Tesislerdeki Proseslerde Fonksiyonel Güvenlik Nasıl Sağlanır?

Bu yazımızda tesislerde proseslerde fonksiyonel güvenlik için temel gereksinimler işlenecektir. Potansiyel tehlikelerin belirlenmesi ve ortaya çıkan risklerin değerlendirilmesi yöntemlerine aşina olunması amaçlanmıştır. Proses kontrol mühendisliği yoluyla tesislerin korunmasına yönelik yöntemler ve tasarım kavramları öğrenilecektir. Kontrollerin birbirine kenetlenmesi için gereken temel mantık işlemleri öğrenilecektir.

Konuyla ilgili Kısaca Teorik Bilgi

Modern üretim tesislerinde, teknik süreçleri kontrol etmek ve korumak için proses değişkenleri kullanılır. Bu değişkenler için izin verilen ve izin verilmeyen aralıklar, verilen teknik kısıtlamalara göre tanımlanır. Genel tesisin durumu, tüm proses değerlerinin mevcut değerlerinden kaynaklanmaktadır. Fonksiyonel güvenliğin amacı, tesisin izin verilmeyen bir duruma girmesini önlemektir. Bu amaçla, uygun kilitleme mekanizmaları kurulur. Kilitlemelerin amacı, izin verilmeyen arıza durumlarına yol açabilecek sinyal kombinasyonlarını, sinyal dizilerini ve sinyallerin karakteristiklerini zamanın bir fonksiyonu olarak önlemektir.

Bu, güvenlik enstrümanlı sistemler olarak adlandırılan süreç kontrol mühendisliği aracılığıyla yapılabilir. Arıza durumlarının oluşması engellenir veya alınan tüm önlemlere rağmen izin verilmeyen bir arıza durumu oluşmuşsa zararı sınırlandırlır. Uygun kilitleme mekanizmalarını tasarlamak için tesis için bir güvenlik konsepti geliştirilmelidir. Bu görev, kimyasal ve proses ve tesisle ilgili kısıtlamalar hakkında kesin bilgi gerektirir. Bu nedenle güvenlik konsepti, disiplinler arası bir ekip tarafından HAZOP veya PAAG analizi kullanılarak geliştirilmiştir.

Bir süreç kontrol sistemindeki mekanizmaların teknik uygulaması, mümkün olduğunca basit, doğrudan etkili ve anlaşılır olacak şekilde tasarlanmalıdır. Bu nedenle pratikte tekrarlayan standart koruma devrelerine sıklıkla başvurulur. Dört kategoriye ayrılabilirler:

Kombinasyon devreleri, ilgili proses sinyallerinin doğrudan kombinasyonu yoluyla anahtarlama koşulları oluşturmak için kullanılır. Bu amaçla giriş sinyalleri AND, OR ve NOT mantıksal işlemleriyle birleştirilir. Böyle bir kombinasyon devresinin çıkış sinyalinin durumu böylece herhangi bir zamanda giriş sinyallerinin durumları aracılığıyla tanımlanabilir.

Önceliklendirme devreleri, belirli sinyallere diğer sinyallere göre öncelik verilmesine izin verir. Bu, genellikle çalıştırma modu seçiminin yanı sıra başlatma ve durdurma işlevleri için gereklidir. Önceliklendirme devreleri genellikle kombinasyon devreleri kullanılarak uygulanır.

Kilitleme devreleri, farklı hareket eden sinyallerin aynı anda ayarlanmasını önler. Birkaç kontrol sinyali için belirli bir dizi gerekiyorsa, buna dizi kilidi denir. Kilitler, birbirine bağlı RS flip-flop kullanılarak uygulanır.

Zamanlama davranışına sahip devreler, gecikmeli açma/kapama, minimum veya maksimum çalışma süresinin tanımlanması ve belirli bir yanıt süresi gerektiren güvenlik fonksiyonlarının uygulanmasına izin verir. Bu tür işlevleri uygulamak için önceden birleştirilmiş çeşitli zamanlayıcı blokları mevcuttur.

