Vorgewarnt ist gewappnet: Fehler- und Risikominimierung in der Prozessanalyse – Teil 3

Jeder von uns lernt im Laufe des Lebens, seinem Bauchgefühl oder seinen Erfahrungen zu vertrauen, um gefährlich oder riskant erscheinende Situationen zu vermeiden. Mit einem mulmigen Gefühl ahnen Sie buchstäblich mögliche Gefahren. Wer hat nicht schmerzlich gelernt, dass es keine gute Idee ist, eine heiße Herdplatte zu berühren? Oder wer geht bei einem Tornado freiwillig nach draußen?

Während Menschen sich auf ihre Intuition und erlernte Muster verlassen können, um Gefahren zu vermeiden oder Schutzstrategien anzuwenden, ist dies bei elektronischen Systemen oder Maschinen weitaus komplizierter. Alle Komponenten einer Anlage müssen sich in einem dauerhaft sicheren Zustand befinden. Ausfälle und Fehlfunktionen einzelner Komponenten können verheerende Folgen für Produktionsprozesse und die Sicherheit der Bediener haben.

Ein Beispiel hierfür ist die Seveso-Katastrophe 1976, in dem hochgiftiges Dioxin vorkam TCDD durch eine unkontrollierte Reaktion entkommen und Flora und Fauna nachhaltig vergiftet. Im Hinblick auf andere große Chemieunfälle, die Europäische Seveso-III-Richtlinie 2012 trat dann das Gesetz zur Beherrschung der Gefahren schwerer Unfälle in Kraft, um schwere Unfälle zu verhindern.

Fehler erkennen, meistern und vermeiden

Im Dauerbetrieb befindliche verfahrenstechnische Anlagen enthalten unzählige Komponenten, die im Laufe ihres Lebenszyklus verschleißen oder ausfallen können. Ist jedoch der Mess-, Steuer- oder Regelkreis betroffen, kann es zu Ausfällen kommen immenser Schaden. Unter keinen Umständen dürfen Mensch und Umwelt irgendwelchen Gefahren ausgesetzt werden. Aus diesem Grund muss die Funktionssicherheit der Komponenten gewährleistet und deren Risiko- und Gefährdungspotential genau analysiert werden.

Die Lebensdauer mechanischer Komponenten kann durch die Beobachtung des mechanischen Verschleißes beurteilt werden. Das Alterungsverhalten elektronischer Bauteile ist jedoch schwer abzuschätzen. Eine Maßeinheit, die die Risikominderung und damit die funktionale Sicherheit quantifizierbar macht, ist das sogenannte «Sicherheitsintegritätslevel» (SIL).

Folgender Ablauf wird befolgt:

Risikoanalyse
Realisierung der Risikominderung
Beweis dafür, dass die erkannte Risikominderung entspricht mindestens der erforderlich Risikominderung

Risk assessment: Ein Prozess gilt als sicher, wenn das aktuelle Risiko unter das tolerierbare Risiko reduziert wurde. Wird die Sicherheit durch technische Maßnahmen gewährleistet, spricht man von funktionaler Sicherheit.

Bedeutung für Prozessanalysesysteme

Fehler können überall passieren und sind nie ganz auszuschließen. Um mögliche Fehler zu minimieren, ist es daher erforderlich das Eintrittsrisiko einschätzen und die daraus zu erwartenden Schäden im Rahmen einer Risikoanalyse. Hier muss unterschieden werden zwischen systematisch und willkürlich Fehler.

Systematische Fehler potenziell vermeidbar sind und beispielsweise durch Softwarefehler oder Konfigurationsmängel verursacht werden. Sie liegen demnach bereits während oder vor der Inbetriebnahme vor.

Im Gegensatz, zufällige Fehler sind potenziell schwer zu vermeiden, da sie willkürlich auftreten. Trotzdem lässt sich die Fehlerrate bzw. Ausfallwahrscheinlichkeit statistisch und experimentell bestimmen.

