Was ist IEC 61511? Ein Leitfaden zur funktionalen Sicherheit in der Prozessindustrie

1.0 Was ist IEC 61511?

IEC 61511 ist ein internationaler Standard, der von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) entwickelt wurde und speziell auf Funktionale Sicherheit in der Prozessindustrie. Es dient als branchenspezifische Umsetzung der IEC 61508 und ist weltweit weit verbreitet. Der Standard konzentriert sich auf das Design, die Implementierung und das Management von Sicherheitsinstrumentierte Systeme (SIS).

1.1 Einführung in die Prozessindustrie

Im Gegensatz zu diskreten Fertigungsindustrien – wie der Herstellung von Muttern, Schrauben oder Autoteilen – Prozessindustrie befasst sich mit der Umwandlung und Handhabung von Schüttgütern. Typische Branchen sind:

• Öl- und Gasproduktion
• Raffination
• Chemische Herstellung
• Pharmazeutika
• Andere kontinuierliche Verarbeitungsverfahren

Aufgrund der hohen Risiken in diesen Umgebungen ist die funktionale Sicherheit für die Gewährleistung eines stabilen und zuverlässigen Betriebs von Sicherheitssteuerungssystemen von entscheidender Bedeutung.

1.2 Zweck und Definition des Standards

Die IEC 61511 legt umfassende Anforderungen zur Erreichung funktionaler Sicherheit im Prozesssektor fest. Sie befasst sich mit Systemarchitektur, Hard- und Softwareentwicklung sowie Anwendungsprogrammierung. Das übergeordnete Ziel besteht darin, sicherzustellen, dass SIS kann Risiken zuverlässig reduzieren im Falle von Störungen oder anormalen Bedingungen.

Nach IEC 61511 ist ein Sicherheitsinstrumentiertes System (SIS) ist definiert als ein automatisiertes System, das dazu bestimmt ist, eine oder mehrere Sicherheitstechnische Funktionen (SIF)Es besteht typischerweise aus drei Kernelementen:

• Sensoren
• Logiklöser
• Letzte Elemente

1.3 Geltungsbereich

Die IEC 61511 umfasst die gesamten Lebenszyklus eines sicherheitsgerichteten Systems – von der Konzeption und Gefahrenanalyse über die detaillierte Planung, Installation, Inbetriebnahme, Betrieb, Wartung bis hin zur endgültigen Außerbetriebnahme. Es umfasst auch Anforderungen für Systemänderungen während des Betriebs.

1.4 Aufbau des Standards

IEC 61511 ist in drei Hauptteile gegliedert:

• IEC 61511-1: Funktionale Sicherheit – Systemanforderungen
  Legt die grundlegenden Definitionen, die Systemstruktur und die technischen Anforderungen an Hardware und Software fest.
• IEC 61511-2: Richtlinien für die Anwendung
  Bietet praktische Anleitungen zur Umsetzung der Anforderungen aus Teil 1.
• IEC 61511-3: Leitfaden zur Bestimmung von Sicherheitsintegritätsstufen (SILs)
  Hilft Benutzern, den erforderlichen SIL für jede Sicherheitsfunktion basierend auf einer Risikoanalyse zu bestimmen.

1.5 Entwicklung des Standards

Sicherheitstechnische Systeme (SIS) werden seit über einem halben Jahrhundert zur Minderung industrieller Risiken eingesetzt. Frühe SIS basierten auf pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Schaltkreisen, die sich durch einfache Architekturen und gut verstandene Ausfallarten auszeichneten.

In den 1970er Jahren kamen programmierbare elektronische Systeme (SIS) zum Einsatz. Diese boten zwar mehr Flexibilität, brachten aber auch neue Komplexitäten und Unsicherheiten mit sich. Diese Veränderungen erschwerten das Risikomanagement und machten aktualisierte Normen erforderlich. Die IEC 61511 hat sich entsprechend weiterentwickelt:

Die erste und zweite Ausgabe erschienen in 2003.

Die zweite Ausgabe brachte fast 200 Aktualisierungen, einschließlich Anforderungen für Spezifikationen für Sicherheitsanforderungen (SRS), Leistungsüberwachung, Ausfallratenbewertung, IT-Sicherheit und Funktionales Sicherheitsmanagement (FSM).Zusammenfassung der wichtigsten Elemente der IEC 61511

1.6 Standardzusammensetzung und Stakeholder

IEC 61511 wird oft als die Funktionale Sicherheitsnorm für die Prozessindustrie, insbesondere für Sicherheitsinstrumentierte Systeme (SIS)Es besteht aus:

1. Teil 1: Rahmenbedingungen und Anforderungen an Hard- und Software
2. Teil 2: Hinweise zur Umsetzung
3. Teil 3: Methodik zur Bestimmung des SIL

Es ist für alle Mitarbeiter relevant, die mit sicherheitsrelevanten Funktionen zu tun haben, darunter Systemlieferanten, Anlagenbetreiber, Wartungsteams, SIF-Designer, SIL-Analysten und EPC-Auftragnehmer.

