In der industriellen Automatisierung sind Prozessverriegelungen und Abschaltungen wesentliche Schutzmaßnahmen, die dazu dienen, unsichere Steuerbefehle zu verhindern und kritische Anlagen zu schützen. Sie bilden das Rückgrat von Prozesssicherheitssystemen und sorgen dafür, dass sowohl Bediener als auch automatisierte Steuerungen den Betrieb innerhalb sicherer Grenzen halten.

Verständnis von Prozessverriegelungen und Abschaltungen

Prozessverriegelungen verhindern gefährliche Steuerbefehle, indem sie Bediener- oder Systembefehle einschränken, die unsichere Zustände auslösen könnten. Sie wirken als automatische, selbstzurückstellende Barrieren gegen gefährliche Vorgänge.

Prozessabschaltungen reagieren hingegen auf abnormale Prozesszustände, indem sie Abweichungen von vordefinierten Grenzwerten erkennen und dann Korrekturmaßnahmen einleiten – wie das Abschalten von Anlagen –, um den Prozess wieder in einen sicheren Zustand zu bringen. Abschaltungen sollten nicht automatisch zurückgesetzt werden, es sei denn, es liegt eine fundierte Begründung und Risikoanalyse vor.

Diese beiden Schutzebenen zusammen verringern die Wahrscheinlichkeit, dass menschliche oder systembedingte Fehler zu gefährlichen Ereignissen führen.

Das Prinzip der Unabhängigkeit in Schutzsystemen

Um eine hohe Sicherheitszuverlässigkeit zu gewährleisten, müssen Schutzsysteme unabhängig von den primären Steuerungssystemen, speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) oder anderen Schutzebenen arbeiten. Unabhängigkeit stellt sicher, dass ein Ausfall in einem System ein anderes nicht beeinträchtigt.

Diese Trennung kann durch physische Abgrenzung, oder eigene Versorgungen erreicht werden. Beispielsweise helfen redundante Stromversorgungen und getrennte Leitungswege, Ausfälle durch gemeinsame Fehlerquellen oder Umwelteinflüsse zu vermeiden.

Internationale Normen wie IEC 61508 und IEC 61511 legen Anforderungen zur Gewährleistung ausreichender Systemunabhängigkeit fest.

Umgang mit Abhängigkeiten von Versorgungen

Schutzsysteme sind oft auf Versorgungen wie elektrische Energie, Druckluft und Kühlwasser angewiesen, um Sicherheitsfunktionen auszuführen. Passive Sicherheitsfunktionen (z. B. das Abtrennen einer Prozessleitung) benötigen nur wenig Unterstützung durch Versorgungen, während aktive Sicherheitsfunktionen (z. B. das Einspritzen eines Hemmstoffs oder das Einschalten der Notkühlung) stark auf eine kontinuierliche Versorgung angewiesen sind.

Daher müssen Ingenieure sicherstellen, dass Notstromversorgungen oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und redundante Systeme vorhanden sind, um den Schutz auch bei Ausfall der Versorgungen aufrechtzuerhalten. Die Zuverlässigkeit dieser unterstützenden Systeme sollte dem Sicherheitsintegritätslevel (SIL) der geschützten Funktion entsprechen.

Gewährleistung der Überlebensfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen

Ein robustes Schutzsystem muss rauen Betriebsbedingungen standhalten. Es sollte Ausfälle durch Blitzschlag, elektromagnetische Störungen (EMV), Korrosion, extreme Temperaturen, Vibrationen oder Spannungsschwankungen widerstehen.

Planer verwenden häufig abgeschirmte Gehäuse, gefilterte Stromversorgungen und getrennte Kabelwege, um solche Risiken zu mindern. Bei Wartungsarbeiten müssen Techniker vorübergehende Gefährdungen berücksichtigen – zum Beispiel das Vermeiden von Funkgeräten in der Nähe offener Schaltschränke, die die elektromagnetische Abschirmung beeinträchtigen könnten.