Zufällige Fehler resultieren meist aus der Hardware und treten während des Betriebs auf. Letztlich gilt es, systematische Fehler zu vermeiden und zufällige Fehler zu beherrschen, um eine störungsfreie Funktionalität zu gewährleisten.

Allgemeine Konfiguration des Prozessanalysators

Prozessanalysesysteme sind das Bindeglied zwischen der manuellen Laboranalyse und dem industriellen Prozess. In Anwendungen, in denen eine kontinuierliche und vollautomatische Überwachung kritischer Parameter erforderlich ist, eignen sich Prozessanalysatoren unverzichtbar. Aufgrund der unterschiedlichen Analysebedingungen im Labor und direkt im Prozess ergeben sich einige Herausforderungen beim Transfer der Messtechnik vom Labor in den Prozess. Entscheidend sind die Arbeits- und Umgebungsbedingungen (z. B. hohe Temperaturen, korrosive Atmosphäre, Feuchtigkeit, Staub oder explosionsgefährdete Umgebungen), denen die Prozessanalysatoren hinsichtlich Konstruktion, Werkstoffe und Zuverlässigkeit der Komponenten genügen müssen. Der Analysator automatisch und kontinuierlich übermittelt System- und Diagnosedaten, um durch vorbeugende Maßnahmen den Ausfall von Hard- oder Softwarekomponenten zu verhindern. Diese bedeutend verringert die Wahrscheinlichkeit, dass zufällige Fehler auftreten.

Prozessanalysatoren wurden speziell für den Einsatz in rauen und aggressiven Industrieumgebungen entwickelt. Die IP66 geschütztes Gehäuse ist zweigeteilt und besteht aus getrennten Nass- und Elektronikteilen. Der Elektronikteil enthält alle für die Steuerung und den Betrieb des Prozessanalysators relevanten Komponenten. Modulare Komponenten wie Büretten, Ventile, Pumpen, Probenahmesysteme, Titriergefäße und Elektroden finden sich im Analysator-Nassteil wieder. So können repräsentative Proben von der mehrere Meter entfernten Prozessmessstelle entnommen werden. Das Analyseverfahren, die anzuwendenden Methoden und Methodenberechnungen sind frei programmierbar.

Ein Touchscreen mit intuitiver Menüführung ermöglicht einfache Operation, sodass Produktionsprozesse jederzeit optimiert werden können. Der Verlauf der Messung wird grafisch dargestellt und über die gesamte Bestimmung dokumentiert, so dass der Analyseprozess abläuft vollständig kontrolliert. Die Messergebnisse können 24/7 generiert werden und ermöglichen eine enge und vollautomatische Überwachung des Prozesses. Grenzwerte, Alarme oder Ergebnisse werden zuverlässig an das Prozessleitsystem übertragen.

Beim Betrieb des Analysators besteht die Gefahr, dass Softwarefehler zu Ausfällen führen können. Um dies vorausschauend zu erkennen, liefert das System Selbstdiagnoseverfahren sobald es eingeschaltet ist und auch während des Betriebs. Dazu gehört zB das Prüfen von Pumpen und Büretten, das Prüfen auf Dichtheit oder das Prüfen der Kommunikation zwischen dem I/O-Controller, dem Human Interface und dem jeweiligen Analysemodul.

Zentraler Bestandteil eines Prozessanalysators ist die eingesetzte Messtechnik. Bei Sensoren oder Elektroden gibt es mehrere Anforderungen wie chemische Beständigkeit, Wartungsfreundlichkeit, Robustheit oder Präzision, die sie erfüllen müssen. Das sicherheitsrelevante Risiko ergibt sich aus der Möglichkeit, dass Messsensoren durch Alterung ausfallen oder beschädigt werden und in der Folge falsche Messergebnisse liefern.

Ausfall der Elektrode, Verschmutzung oder Beschädigung sind unverzüglich zu melden. Bei Online-Analysesystemen erfolgt die Analyse in einer externen Messzelle. Darüber hinaus sind wiederkehrende Kalibrierungs- und Konditionierungsroutinen vordefiniert und werden automatisch durchgeführt. Der Status der Elektrode wird kontinuierlich vom System überwacht.

