در اتوماسیون صنعتی، قفل‌های فرایندی و قطع‌کننده‌ها از ابزارهای حفاظتی ضروری هستند که برای جلوگیری از اقدامات کنترل ناایمن و حفاظت از دارایی‌های حیاتی طراحی شده‌اند. این‌ها ستون فقرات سیستم‌های ایمنی فرایند را تشکیل می‌دهند و اطمینان می‌دهند که هم اپراتورها و هم سیستم‌های کنترل خودکار عملیات را در محدوده‌های ایمن حفظ کنند.

درک قفل‌های فرایندی و قطع‌کننده‌ها

قفل‌های فرایندی با محدود کردن فرمان‌های اپراتور یا سیستم که ممکن است شرایط ناایمن ایجاد کنند، از انجام اقدامات کنترل خطرناک جلوگیری می‌کنند. آن‌ها به عنوان موانع خودکار و خودبازنشانی در برابر عملیات خطرناک عمل می‌کنند.

قطع‌کننده‌های فرایندی، از سوی دیگر، به شرایط غیرعادی فرایند واکنش نشان می‌دهند و با شناسایی خروج از نقاط تنظیم شده از پیش تعیین شده، اقدامات اصلاحی مانند خاموش کردن تجهیزات را برای بازگرداندن فرایند به حالت ایمن آغاز می‌کنند. قطع‌کننده‌ها نباید به طور خودکار بازنشانی شوند مگر اینکه توجیه و تحلیل ریسک مناسبی انجام شده باشد.

این دو لایه حفاظتی با هم احتمال خطای انسانی یا سیستمی که منجر به رویدادهای خطرناک شود را کاهش می‌دهند.

اصل استقلال در سیستم‌های حفاظتی

برای حفظ یکپارچگی بالای ایمنی، سیستم‌های حفاظتی باید به طور مستقل از  سیستم‌های کنترل اصلی ، کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC) یا سایر لایه‌های حفاظتی عمل کنند. استقلال تضمین می‌کند که خرابی در یک سیستم، سیستم دیگر را به خطر نیندازد.

این جداسازی می‌تواند از طریق  تفکیک فیزیکی ، سخت‌افزار متنوع یا تأسیسات اختصاصی انجام شود. برای مثال، منابع تغذیه افزونه و مسیرهای سیم‌کشی جداگانه به جلوگیری از خرابی‌های هم‌زمان ناشی از منابع مشترک یا عوامل محیطی کمک می‌کنند.

استانداردهای بین‌المللی مانند  IEC 61508 و  IEC 61511 الزامات لازم برای تضمین استقلال کافی سیستم را مشخص می‌کنند.

مدیریت وابستگی به تأسیسات

سیستم‌های حفاظتی اغلب برای انجام اقدامات ایمنی به تأسیساتی مانند برق، هوا و آب خنک‌کننده وابسته‌اند.  عملکردهای ایمنی غیرفعال  (مثلاً ایزوله کردن یک خط فرایندی) نیاز به پشتیبانی حداقلی از تأسیسات دارند، در حالی که  عملکردهای ایمنی فعال  (مثلاً تزریق بازدارنده یا فعال‌سازی خنک‌کننده اضطراری) به تأسیسات پیوسته وابسته‌اند.

بنابراین، مهندسان باید اطمینان حاصل کنند که منابع تغذیه پشتیبان یا  منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) و سیستم‌های افزونه برای حفظ حفاظت حتی در هنگام خرابی تأسیسات در دسترس باشند. یکپارچگی این سیستم‌های پشتیبان باید با سطح یکپارچگی ایمنی (SIL) عملکرد حفاظتی که پشتیبانی می‌کنند، همخوانی داشته باشد.

تضمین بقا در برابر عوامل محیطی

یک  سیستم حفاظتی مقاوم باید در برابر شرایط سخت محیطی دوام بیاورد. باید در برابر خرابی‌های ناشی از رعد و برق، تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، زنگ‌زدگی، دماهای شدید، لرزش یا نوسانات برق مقاومت کند.

طراحان معمولاً از محفظه‌های محافظ، منابع تغذیه فیلتر شده و مسیرهای سیم‌کشی جداگانه برای کاهش این خطرات استفاده می‌کنند. در هنگام تعمیر و نگهداری، تکنسین‌ها باید به مواجهه موقت با خطرات توجه کنند — برای مثال، اجتناب از استفاده از رادیوها در نزدیکی کابینت‌های باز که ممکن است محافظت الکترومغناطیسی را کاهش دهد.

حفاظت در برابر خرابی‌های سخت‌افزاری و سیستماتیک

برای رسیدن به قابلیت اطمینان لازم، معماری سیستم باید با  تحمل خطا و  افزونه طراحی شود. رویکردهای معمول شامل استفاده از  حسگرهای با قابلیت اطمینان بالا ، تشخیص خودکار و منطق رأی‌گیری ۲ از ۳ برای اندازه‌گیری‌های حیاتی است.