Schutz vor Hardware- und systematischen Fehlern

Um die erforderliche Zuverlässigkeit zu erreichen, sollte die Systemarchitektur mit Fehlertoleranz und Redundanz ausgelegt sein. Übliche Maßnahmen sind der Einsatz von hochzuverlässigen Sensoren, automatischen Diagnosen und 2-aus-3-Mehrheitslogik für kritische Messgrößen.

Während Redundanz zufällige Fehler mindert, hilft Vielfalt in Hardware- und Softwaredesign, gemeinsame Fehlerursachen und systematische Fehler zu vermeiden. Für softwarebasierte Schutzsysteme minimiert ein strukturierter Sicherheitslebenszyklus – wie in IEC 61508 Teil 3 empfohlen – systematische Fehler.

Die Rolle der Sensoren in Schutzsystemen

Sensoren erfassen Prozesszustände und lösen Abschaltungen oder Verriegelungen aus, wenn Grenzwerte überschritten werden. Ihre Zuverlässigkeit beeinflusst direkt die Gesamtzuverlässigkeit des Sicherheitssystems. Ingenieure sollten direkte Messungen bevorzugen gegenüber abgeleiteten und ausfallsichere Prinzipien wie stromlos abschalten (de-energize-to-trip) anwenden.

Regelmäßige Funktionsprüfungen stellen sicher, dass Sensoren unter Betriebsbedingungen korrekt reagieren. Wartungsanweisungen sollten Kalibrierverfahren enthalten, die auf nationale Normale rückführbar sind, und Faktoren wie Vibration, Korrosion, Signalverschlechterung und Kreuzempfindlichkeit bei Analysatoren berücksichtigen.

Stellglieder: Die letzten Regelglieder

Stellglieder führen Sicherheitsmaßnahmen aus – wie das Schließen eines Ventils oder das Abschalten der Stromversorgung – wenn eine Abschaltung erfolgt. Sie sind oft die schwächste Stelle in Schutzsystemen aufgrund von mechanischem Verschleiß oder Stromausfall.

Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit sollten Planer ausfallsichere Gestaltung anwenden, redundante Stromversorgungen vorsehen und Teilhubprüfungen durchführen, um die Ventilbewegung zu überprüfen. Kritische Stellglieder sollten zudem eine Diagnoseüberwachung für Drehmoment, Anfahrzeit und Endlagenkontrolle besitzen.

In modernen Anlagen können Stellglieder intelligente Stellantriebe oder stufenlos regelbare Antriebe umfassen, die zusätzliche Schutzmaßnahmen benötigen, um softwarebedingte Fehler zu verhindern.

Logiksysteme und Mehrheitsentscheidungen

Das Logik-Subsystem bestimmt, wann Schutzmaßnahmen aktiviert werden. Es kann mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Sicherheitsrelais oder speziellen Logikrechnern aufgebaut sein, die für bestimmte SIL-Stufen zertifiziert sind.

Hochzuverlässige Systeme verwenden oft duale Redundanz oder verschiedene Hardware-Architekturen, um die Funktion bei Fehlern aufrechtzuerhalten. Das System sollte Eingänge und Ausgänge kontinuierlich auf Unterbrechungen oder Kurzschlüsse überwachen und bei Bedarf Alarm schlagen.

Softwaregesteuerte Logiksysteme müssen strenge Entwicklungs- und Prüfverfahren einhalten, um Sicherheitslebenszyklus-Konformität sicherzustellen und das Risiko systematischer Softwarefehler zu verringern.

Verkabelung, Kommunikation und Signalzuverlässigkeit

Zuverlässige Signalübertragung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Sicherheitszuverlässigkeit. Kabel und Kommunikationswege sollten ordnungsgemäß abgeschirmt, getrennt und vor Feuer, Feuchtigkeit und mechanischen Schäden geschützt sein.

Für analoge Schleifen sind 4–20 mA-Signale weiterhin ein bevorzugter Standard wegen ihrer Ausfallsicherheit und Diagnosefähigkeit. In fortschrittlichen Automatisierungsarchitekturen können Glasfaser- und digitale Feldbussysteme verwendet werden, deren Einsatz in Sicherheitsanwendungen jedoch strenge Validierung und SIL-Prüfung erfordert.