1.7 Lebenszyklus der funktionalen Sicherheit

IEC 61511 definiert eine strukturierte Sicherheitslebenszyklus um sicherzustellen, dass SIS die Sicherheitsanforderungen konsequent erfüllt. Dazu gehören:

Analyse von Prozessgefahren und Dokumentation der erforderlichen SIFs

Implementierung von Systemen mit geeigneter Hardware, Software und Designmethoden

Überprüfen der Systemleistung und Anpassen dieser nach Bedarf

Betrieb und Wartung des SIS mithilfe standardisierter Verfahren bei gleichzeitiger kontinuierlicher Überwachung seiner Leistung

1.8 Anforderungen an das SIS-Verwaltungssystem

Der Standard schreibt eine systematischer Managementansatz zu SIS, das aus Sensoren, Logiklösern, Endelementen und unterstützenden Komponenten besteht, die alle zusammenarbeiten, um ein oder mehrere SIFs zu implementieren.

Ein konformes SIS-Managementsystem muss Folgendes umfassen:

Ein definierter Workflow über den gesamten SIS-Lebenszyklus: Bewertung, Design, Verifizierung, Installation, Inbetriebnahme, Validierung, Betrieb, Wartung und kontinuierliche Verbesserung

Klar zugewiesene Verantwortlichkeiten für alle beteiligten Rollen

Dokumentierte Verfahren zur Unterstützung jeder Verantwortung

Leistungsüberwachung und Feedbackschleifen zur Sicherstellung der kontinuierlichen Einhaltung des zugewiesenen SIL

1.9 SIL und Leistungsbewertung

IEC 61511 verwendet die Sicherheitsintegritätslevel (SIL) um zu quantifizieren, wie effektiv ein SIS das Risiko reduzieren kann.

Die SIL-Stufen werden durch Gefahren- und Risikoanalysen basierend auf der erforderlichen Risikominderung für jeden SIF bestimmt.

SIS-Design und -Architektur sind auf die Einhaltung des zugewiesenen SIL zugeschnitten

Während des Betriebs wird die Leistung durch Felddaten und mechanische Integritätstests bewertet

Wenn die tatsächliche Leistung hinter dem beabsichtigten SIL zurückbleibt, müssen Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, um die Konformität wiederherzustellen

2.0 IEC 61511 und IEC 61508 in der Prozessindustrie verstehen

2.1 Was ist Prozesssicherheit?

Prozesssicherheit ist ein systematischer Rahmen, der die Integrität von Systemen und Prozessen mit gefährlichen Stoffen gewährleisten soll. Er kombiniert technische Prinzipien, Konstruktionspraktiken und Betriebsverfahren, um die unbeabsichtigte Freisetzung gefährlicher Stoffe oder Energie zu verhindern. Das Konzept stammt von der US-amerikanischen Arbeitsschutzbehörde (OSHA) und wird häufig in Prozessen angewendet, die Hochgefährliche Chemikalien (HHCs).

2.2 Warum ist funktionale Sicherheit in der Prozessindustrie so wichtig?

Da Prozesssysteme immer komplexer werden, Funktionale Sicherheitssysteme werden zunehmend zur Minderung operationeller Risiken herangezogen. In vielen Ländern – wie beispielsweise Singapur –Sicherheitsnachweisregime sind mittlerweile verpflichtend. Unternehmen müssen funktionale Sicherheitsmanagementprogramme einrichten, die internationalen Standards entsprechen, um den gesetzlichen Verpflichtungen nachzukommen.

2.3 Beziehung zwischen IEC 61511 und IEC 61508

• IEC 61511 ist der prozesssektorspezifische Standard für funktionale Sicherheit, der sich auf die gesamten Sicherheitslebenszyklus von sicherheitsinstrumentierten Systemen (SIS) in Branchen wie Öl und Gas sowie Chemie.
• IEC 61508 dient als grundlegender Standard für funktionale Sicherheit in allen Bereichen, in denen elektrische, elektronische oder programmierbare elektronische (E/E/PE) Systeme zum Einsatz kommen. Sie dient als übergeordnete Norm für die Umsetzung der IEC 61511.