در حالی که افزونه خرابی‌های تصادفی را کاهش می‌دهد، تنوع در طراحی سخت‌افزار و نرم‌افزار به جلوگیری از  خطاهای هم‌زمان و  خطاهای سیستماتیک کمک می‌کند. برای سیستم‌های حفاظتی مبتنی بر نرم‌افزار، به‌کارگیری چرخه عمر ایمنی ساختاریافته — همان‌طور که در بخش ۳ استاندارد IEC 61508 توصیه شده — خطاهای سیستماتیک را به حداقل می‌رساند.

نقش حسگرها در سیستم‌های حفاظتی

حسگرها شرایط فرایند را شناسایی کرده و هنگام عبور از آستانه‌ها، قطع‌کننده‌ها یا قفل‌ها را فعال می‌کنند. قابلیت اطمینان آن‌ها مستقیماً بر یکپارچگی کلی سیستم ایمنی تأثیر می‌گذارد. مهندسان باید  اندازه‌گیری‌های مستقیم را به اندازه‌گیری‌های استنباطی ترجیح دهند و از  اصول ایمنی شکست‌ناپذیر مانند پیکربندی‌های قطع در حالت خاموش استفاده کنند.

آزمایش‌های منظم  تأیید صحت اطمینان می‌دهند که حسگرها در شرایط عملیاتی به درستی واکنش نشان می‌دهند. روش‌های کالیبراسیون باید قابل ردیابی به استانداردهای ملی باشند و عواملی مانند لرزش، زنگ‌زدگی، کاهش سیگنال و حساسیت متقابل در آنالیزورها را در نظر بگیرند.

عملگرها: عناصر کنترل نهایی

عملگرها هنگام وقوع قطع‌کننده، اقدامات ایمنی مانند بستن شیر یا قطع برق را اجرا می‌کنند. آن‌ها اغلب ضعیف‌ترین حلقه در سیستم‌های حفاظتی به دلیل سایش مکانیکی یا قطع برق هستند.

برای افزایش قابلیت اطمینان، طراحان باید اصول  طراحی ایمنی شکست‌ناپذیر را به کار گیرند،  منابع تغذیه افزونه فراهم کنند و  آزمایش‌های حرکت جزئی برای تأیید حرکت شیر انجام دهند. عملگرهای حیاتی باید نظارت تشخیصی برای گشتاور، زمان حرکت و تأیید موقعیت نهایی داشته باشند.

در کارخانه‌های مدرن، عملگرها ممکن است شامل  موقعیت‌یاب‌های هوشمند یا  درایوهای سرعت متغیر باشند که نیازمند محافظت‌های اضافی برای جلوگیری از خرابی‌های نرم‌افزاری هستند.

سیستم‌های منطقی و معماری رأی‌گیری

زیرسیستم منطقی تعیین می‌کند که چه زمانی اقدامات حفاظتی فعال شوند. این زیرسیستم ممکن است با استفاده از  کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC) ، رله‌های ایمنی یا حل‌کننده‌های منطقی اختصاصی که برای سطوح SIL خاصی گواهی شده‌اند، ساخته شود.

سیستم‌های با یکپارچگی بالا اغلب از معماری‌های  دوگانه افزونه یا  سخت‌افزار متنوع برای حفظ عملکرد در هنگام خطا استفاده می‌کنند. سیستم باید به طور مداوم ورودی‌ها و خروجی‌ها را برای شرایط مدار باز یا اتصال کوتاه پایش کرده و هشدارهای لازم را صادر کند.

سیستم‌های منطقی مبتنی بر نرم‌افزار باید فرآیندهای توسعه و تأیید سختگیرانه‌ای را دنبال کنند تا  مطابقت با چرخه عمر ایمنی را تضمین کرده و خطر خطاهای سیستماتیک نرم‌افزاری را کاهش دهند.

سیم‌کشی، ارتباطات و یکپارچگی سیگنال

انتقال قابل اعتماد  سیگنال برای حفظ یکپارچگی ایمنی حیاتی است. کابل‌ها و مسیرهای ارتباطی باید به درستی محافظت شده، جدا شده و در برابر آتش، رطوبت و آسیب مکانیکی محافظت شوند.

برای حلقه‌های آنالوگ،  سیگنال‌های ۴–۲۰ میلی‌آمپر به دلیل ماهیت ایمنی شکست‌ناپذیر و قابلیت‌های تشخیصی، استاندارد ترجیحی باقی مانده‌اند. در معماری‌های پیشرفته اتوماسیون، ممکن است از فیبر نوری و سیستم‌های دیجیتال فیلدباس استفاده شود، اما به‌کارگیری آن‌ها در کاربردهای ایمنی نیازمند اعتبارسنجی دقیق و تأیید SIL است.

