HART®, muito fácil de se utilizar e que tem várias vantagens, principalmente em relação ao custo/benefício, além de sua atualização gratuita via Internet.   Simples e fácil, desde sua concepção até a sua utilização   Hoje em dia os usuários devem estar atentos às ferramentas que possam facilmente simplificar suas tarefas diárias com eficiência, mas que também tenham facilidades de atualizações, de expansibilidade e que possa além de suas funções primárias, possibilitar outras funções. Figura 1 - HPC401 - Configurador Portátil HART Foi com esta preocupação que a SMAR desenvolveu seu programador de mão HART®, o HPC401, de uso intuitivo, sem necessidade de treinamento e que é uma poderosa ferramenta de configuração, monitoração e manutenção de equipamentos da linha HART®. Traz os mais diversos recursos do PC para um Hand Held. Através do HPC401, muito facilmente se transforma um PALM em uma ferramenta completa para a rede HART®, assim como os instrumentos. Pode-se configurar equipamentos dos mais diversos fabricantes, testar e ajustar a parametrização da rede e dos instrumentos diretamente de qualquer ponto da planta e no campo.O HPC permite a sincronização com os arquivos de dados e configuração no PC acrescentando segurança necessária no gerenciamento de modo eficaz da rede HART®. Figura 2 - HPC401 - Configurador Portátil HART em plataforma Palm O HPC usa a mais avançada plataforma do sistema operacional Palm com uma série de vantagens: Simples e leve; Fácil atualização e sincronização via PC, via USB; Baseado em I.T. Tela colorida ou monocromática; Interface gráfica "Windows like"; Touch screen; Várias linguagens: português, inglês, alemão. Todos os equipamentos são integrados na mesma interface, de diversos fabricantes, sem a necessidade de treinamento específico, com funções de parametrização, diagnósticos e manutenção; As operações são protegidas com passwords garantindo  alto nível de segurança operacional; Help online com um simples click; O software é baseado em DDL ( descrição do dispositivo) e, portanto, permite acesso a todos os menus e parâmetros como projetado pelo fabricante. HPCLogger: Este software permite o registro de valores de variáveis do dispositivo ao longo do tempo. Uma vasta gama de variáveis pode ser registrada automaticamente em um tempo de amostragem selecionáveis pelo usuário, ou manualmente, uma a uma. Esses logs podem ser salvos e transferidos para um PC para posterior análise. HPCGraph: Esta aplicação permite uma visualização gráfica das variáveis, o que pode ser feito em várias cores para fácil identificação.   Figura 3 - HPC401 - Exemplos de telas   Figura 4 - HPC401 - Exemplos de telas de monitoração e gráfica Suporta todos os equipamentos HART® em termos de Comandos Universais; Suporta todos os equipamentos SMAR com funcionalidade total; Suporta os equipamentos dos principais fabricantes HART® com funcionalidade total; Atualização sem custos via Internet, permitindo que o usuário sempre que quiser possa manter a ferramenta com a última versão do aplicativo e de equipamentos, sendo a vantagem principal em termos dos outros configuradores do mercado; Além do configurador HART® o Palm pode ser utilizado em toda sua funcionalidade usual como agenda, emails, calculadora, rodar outros aplicativos etc. A figura 5 mostra os principais comandos suportados pelo HPC:   Figura 5 - Comandos HART para os mais diversos equipamentos   Vantagens para os usuários O seu uso simples e a interface amigável permitem uma série de vantagens: Gerenciamento da configuração; Configuração offline e online; Salvamento das configurações; Programador de fácil transporte, podendo estar com o usuário no dia-a-dia, permitindo atuações a qualquer instante em qualquer ponto da rede HART® ( fig.6); Figura 6 -  Uso simples em qualquer ponto da rede HART Monitoração e diagnósticos facilitando a manutenção (fig. 7);   Figura 7 - Exemplo de condição de monitoração e status dos equipamentos HART   Completa informação dos equipamentos(fig. 8); Figura 8 -  Completa informação dos equipamentos   loop test (fig. 9) facilitando comissionamento e startups;   Figura 9 - Teste de corrente de malha   Operações pontuais ou multidrop;   Figura 10 - Instalação típica multidrop e o uso do configurador portátil HART Conclusão A tendência natural tecnológica é o aperfeiçoamento das ferramentas de configuração e manutenção, principalmente os configuradores de mão portáteis, buscando explorar ao máximo seus pontos positivos. O HPC401 facilita o gerenciamento e manutenção de instrumentos inteligentes, mostrando como o protocolo HART® contribui para aumentar a disponibilidade da planta e os níveis de segurança operacional, além de reduzir custos de manutenção, sem abrir mão das suas características de simplicidade de uso e em relação à plataforma Palm. Tire vantagens das soluções SMAR. A SMAR sempre vai além: www.smar.com.br   Referências www.smarresearch.com; http://www.smarresearch.com/hpc401Plus.htm Material de treinamento HART® - SMAR, César Cassiolato; www.smar.com.br Manuais de equipamentos HART® SMAR. http://www.smar.com/PDFs/ApplicationNotes/AppNotes_HART.pdf CASSIOLATO, César , O protocolo digital HART®, Revista Mecatrônica Atual, Edição nº 43, 2009 CASSIOLATO, César , O protocolo digital HART®, Revista Controle & Instrumentação, Edição nº 82, 2003 CASSIOLATO, César , Libertando o poder do HART® e proporcioando benefícios aos usuários, Revista Controle & Instrumentação, Edição nº 86, 2003 CASSIOLATO, César ,Libertando o poder do HART® e proporcioando benefícios aos usuários, Revista Mecatrônica Atual Edição nº 44, 2010