Süreç değişkenleri Nasıl Belirlenir?

Üretim tesisleri, maddi mallar üretmek için kullanılır. Bu amaçla hacim, kütle, sıcaklık ve akış gibi fiziksel değişkenlerle tanımlanabilen malzeme ve enerji akışlarını kontrol eder ve izlerler. Proses ve tesisle ilgili kısıtlamalara dayalı olarak, teknik prosesle ilgili ve ölçülebilir fiziksel değişkenler tanımlanır ve belirtilir. Bu değişkenlere süreç değişkenleri denir.

Proses değişkenleri, teknik prosesleri kontrol etmek veya korumak için kullanılır. Her proses değişkeni için amaçlanan aralıklar (Tamam aralığı(OK Range)), kimyasal ve proses ve tesisle ilgili kısıtlamalara göre belirlenir. Ek olarak, OK aralığının dışında, daha fazla çalışma için güvenlikle ilgili kısıtlamaların bulunmadığı aralıklar (izin verilen hata aralığı) tanımlanır. Bir proses değişkeni bu aralıkların dışındaysa, doğrudan bedensel yaralanma veya çevresel hasarla sonuçlanan istenmeyen olaylar beklenmelidir (izin verilmeyen hata aralığı).

Proses değişkenlerinin değerleri, proses kontrol mühendisliği vasıtasıyla elde edilir ve değerlendirilir. Tesisin mevcut durumu bundan belirlenir. Üç temel durum ayırt edilir:

– OK durumu(Tamam durumu): Tüm proses değişkenlerinin değerleri ilgili Tamam aralığındadır(OK Range)ve tesisten başka bir yerde tehlike bulunmaz.

– İzin verilen hata durumu: Bir veya daha fazla işlem değişkeninin değerleri, ilgili izin verilen hata aralığındadır. Tesisin başka bir yerinde herhangi bir tehlike bulunmaz.

– İzin verilmeyen arıza durumu: Bir veya daha fazla proses değişkeninin değerleri ilgili izin verilmeyen arıza aralığında veya tesisten başka bir yerde bir tehlike bulunur. İzin verilmeyen arıza durumları, insanların risk altında olduğu, çevrenin zarar gördüğü, teknik ekipmanların bozulduğu veya üretim sonuçlarının bozulacağı durumlarda her zaman mevcuttur. Bu durumda, bu olaylardan herhangi birinin meydana gelme olasılığının yeterince yüksek olması yeterlidir. [1].

Proseslerede Fonksiyonel Güvenlik Nasıl Sağlanır?

Fonksiyonel güvenlik, genel olarak proses tesisinin arıza durumlarına karşı korunmasını ifade eder [1]. Proses tesislerinde birçok proses ve durum için, zararla sonuçlanan belirli olaylar meydana gelebilir. Bir zararın meydana gelme sıklığı ile zararın kapsamının birleşimi, ilgili süreç veya durumun riski olarak adlandırılır. Fonksiyonel güvenliğin amacı, kalan riskin tanımlanabilecek kabul edilebilir bir riskin altında olduğu ölçüde mevcut riskleri azaltan güvenlik önlemleri almaktır [2].

‘Kontrol modülü işlevleri’ bölümünde açıklanan kilitleme mekanizmaları, tesisi veya tesis birimlerini cihazla ilgili arıza durumlarından korur. Bunlar, cihazların kendi arızalarından veya cihazın izin verilen çalışma aralığı dışında çalıştırılmasından kaynaklanan tüm arıza durumlarını içerir (örneğin, tespit edilmeyen kuru çalışma nedeniyle bir pompanın aşırı ısınması). Bu arıza durumları cihaza özeldir ve proses ve tesisle ilgili kısıtlamalardan bağımsız olarak tespit edilebilir.