2.4 Sicherheitstechnische Systeme (SIS) und sicherheitstechnische Funktionen (SIF)

Ein Sicherheitsinstrumentiertes System (SIS) besteht typischerweise aus mehreren Sicherheitstechnische Funktionen (SIFs)Jedes SIF enthält die folgenden Schlüsselkomponenten:

• Sensoren– Abweichungen von normalen Betriebsbedingungen erkennen
• Logiklöser– Sensoreingänge verarbeiten und die Sicherheitslogik ausführen
• Letzte Elemente– eine sichere Reaktion einleiten (z. B. Ventile betätigen oder Geräte abschalten)

2.5 Sicherheitsintegritätsstufen (SILs) und Risikominderung

Sicherheitsintegritätslevel (SIL) ist das Leistungsmaß, das zur Quantifizierung der Risikominderungsfähigkeit eines SIS verwendet wird. Nach IEC 61511 werden die SIL-Anforderungen bestimmt durch Gefahren- und Risikoanalyse (H&RA) und werden als Leitfaden für die Systementwicklung und -überprüfung verwendet.

2.6 Aufbau der IEC 61511

Die IEC 61511 ist gegliedert in vier verschiedene Teile:

2.7 Der Sicherheitslebenszyklus: Ein geschlossener Kreislaufansatz von der Analyse bis zur Außerbetriebnahme

IEC 61511 übernimmt eine SIS-Sicherheitslebenszyklusmodell, wodurch sichergestellt wird, dass die funktionale Sicherheit während der gesamten Betriebslebensdauer des Systems erhalten bleibt.

Phase 1: Analyse (Blaue Phase)

• PHA – Prozessgefahrenanalyse: Identifizieren Sie Risikoquellen, mögliche Folgen und Ereignishäufigkeit.
• SIL-Bestimmung: Weisen Sie einen Erforderlicher Risikoreduktionsfaktor (RRF) und entsprechendes SIL für jedes SIF.
• SRS – Spezifikation der Sicherheitsanforderungen: Definieren Sie die Parameter und funktionalen Ziele jedes SIF.
• FSA – Bewertung der funktionalen Sicherheit: Unabhängige Überprüfung der Analysephase durch Dritte.

Phase 2: Design und Implementierung (Rote Phase)

• Geräteauswahl: Wählen Sie Komponenten mit entsprechender SIL-Zertifizierung oder bewährter Nutzungshistorie.
• Systemdesign: Definieren Sie Logikstruktur, Redundanz und Teststrategien gemäß SRS.
• SIL-Verifizierung: Verwenden Sie Tools wie exSILentia oder SILcet um Zuverlässigkeitsmetriken zu berechnen.
• FAT/SAT- und SIS-Validierung: Führen Sie Werks- und Standortabnahmetests durch, um die SRS-Konformität sicherzustellen.
• FSA Stufe 2: Unabhängige Beurteilung der Design- und Implementierungsqualität.

Phase 3: Betrieb und Wartung (Grüne Phase)

• SIS-Wartungsplan: Sorgen Sie für langfristige Zuverlässigkeit und regelmäßige Prüfungen jedes SIF.
• Leistungsüberwachung und Fehlermanagement: Verfolgen Sie wichtige Leistungsindikatoren (KPIs), um den Betrieb in der Praxis zu bewerten
• Systemmodifikationen und Änderungsmanagement: Halten Sie sich an Abschnitt 17 der IEC 61511, um eine unbeabsichtigte Risikoeinführung bei Änderungen zu verhindern.
• Laufende FSA: Führen Sie regelmäßige Audits durch, um die fortlaufende Einhaltung und Wirksamkeit während des Betriebs und der Wartung sicherzustellen.

3.0 IEC 61511 vs. IEC 61508: Wichtige Unterschiede und Abhängigkeiten

3.1 Wesentliche Unterscheidungsmerkmale: Umfang und Zielgruppe

IEC 61511 ist eine sektorspezifisches Derivat der IEC 61508, angepasst an die Bedürfnisse der Prozessindustrie. Obwohl in ihrer Anwendung maßgeschneidert, teilen beide Normen einen einheitlichen Rahmen in Bezug auf Lebenszyklusmodelle, Sicherheitsmetriken (z. B. SIL, PFD/PFH) und Prinzipien des funktionalen Sicherheitsmanagements.

3.2 Warum IEC 61511 für die Prozessindustrie von entscheidender Bedeutung ist

Auch wenn ein System Komponenten verwendet, die mit IEC 61508 kompatibel sind, Funktionale Sicherheit in der Prozessindustrie kann sich nicht allein auf die Konformität einzelner Geräte verlassenDie IEC 61511 gewährleistet eine Risikominderung auf Systemebene durch Folgendes:

SIF-Leistungssicherung: Bewertet die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen Geräten, um das Erreichen der erforderlichen Sicherheitsintegritätsstufen (SIL) zu bestätigen.