Zwischen den Messungen wird die Elektrode in eine membranschonende Aufbewahrungslösung getaucht, die ein Austrocknen verhindert und gleichzeitig die Quellschicht regeneriert. Die Elektrode ist somit immer einsatzbereit und muss zur Wartung nicht aus dem Prozess entfernt werden. Dies ermöglicht eine zuverlässige Prozesskontrolle auch unter rauen Industriebedingungen.

Prozessanalysatoren müssen in der Lage sein, Proben für die Analyse über einen breiten Konzentrationsbereich (von % bis hin zu Spuren) zu handhaben, ohne Verschleppungs- oder Querempfindlichkeitsprobleme zu verursachen. In vielen Fällen werden verschiedene Proben von mehreren Messstellen parallel in einem System mit unterschiedlichen Analysetechniken bestimmt. Die Probenvorbereitung (z. B. Filtrieren, Verdünnen oder nasschemischer Aufschluss) muss ebenso zuverlässig und reibungslos ablaufen wie die vollautomatische Übergabe der Ergebnisse an das Prozessleitsystem, um schnell reagieren zu können.

Durch falsche Messergebnisse können potenzielle Gefahren für das Gesamtsystem entstehen. Um das Risiko zu minimieren, wird ein Detektor verwendet, um das System über das Vorhandensein einer Probe im Gefäß zu informieren. Die Überprüfung des Anfangspotentials der Analysen- oder Titrationskurven / Farbentwicklung bei photometrischen Messungen sind diagnostische Daten, die laufend erfasst und interpretiert werden. Ergebnisse können durch Referenzanalysen verifiziert oder anhand von Standard- und Kontrolllösungen plausibilisiert werden.

Erkennen Sie Fehler, bevor sie entstehen

Die Risikobewertungsverfahren, die im Rahmen einer SIL-Einstufung für verfahrenstechnische Anlagen durchgeführt werden, basieren letztlich auf mathematischen Berechnungen. Im 24/7-Betrieb einer Anlage können zufällige Fehler jedoch nie ganz ausgeschlossen werden. Ein Restrisiko bleibt immer. Daher wächst die Bedeutung vorbeugender Instandhaltungsmaßnahmen immens, um Hard- und Softwareausfälle im laufenden Betrieb zu vermeiden.

Eine regelmäßige Überprüfung des Prozessanalysators und seiner Diagnosedaten ist die Grundvoraussetzung für einen dauerhaft störungsfreien Betrieb. Mit maßgeschneiderten Wartungs- und Servicekonzepten wird der Analysator über den gesamten Lebenszyklus von zertifizierten Servicetechnikern betreut. Regelmäßige Wartungspläne, Anwendungsunterstützung, Kalibrierung bzw Leistungsnachweise, Instandsetzung, und Original-Ersatzteile ebenso gut wie ordnungsgemäße Inbetriebnahme sind nur einige Beispiele.

Vorteile

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Darüber hinaus ist im Kontext der Digitalisierung auch eine transparente Kommunikation zwischen Prozessleitsystem und Analysator relevant. Das Sammeln von Leistungsdaten vom Analysator zur Beurteilung des Zustands des Steuerungssystems ist nur eine Komponente. Die kontinuierliche Überwachung relevanter Systemkomponenten lässt Rückschlüsse auf notwendige Wartungsarbeiten zu, die idealerweise in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden sollten. Es stellt sich die Frage, wie die gesammelten Daten interpretiert werden und wie schnell eingegriffen werden muss. Softwarepflegepakete helfen, die Software nach Herstellervorgaben zu testen, Datensicherungen durchzuführen und Softwarepflege durchzuführen.

In echten Notfallsituationen, in denen eine schnelle Fehleranalyse erforderlich ist, können Hersteller den Betreiber mit Fernwartungslösungen einfach aus der Ferne unterstützen. Die Anlagenverfügbarkeit wird erhöht, teure Ausfälle und Stillstandszeiten werden vermieden und die optimale Performance des Analysators sichergestellt.