Doğası gereği, incelenen kilitleme mekanizmaları prosesle ilgili arıza durumlarına (örneğin bir pompanın kuru çalışması) karşı bağımsız olarak koruma sağlayamaz. Bunun nedeni, proses ve tesisle ilgili olaylara bağlı olmalarıdır (örneğin, minimum bir tank seviyesinin altına düşmek, pompanın kuru çalışmasına neden olur). Bu nedenle, prosesle ilgili uygun kilitlemeler uygulanarak tesisler korunmalıdır. Bunlar genellikle kontrol modülü işlevlerinin kilitleme mekanizmalarını kullanır ve genişletir (bkz. ‘Kontrol modülü işlevleri’ bölümü). Bunun için planlanan tesis işletiminin tüm modları dikkate alınmalıdır.

Planlanan operasyon, tesisin teknik amacına göre tasarlandığı ve tasarlandığı operasyonu ifade eder . Bu genellikle aşağıdaki çalışma modlarını içerir:

–  Normal operasyon

– Başlatma ve kapatma işlemi

– Devreye alma ve devreden çıkarma

–  Test modu

– Muayene, bakım ve onarım faaliyetleri

Bunun için öncelikle disiplinler arası bir ekip içinde tesis için bir güvenlik konsepti geliştirilir. Ekip, tehlikelere yol açabilecek tehlike potansiyellerini ve hataları sistematik olarak tanımlar. Tehlike analizi için yerleşik yöntemler kullanılır, örneğin PAAG yöntemi [3].

Belirlenen tehlikelerden kaynaklanan riskler daha sonra değerlendirilmelidir. Kapsanacak riskin aşamalı değerlendirmesi için farklı yöntemler mevcuttur, örneğin ALARP yöntemi, LOPA yöntemi ve [2]’de belirtilen risk grafiği yöntemi. Bir tehlikenin başlangıçtaki riski, belirtilen kabul edilebilir riskten daha büyükse, riski buna göre azaltan güvenlik önlemleri alınmalıdır.

Proses Kontrol Mühendisliği Aracılığıyla Fonksiyonel Güvenlik Nasıl Sağlanır?

Genel olarak, işlevsel güvenlik için proses kontrol mühendisliği araçlarına dayanmayan güvenlik cihazlarının kullanılması tercih edilir. Bununla birlikte, çoğu zaman, tesisin boyutu veya karmaşıklığı nedeniyle, bu tür cihazların kullanımı ya yetersizdir ya da teknik olarak mümkün değildir. Karşılık gelen çözüm ekonomik olarak da mümkün olmayabilir. Bu durumda, güvenlik fonksiyonları proses kontrol mühendisliği aracılığıyla gerçekleştirilir. Bu nedenle, iki tür proses kontrol sistemi arasında ayrım yapıyoruz:

Temel proses kontrol sistemleri (BPCS), üretim için gerekli otomasyon fonksiyonlarını uygular ve böylece tesisin kendi OK aralığında istendiği gibi çalışmasına da hizmet eder [2]. Proses kontrol izleme cihazları, bir veya daha fazla proses değişkeni OK aralığından çıkarsa tepki verir. İzin verilen hata durumlarını bildirirler veya süreç değişkenlerini OK aralığına geri döndürmek için otomatik olarak adımlar atarlar. Fonksiyonel güvenlik açısından, temel proses kontrol sistemlerine herhangi bir gereklilik getirilmemiştir.

Güvenlik enstrümanlı sistemler (SIS), tanımlanmış tehlike potansiyellerinin riskini azaltmaya hizmet eder. Bunu ya bir olayı engelleyerek ya da zararı sınırlayacak şekilde hareket ederek yaparlar. Güvenlik enstrümanlı sistemlerin amacı, ilk etapta tesiste izin verilmeyen bir arıza durumunun oluşmasını önlemektir. İstenmeyen bir olayın meydana gelme olasılığını azaltırlar, böylece bu olayla bağlantılı riski azaltırlar. Hasar sınırlayıcı güvenlik enstrümanlı sistemler ise istenmeyen bir olayın meydana gelmesinden sonra zararın boyutunu azaltmayı ve dolayısıyla ilişkili riski azaltmayı amaçlar. Bu tür kontrol sistemleri çok nadiren kullanılır.