سیستم‌های تأسیساتی پشتیبان عملکردهای ایمنی

تأسیسات مانند برق، هوای فشرده، نیتروژن و آب خنک‌کننده اغلب بخشی از  زیرساخت سیستم حفاظتی هستند. مهندسان باید اطمینان حاصل کنند که این تأسیسات قابل اعتماد، پایش شده و توسط منابع افزونه یا مخازن پشتیبانی می‌شوند.

آزمایش‌های منظم تأیید می‌کنند که ذخایر اضطراری می‌توانند عملکردهای حفاظتی را در هنگام قطع برق حفظ کنند. دستگاه‌های حفاظتی مانند  حفاظت در برابر افزایش ولتاژ ، حفاظت در برابر جریان اضافی و تنظیم ولتاژ به افزایش استحکام سیستم کمک می‌کنند.

آزمایش تأییدی و بررسی سیستم

اثربخشی سیستم‌های حفاظتی به میزان  آزمایش تأییدی و توانایی این آزمایش‌ها در کشف خرابی‌های پنهان بستگی دارد. آزمایش‌های تأییدی شرایط قطع را شبیه‌سازی می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که حسگرها، منطق و عملگرها طبق انتظار عمل می‌کنند.

فواصل آزمایش باید با  نرخ خرابی و  فرکانس درخواست سیستم هماهنگ باشد و اصول استاندارد IEC 61511 را دنبال کند. مستندسازی کامل، تکرارپذیری و قابلیت ردیابی برای بازرسی‌ها و ارزیابی‌های ایمنی عملکردی را فراهم می‌آورد.

نگهداری، بهره‌برداری و تغییرات

روش‌های مؤثر  بهره‌برداری و نگهداری برای حفظ یکپارچگی ایمنی حیاتی هستند. دستورالعمل‌ها باید نحوه مدیریت لغوها، رسیدگی به هشدارها، انجام نگهداری ایمن و تأیید بازگرداندن سیستم پس از سرویس‌دهی را مشخص کنند.

کنترل نسخه‌های پشتیبان نرم‌افزار، پیگیری نسخه‌ها و داشتن پرسنل واجد شرایط نیز اهمیت دارد. فرآیند ساختاریافته  مدیریت تغییر اطمینان می‌دهد که هرگونه تغییر در سیستم، عملکرد و یکپارچگی ایمنی را حفظ می‌کند.

تشخیص از راه دور و امنیت سایبری

تشخیص از راه دور راحتی را فراهم می‌کند اما خطرات ایمنی و امنیت سایبری بالقوه‌ای به همراه دارد. دسترسی غیرمجاز یا تغییرات ناخواسته پارامترها می‌تواند عملکردهای ایمنی را به خطر اندازد.

قبل از فعال‌سازی دسترسی از راه دور، سازمان‌ها باید  ارزیابی ریسک انجام داده و کنترل‌هایی مانند احراز هویت امن، ثبت دسترسی و پروتکل‌های ارتباطی مشخص را پیاده‌سازی کنند. سیستم تشخیص باید در حالت محدود یا فقط نظارتی در طول عملیات عادی کار کند.

نمونه کاربرد: سیستم قفل ایمنی در پالایشگاه

در یک پالایشگاه هیدروکربن، قفل‌ها مانع از باز شدن شیر دورزن توسط اپراتورها زمانی که کمپرسور پایین‌دستی خاموش است، می‌شوند. قطع‌کننده‌ها به طور خودکار فرایند را در صورت تشخیص فشار یا دمای بالا ایزوله می‌کنند. سیستم حفاظتی از  فرستنده‌های افزونه ، حل‌کننده‌های منطقی با رتبه SIL و شیرهای بازگشت فنری استفاده می‌کند تا اطمینان حاصل شود که کارخانه حتی در هنگام خرابی قطعات در حالت ایمن باقی می‌ماند.

نتیجه‌گیری: ساخت سیستم‌های اتوماسیون قابل اعتماد و ایمن

قفل‌های فرایندی و قطع‌کننده‌ها در دستیابی به سیستم‌های  اتوماسیون صنعتی ایمن، قابل اعتماد و منطبق نقش حیاتی دارند. آن‌ها پل ارتباطی بین کنترل و ایمنی هستند و از عملیات خطرناک جلوگیری کرده و در عین حال تداوم عملیات را تضمین می‌کنند.

با ادغام معماری مستقل، افزونه، آزمایش تأییدی و روش‌های نگهداری مناسب، مهندسان می‌توانند سیستم‌هایی طراحی کنند که الزامات سختگیرانه یکپارچگی ایمنی را برآورده کرده و به محیط‌های صنعتی ایمن‌تر کمک کنند.