Versorgungssysteme zur Unterstützung von Sicherheitsfunktionen

Versorgungen wie Strom, Druckluft, Stickstoff und Kühlwasser sind oft Teil der Schutzsysteminfrastruktur. Ingenieure müssen sicherstellen, dass diese Versorgungen zuverlässig, überwacht und durch redundante oder Reservestromquellen abgesichert sind.

Regelmäßige Prüfungen bestätigen, dass Notreserven Schutzfunktionen bei Stromausfällen aufrechterhalten können. Schutzvorrichtungen wie Überspannungsableiter, Überstromschutz und Spannungsstabilisierung erhöhen die Systemstabilität zusätzlich.

Funktionsprüfungen und Systemverifikation

Die Wirksamkeit von Schutzsystemen hängt davon ab, wie häufig sie Funktionsprüfungen unterzogen werden und wie gut diese verborgene Fehler aufdecken. Funktionsprüfungen simulieren Abschaltbedingungen, um zu bestätigen, dass Sensoren, Logik und Stellglieder erwartungsgemäß arbeiten.

Prüfintervalle sollten sich nach der Ausfallrate und der Anforderungsfrequenz des Systems richten, gemäß den Grundsätzen der IEC 61511. Umfassende Dokumentation gewährleistet Wiederholbarkeit und Nachvollziehbarkeit für Audits und funktionale Sicherheitsbewertungen.

Wartung, Betrieb und Änderungen

Effektive Betriebs- und Wartungspraktiken sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Sicherheitszuverlässigkeit. Verfahren müssen regeln, wie Übersteuerungen gehandhabt, Alarme bearbeitet, Wartungen sicher durchgeführt und die Wiederherstellung nach Arbeiten überprüft wird.

Die Kontrolle von Software-Backups, Versionsnachverfolgung und qualifiziertes Personal sind ebenso wichtig. Ein strukturierter Änderungsmanagementprozess (MOC) stellt sicher, dass Systemänderungen sowohl die Sicherheitsfunktion als auch die Zuverlässigkeit bewahren.

Fernwartung und Cybersicherheit

Fernwartung bietet Bequemlichkeit, birgt jedoch potenzielle Sicherheits- und Cybersicherheitsrisiken. Unbefugter Zugriff oder unbeabsichtigte Parameteränderungen können Sicherheitsfunktionen gefährden.

Vor der Freigabe von Fernzugriffen sollten Organisationen eine Risikobewertung durchführen und Maßnahmen wie sichere Authentifizierung, Zugriffsprotokollierung und definierte Kommunikationsprotokolle einführen. Das Diagnosesystem sollte im Normalbetrieb im eingeschränkten oder Überwachungsmodus arbeiten.

Anwendungsbeispiel: Sicherheitsverriegelungssystem in einer Raffinerie

In einer Kohlenwasserstoffraffinerie verhindern Verriegelungen, dass Bediener ein Umgehungsventil öffnen, wenn der nachgeschaltete Verdichter ausgeschaltet ist. Abschaltungen isolieren den Prozess automatisch, wenn hoher Druck oder hohe Temperatur erkannt werden. Das Schutzsystem verwendet redundante Sender, SIL-zertifizierte Logikrechner und Feder-Rückstellventile, um sicherzustellen, dass die Anlage auch bei Ausfall von Komponenten in einem sicheren Zustand bleibt.

Fazit: Zuverlässige und sichere Automatisierungssysteme schaffen

Prozessverriegelungen und Abschaltungen sind entscheidend für sichere, zuverlässige und normgerechte industrielle Automatisierungssysteme. Sie überbrücken die Lücke zwischen Steuerung und Sicherheit, verhindern gefährliche Vorgänge und gewährleisten gleichzeitig den Betriebsfortschritt.

Durch die Integration unabhängiger Architektur, Redundanz, Funktionsprüfungen und bewährter Wartungsverfahren können Ingenieure Systeme entwerfen, die strenge Anforderungen an die Sicherheitszuverlässigkeit erfüllen und zu sichereren Industrieumgebungen beitragen.