Şekil 1, işlevsel güvenlik çerçevesinde proses kontrol sistemlerinin temel işleyiş biçimini göstermektedir. Eğri 1, süreçle ilgili nedenlerle izin verilmeyen hata aralığına ulaşamayan bir süreç değişkenini gösterir. Bu nedenle burada bir proses kontrol izleme cihazı yeterlidir. Eğri 2’de ise izin verilmeyen arıza aralığı sınırının aşılması mümkündür. Ancak proses dışı bir kontrol güvenlik cihazı mevcut olduğundan, bu durumda bir proses kontrol izleme cihazı da yeterlidir. Eğri 3’te tesisin böyle bir koruması yoktur. Bu nedenle, proses değişkeninin izin verilmeyen hata aralığına ulaşmasını önlemek için güvenlik enstrümanlı bir sistem kullanılır.

Bir tesisin proses kontrol sistemleri için, temel bir proses kontrol fonksiyonu mu yoksa güvenlik enstrümanlı bir fonksiyon mu uyguladıkları açıkça tanımlanmalıdır. Bu farklılaşma, planlamayı, kurulumu ve işletimi ve aynı zamanda süreç kontrol sistemlerinin müteakip değişimini kolaylaştırır.

Güvenlik enstrümanlı sistemlerin işlevleri çok nadiren gerekli olduğundan, bileşenleri bazen ekonomik nedenlerle temel proses kontrol sistemleri tarafından da kullanılabilir. Bu durumda, güvenlik enstrümanlı işlevi tetikleyen sinyaller her zaman temel proses kontrol sisteminin sinyallerinden önce gelmelidir.

Güvenlik enstrümanlı işlevleri uygulamak için mümkün olduğunca basit, anlaşılır ve doğrudan etkili önlemler kullanılmalıdır. Kullanılan süreç değişkenlerini basit ve kanıtlanmış yöntemlerle doğrudan elde etmek mümkün olmalıdır. Kontrol tasarımının kendisinin nispeten düşük karmaşıklık ile karakterize edildiğini takip eder.

Fonksiyonel Güvenlik için Standart Koruma Devreleri Nelerdir?

Proses kontrol mühendisliği kaynakları ile güvenlik enstrümanlı sistemlerin amacı, genellikle, izin verilmeyen proses durumlarını önleyecek şekilde belirli sinyal kombinasyonlarını, sinyal dizilerini, zamanın bir fonksiyonu olarak sinyal karakteristiklerini veya sinyallerin önceliklerini kontrol etmektir. Kullanıcı bu işlevleri tekrarlayan standart koruma devreleri ile gerçekleştirir. En önemli standart koruma devreleri aşağıda sunulmuştur.

Kombinasyon Devreleri Nasıl Çalışır?

Çoğu durumda, belirli kontrol sinyallerine yalnızca işlem belirli bir durumdaysa izin verilir. Bu durum, karşılık gelen işlem sinyallerinin bir kombinasyonu olarak tanımlanabilir. Bir anahtarlama koşulu oluşturmak üzere bireysel sinyalleri birleştirmek için basit kombinasyon devreleri kullanılabilir. Bir dizi giriş sinyalinin durumu aracılığıyla herhangi bir zamanda bir çıkış sinyalinin durumunu belirleme yeteneğine sahiptirler. Bu amaçla, giriş sinyalleri mantıksal olarak AND, OR ve NOT mantıksal işlemleriyle birleştirilir. Kombinasyon devrelerinin kendileri durumsuzdur, yani depolama özelliklerine sahip değildirler.

Giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki ilişki, bir fonksiyon tablosu ile tamamen açıklanabilir. Karşılık gelen mantık işlevi her zaman (en az) iki standartlaştırılmış biçimde temsil edilir.

