In der modernen Prozesssteuerung und Fabrikautomation hat das Management betrieblicher Risiken höchste Priorität. Hochtourige Maschinen, Hochdruckbehälter und kontinuierliche Prozesse stellen eine ständige Gefahr für Personal und Anlagen dar. Moderne Anlagenbetriebe setzen daher stark auf Strategien der funktionalen Sicherheit, um diese Risiken zu minimieren. Dieser Leitfaden erläutert die wesentlichen Begriffe der funktionalen Sicherheit, die jeder Ingenieur für Steuerungssysteme beherrschen sollte.

Grundlagen der funktionalen Sicherheit

Die funktionale Sicherheit ist Teil der übergeordneten Sicherheitsstrategie einer Industrieanlage. Sie konzentriert sich auf den korrekten Betrieb elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer sicherheitsbezogener Systeme. Ein System für funktionale Sicherheit muss gefährliche Zustände automatisch erkennen und geeignete Maßnahmen einleiten. Dadurch verhindert es gefährliche Ereignisse oder minimiert deren Folgen.

Die grundlegende Rolle sicherheitsgerichteter Systeme

Ein sicherheitsgerichtetes System (Safety Instrumented System, SIS) fungiert als separate Schutzebene neben dem Basic Process Control System (BPCS). Das BPCS übernimmt die täglichen Steuerungsaufgaben, während das SIS kritische Parameter kontinuierlich überwacht. Überschreiten Prozesswerte sichere Betriebsgrenzen, übersteuert das SIS die Standardsteuerungen und löst eine sichere Abschaltung aus.

Sicherheitsintegritätslevel entschlüsselt

Der Sicherheitsintegritätslevel (Safety Integrity Level, SIL) definiert das relative Maß der Risikoreduzierung, das eine Sicherheitsfunktion bietet. Internationale Normen klassifizieren die Sicherheitslevel von SIL 1 bis SIL 4. Höhere SIL-Einstufungen erfordern eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit bei Anforderung und strengere Architekturvorgaben. Hinweis: Auch wenn in manchen Fachpublikationen ein theoretischer SIL 5 erwähnt wird, definieren internationale Normen SIL 4 als das höchste erreichbare Level für die industrielle Automation.

Durchführung quantitativer Risikobewertungen

Ingenieure führen Risikobewertungen bereits in den frühen Entwurfsphasen eines Automatisierungsprojekts durch. Dabei werden potenzielle Gefahren für Anlagen identifiziert, Ausfallarten bewertet und finanzielle sowie menschliche Folgen abgeschätzt. Die Risikobewertung bestimmt den erforderlichen Risikoreduktionsfaktor und weist jeder Sicherheitsschleife den Ziel-SIL zu.

Die Norm IEC 61508 im Überblick

IEC 61508 bildet die grundlegende Norm für funktionale Sicherheit in allen Industriebereichen. Sie legt strenge Anforderungen an das Lebenszyklusmanagement sicherheitsbezogener Systeme fest. Branchenspezifische Normen wie IEC 61511 für die Prozessindustrie und IEC 62061 für Maschinen leiten sich direkt von dieser übergeordneten Norm ab. Die Einhaltung dieser Regelwerke gewährleistet ein rigoroses Design und transparente Betriebsabläufe.

Implementierung integrierter Sicherheitsfunktionen

Moderne Frequenzumrichter und Sicherheitssteuerungen verfügen über integrierte Sicherheitsfunktionen. Zu den gängigen Funktionen gehören Safe Torque Off (STO), Safe Stop 1 (SS1) und Safe Operating Stop (SOS). Diese in die Hardware integrierten Funktionen beseitigen das Drehmoment zuverlässig, ohne die Hauptstromversorgung zu unterbrechen. Dadurch können Wartungsteams sicher an bewegten Maschinen arbeiten, ohne aufwendige elektrische Freischaltungen vorzunehmen.

Entwurf redundanter Sicherheitskreisstrukturen

Die Architektur eines Sicherheitskreises bestimmt, wie Hardwarekomponenten verbunden werden, um einzelne Fehlerstellen zu beseitigen. Ingenieure setzen häufig Abstimmungsstrukturen wie 1oo2 (One out of Two) oder 2oo3 (Two out of Three) ein. Bei einer 1oo2-Konfiguration überwachen zwei unabhängige Sensoren eine einzelne Prozessgröße. Das System leitet eine Sicherheitsmaßnahme ein, sobald einer der beiden Sensoren einen Fehlerzustand erkennt.

Maximierung der Diagnoseabdeckung

Die Diagnoseabdeckung misst den Prozentsatz gefährlicher Ausfälle, die durch interne Diagnosetests automatisch erkannt werden. Eine hohe Diagnoseabdeckung ermöglicht es Steuerungssystemen, Komponentenfehler zu erkennen, bevor sie unerwünschte Stillstände verursachen. Moderne Sicherheitslogiksteuerungen nutzen Echtzeitdiagnosen, um Unterbrechungen, Kurzschlüsse und Signaldrift zu melden.

Experteneinblicke in Trends der industriellen Sicherheit

Systemintegratoren machen häufig den Fehler, Sicherheitshardware als direkten Ersatz für Standard-SPS-Geräte zu betrachten. Die Auswahl der Hardware stellt jedoch nur einen Teil der Entwicklung funktionaler Sicherheit dar. Echte funktionale Sicherheit beruht auf einem konsequenten Lebenszyklusmanagement, strengen Verifizierungsprotokollen und kontinuierlichen Wiederholungsprüfungen. Da DCS- und SIS-Systeme zunehmend stärker integriert werden, bleibt die physische und logische Trennung entscheidend, um Gleichtaktfehler zu verhindern.

Praxisbeispiel

Auf einer Offshore-Ölförderplattform erfordern Notabschaltsysteme (ESD) Schutzlevel gemäß SIL 3. Druckmessumformer an einem Hochdruckabscheider verwenden eine 2oo3-Abstimmungsstruktur. Die Sicherheits-SPS vergleicht kontinuierlich die Signale aller drei Messumformer.

Wenn zwei von drei Sensoren einen Druck oberhalb der Sicherheitsgrenzen registrieren, schaltet die Sicherheitssteuerung das Hauptabsperrventil automatisch ab. Diese Konfiguration verhindert Fehlauslösungen durch die Drift eines einzelnen Sensors und gewährleistet gleichzeitig einen zuverlässigen Schutz vor Überdruckereignissen.

Über den Autor

Viral Nagda ist ein erfahrener Automatisierungsingenieur und technischer Redakteur mit Spezialisierung auf die Entwicklung von Steuerungssystemen, SPS-Programmierung und Anwendungen der funktionalen Sicherheit. Aufgrund seiner umfangreichen praktischen Erfahrung in der Prozesssteuerung und in Produktionsumgebungen erstellt er technische Fachtexte, die Ingenieure bei der Planung sichererer und effizienterer Industrieanlagen unterstützen.