Wartungsoptimierung: Definiert Strategien für Proof-Testintervalle und die Aufrechterhaltung der Systemzuverlässigkeit.

Anforderungen für die Betriebsphase: Bietet wichtige Hinweise zur Installation, Inbetriebnahme, Bedienung und Wartung.

Änderungsmanagement: Mit der Weiterentwicklung von Prozesssystemen schreibt IEC 61511 vor, dass Jede Änderung muss auf ihre Auswirkungen auf die funktionale Sicherheit geprüft werden.

Validierung der Anwendungssoftware: Während IEC 61508 eingebettete Software regelt, IEC 61511 beschreibt Verifizierungsmethoden für Logik auf Anwendungsebene (z. B. Level-/Flow-Steuerungsprogramme).

3.3 Koordination zwischen den Standards bei der SIL-Implementierung

Die IEC 61511 konzentriert sich auf Implementierung auf Systemebene und Lebenszyklus-Governance, während IEC 61508 sicherstellt Design auf Geräteebene, Zertifizierung und eingebettete SicherheitsfunktionenZusammen bilden sie eine ergänzendes Framework für funktionale Sicherheit.

3.4 IEC 61511 Anforderungen an mechanische Elemente

Obwohl sich IEC 61511 auf elektrische/programmierbare elektronische Systeme, viele Endelemente sind mechanisch (z. B. Absperrventile, pneumatische Antriebe, Druckbegrenzungsventile). Mechanische Fehler können direkt zum Ausfall der SIF führen. Die Norm fordert daher:

Zuverlässigkeitsdaten für mechanische Komponenten

Mechanische Komponenten muss PFD/PFH-Daten bereitstellen;

Die Einhaltung kann nachgewiesen werden durch:

• Praxiserprobt Daten (entsprechend den Anforderungen der IEC 61508);
• SIL-Eignung Aussagen von Herstellern;
• Zertifizierungen durch Dritte(z. B. vom TÜV oder Exida).

Regelmäßige Abnahmeprüfungen

Definieren Sie geeignete Proof-Test-Intervalle;

Wartungspläne müssen Folgendes umfassen: Funktionstests (z. B. Ventilbetätigungsreaktion);

Testdaten müssen in Risikobewertungen und Lebenszyklus-Updates eingespeist.

Einbeziehung in die Systemzuverlässigkeitsmodellierung

Integrieren Sie mechanische Elemente in FMEA- oder FTA-Modelle auf Systemebene;

Berechnen Sie den PFD des gesamte Stellgliedschleife (Ventil + Aktuator + Logik);

Das System muss den zugewiesenen SIL erfüllen vor Inbetriebnahme.

3.5 Koordinierte Implementierungsstrategie

4.0 Abschluss

IEC 61508 und IEC 61511 bilden zusammen das Rückgrat der funktionalen Sicherheit in der Prozessindustrie. Während IEC 61508 einen allgemeinen Rahmen auf Geräteebene für sicherheitsrelevante Systeme bietet, passt IEC 61511 diese Prinzipien an die spezifischen Anforderungen realer sicherheitsgerichteter Systeme (SIS) während ihres gesamten Lebenszyklus an – von der Risikobewertung und dem Systemdesign bis hin zur laufenden Wartung und Modifikation.

In komplexen und risikoreichen Industrieumgebungen reicht die Konformität auf Geräteebene allein nicht aus. Nur ein umfassender, lebenszyklusbasierter Ansatz – der SIF-Definition, SIL-Zuweisung, Verifizierung und Leistungsüberwachung umfasst – kann nachweisbare Sicherheit und Betriebszuverlässigkeit gewährleisten.

Das Verständnis der gegenseitigen Ergänzung dieser beiden Normen ist für Ingenieure, Integratoren und Sicherheitsmanager, die robuste SIS-Architekturen aufbauen und pflegen möchten, unerlässlich. Bei effektiver Kombination ermöglichen IEC 61508 und IEC 61511 einen konsistenten, prüffähigen Weg zur Risikominderung, Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und langfristiger Anlagensicherheit.

Verweise

www.wolterskluwer.com/en/expert-insights/functional-safety-the-next-edition-of-iec-61511

safetyandsis.com/compliance-with-iec-61511/

www.tuvsud.com/en-in/resource-centre/blogs/iec-61511-explained—alles-was-Sie-wissen-müssen

www.abhisam.com/iec-61511-iec-61508/

https://www.alekvs.com/iec-61508-explained-functional-safety-and-safety-integrity-levels-sil-guide/