Ayırıcı normal biçim (DNF) Bu gösterimde, kullanıcı ilk önce çıkış sinyalinin ayarlanacağı girişlerin tüm kombinasyonlarını tanımlar (A = 1 olan fonksiyon tablosunun tüm satırları). Bu kombinasyonlar, giriş sinyallerinin VE işlemleri olarak temsil edilir. Bu VE işlemlerinin çıktıları daha sonra bir VEYA işlemi aracılığıyla birbirine bağlanır. Sonuç olarak, konumlanmış kombinasyonlardan biri gerçekleşir gerçekleşmez çıktı ayarlanır.

Konjonktif normal form (KNF): Bu gösterimde, kullanıcı ilk önce çıkış sinyalinin ayarlanmayacağı tüm giriş kombinasyonlarını tanımlar (A = 0 olan fonksiyon tablosunun tüm satırları). Bu kombinasyonlar ters çevrilir ve giriş sinyallerinin VEYA işlemleri olarak temsil edilir. Kullanıcı bu VEYA işlemlerinin çıktılarını VE işlemi aracılığıyla birbirine bağlar. Yerleştirilmiş kombinasyonların ters çevrilmesi, çıktının yalnızca bu kombinasyonlardan hiçbiri meydana gelmediğinde ayarlanmasını sağlar.

Şekil 2, üç giriş sinyali ve ayırıcı ve birleşik normal formlarda karşılık gelen kombinasyon devrelerine sahip bir fonksiyon tablosu örneğini göstermektedir.

Önceliklendirme Devreleri Nasıl Çalışır?

Güvenlik işlevleri her zaman operatör kontrolü ve izleme işlevlerinden önce gelmelidir. Bu durumda, birden fazla kontrol sinyali, bir çalıştırma sinyalinin davranışını kontrol eder. Bu nedenle, kontrol sinyalleri buna göre önceliklendirilmelidir. Çoğu durumda, önceliklendirme statiktir ve bir kombinasyon devresi kullanılarak uygulanır.

Mandallama Devreleri Nasıl Çalışır?

Bir çıktı durumunun koşullarını yalnızca girişlerin mevcut durumuyla temsil etmek her zaman mümkün değildir. Örneğin, çıkış sinyali Q, giriş sinyali I1 tarafından ayarlanacak ve başka bir giriş sinyali I2 tarafından sıfırlanacaksa, bu artık kombinasyonel olarak gösterilemez. Q, I1 sıfırlandığında da ayarlanmış kalmalıdır. Yalnızca I2 ayarlandığında sıfırlanacak O olur. Bu, I2’nin etkisini, I1’in önceden ayarlanmış olup olmadığına ve dolayısıyla sistemin mevcut Out durumuna bağlı hale getirir. Bu durum devrede saklanmalıdır. Bu kilitleme devrelerine sıralı devreler de denir. Out durumunun saklanması, sıfırlanmış bir iki duraklılık (RS iki duraklılık) kullanılarak gerçekleştirilebilir.

Şekil 3’te gösterildiği gibi, böyle bir devrenin iki girişi vardır: bir giriş (S) ayarı için bir giriş ve çıkışı sıfırlamak (R) için bir giriş. Her iki giriş de ayarlandığında çıkışın nasıl değiştirileceğini tanımlamak burada önemlidir. RS flip-flop uygulamasına bağlı olarak, ayar veya sıfırlama baskındır (bkz. Şekil 3).

Kilitleme Devreleri Nasıl Çalışır?

Çoğu zaman, belirli kontrol sinyallerinin aynı anda ayarlanmamasına dikkat edilmelidir. Örneğin, iki dönüş yönüne sahip bir elektrik motoru, ileri ve geri çalışacak şekilde aynı anda çalıştırılmamalıdır. İki sinyal F (ileri) ve R (geri) karşılıklı olarak kilitlenmelidir.

Birbirine bağlı iki RS flip-flop kullanılarak bir kilitleme gerçekleştirilir. İki ara bağlantı olasılığı mevcuttur. Kilitleme, ayarlanan girişler veya sıfırlama girişleri aracılığıyla gerçekleşir. Her iki değişken de Şekil 4’te gösterilmektedir. Sıfırlama girişi aracılığıyla kilitlemenin yalnızca sıfırlama girişi baskın olduğunda çalıştığını unutmayın.

Bazı durumlarda, belirli kontrol sinyallerinin ayarlanabileceği sıra da belirtilmelidir. Bu durumda bir dizi kilidi uygulanır. Bu, parmak arası terliklerin birbirine sokulmasıyla da uygulanabilir. Koordine edilecek adımlar kadar RS flip-flop lara ihtiyaç vardır. Şekil 5, iki sinyal için bir dizi kilidini göstermektedir.

Burada, bu devrelerde sinyal dizilerinin değil, yalnızca aktivasyon dizilerinin uygulandığına dikkat edin. O2’nin ayarlanması O1’in sıfırlanmasına neden olmaz. Sıfırlama girişi aracılığıyla bir kilitleme olması durumunda, O1 sıfırlandığında O2 de otomatik olarak sıfırlanır.

Zamanlama Davranışı Olan Devreler Nasıl Çalışır?

Zamanlama davranışına sahip devreler, bir veya daha fazla olayın meydana gelmesinden bu yana geçen süreyi de hesaba katar. Bu ilke, örnek olarak iki el kilidi kullanılarak aşağıda açıklanmıştır. Bu kilidin amacı, pres gibi bir makineyi çalıştırırken işçilerin yaralanmasını önlemektir. Yalnızca iki düğmenin aynı anda çalıştırılmasıyla serbest bırakılabilir, bu da işçinin hala bir elinin makinenin tehlike bölgesinde olmasını engeller. Bu görev, bir kombinasyon devresi kullanılarak da çözülebilir. Ancak bir düğmenin yapışkan bantla kalıcı olarak sabitlenmesini önlemek için, her iki düğmeye de sabit bir süre içinde basıldığından emin olunmalıdır. Bu amaçla, çıkış sinyalini belirli bir süre için ayarlayan ve ardından ayarlanan giriş sinyalinin süre süresinden bağımsız olarak otomatik olarak sıfırlayan darbe elemanları kullanılır. Yalnızca girişin durum değişikliği (sıfırlamadan ayara) çıkış sinyalinin sıfırlanmasını sağlar. Şekil 6, bir darbe elemanının işlev simgesini ve anahtarlama davranışını gösterir.

Çift yönlü kilitleme için karşılık gelen devre Şekil 7’de gösterilmiştir. Butonlardan biri etkinleştirilirse, darbe elemanının çıkışı T süresi için ayarlanır. Çıkış ayarlanırken ikinci düğme daha sonra etkinleştirilirse, tüm koşullar AND öğesi karşılanır ve O çıkışı ayarlanır. Darbe elemanı, O çıkışı ile VEYA işlemi aracılığıyla baypas edilir

Zamanlama elemanları, diğer birçok güvenlik işlevi için de kullanılır. Örneğin, açık kapıların belirli bir süre sonra otomatik olarak kapandığı emniyet kapısı kontrolleri ve boş bir başlatma girişiminden sonra sürücü kurtarma için bir dinlenme süresinin zorunlu olduğu motor başlatma kontrolleri için kullanılırlar.

Kaynakça:

https://new.siemens.com/global/en/company/sustainability/education/sce/learning-training-documents.html

Hazırlayan: Mehmet Berat Şen

linkedin.com/in/mehmet-berat-şen-583108167

KURSLARIMIZ

BLOG KATEGORİLERİ

SON YAZILAR

Mesajınız için teşekkür ederiz. Size en kısa sürede ulaşacağız.
Mesajınızı gönderirken bir hata oluştu. Lütfen tekrar deneyin.

İletişim Bilgilerinizi Bırakın Biz Sizi Arayalım!

Sizin memnuniyetiniz, bizim mutluluğumuzdur…

Mesajınız için teşekkür ederiz. Gönderildi.
Mesajınızı gönderirken bir hata oluştu. Lütfen tekrar deneyin.