計装技術者はどのようにSISシステムのSIL検算を行うか

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SIL評価とは、完成したSIF回路の全体的な安全性を定量的に評価し、要求される性能が満たされているかを検証するプロセスであり、本稿では昌晖計器が計装技術者向けに紹介するSIL評価の方法について解説します。 SIL検算 yunrun.com.cn/product/2846.html **安全監督管理総局の監督管理三司安監総管三116号文書の発表に伴い、2016年から安全計装システムSISは、「二重点一重大」に該当する既存設備や新規プロジェクトにおける標準装備となりました。政策の変更により、HAZOP/SILやSISシステムに関する情報があふれかえり、分かりにくい専門用語が乱立して、途方に暮れてしまうのは避けられない。 本稿の目的は、遠回しにせず、わざとらしくせず、できるだけ簡単な言葉で、SILやSIS、SIFには詳しくないが名前くらいは聞いたことのある計装エンジニアの方々に、SIL評価とは一体何なのかを最も分かりやすく説明することです。 簡単に言えば、SIL評価とは、構築された安全計装機能（SIF）回路の全体的な安全性を定量的に評価し、要求される性能が満たされているかを検証するプロセスです。 HAZOP分析においては、プロセスエンジニアが計装エンジニアよりも重要な役割を担い、ブレインストーミングの主役となって様々な潜在的リスクを特定し解決策を提案する必要がある。しかし、分析が完了しSIL評価が終了してSIL検証段階に入り、SIF回路がほぼ確定すると、ここでは計装エンジニアの出番となる。SIF回路も「検出部－制御部－実行部」で構成されており、以下の図の通りです：http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210123149990.png ただし、システムは制御回路のDCSからSIL認証を取得した安全計装システムSISに切り替わったものです。制御回路に精通した計装エンジニアなら、SIF回路と制御回路の共通点にすぐ気づくだろう。SIF回路内の各ユニットを構成するコンポーネントについて、あなた方ほど詳しい者はおらず、各ユニットコンポーネントのSIL性能を判断するのに最も適任だ。 SIL検証作業の進行にあなたの協力が必要な場合、計装エンジニアとしてどのような準備をすべきでしょうか？自ら検証計算を行う場合でも、第三者に委託して行う場合でも、下図に示すようないくつかの基本的な手順は避けられない。 ステップ1：格付け報告書の読解　問題1：まず、SIL検算とは何かを理解する必要があります 検証の目的は、各回路のSILレベルおよび要求される平均故障確率（PFD）が定められた基準を満たしているかを算出することです。もし基準を満たしていない場合は、安全計装システムの選定や設計をやり直す必要があります（「SISシステム（安全制御システム）の選定手順」に関する記事で調べることができます）。基準を満たしていれば、検証に合格したとみなされます。したがって、検証報告書における各回路の結果は、各回路の定格値と比較する必要がある。 平均故障確率（PFD）には規格において独自の定義があり、簡単に言えば、対応する計器／回路の故障の確率を表しています。もちろん、確率が低いほど事故が起きにくく、したがってSILレベルも高くなります。SIL2がSIL1よりも安全であり、それに応じて平均故障確率（PFD）も低いことは疑う余地がない。この点を心に留めておくことは、後のSIL検証報告書のレビューに大いに役立つだろう。 良いスタートは成功の半分です。完璧なSIL評価レポートは、間違いなく成功への第一歩です。 問題2：完璧なSIL評価報告書の「完璧」とは何を指すのか？ SIL評価報告書には、以下の内容が含まれるべきである：完全なSIF回路の記述および構造；各SIF回路のSIL分類と平均故障確率(PFDavg)。 完璧な例を挙げると、「SIF16脱硫塔の洗浄セクションにおける3つの温度TAHH2102A/B/C(2oo3)が上昇した場合、燃焼補助ファンK132を停止するか、MOV0203(1oo2)を遮断する」”；計測信号の番号が明確で、信号間の選択関係も明確（2oo3）であり、実行動作も明確でその番号も明確で、実行動作間の関係もまた明確（1oo2）である；PFD値とSILレベルも非常に明確です。 http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210135090380.png しかし、すべてのSIF回路の記述が上記のように明確であるわけではない。 あまり完璧でない例を挙げます。「酢酸タンクT43201Aの液面が極めて低いため、リレーによりバルブXV-43202Aが閉じる」、では液面信号の番号はなぜなくなってしまったのでしょうか？このような状況が発生するのは、ほとんどの場合、グレーディング段階でP&IDがまだ完成していないか、あるいは新たに追加される予定の信号であり、当時はインデックスが分からなかったためです。この時、回路を完成させるための対応するポート番号を見つけ出すには、計装エンジニアに頼るしかない。 不完全な記述は、計装エンジニアが頻繁に直面する課題であり、最も大きな試練は、SIL分類報告書のSIF記述と手元のインターロック回路図が一致しないことを見つけ出すことです。この時、計測器エンジニアとしてすぐにパニックや不安を感じたのでしょうか？ まず最初に確認すべきことは、手元にある評価報告書がインターロック設計以前に作成されたものかどうか、そして後期の変更によってインターロック回路に変更が生じていないかという点です。もしそうであれば、SIL評価報告書を改訂することが最も理にかなった選択となります。前述の通り、SIL評価はSIL評価報告書に記載されているSIF回路やSILレベルに完全に依存しており、計算結果の判断はこれらを基準に行われます。もし評価報告書が実際の状況と一致していなければ、SIL評価は形だけのものに過ぎなくなります；もし格付け報告がすでに最新版である場合、ここで一つ概念を明確にしておく必要があります。SIF回路は連鎖回路と同等ではありません。両者の共通点は見られますが、SIF回路は安全保護の実行動作のみに焦点を当てています。安全保護機能はないものの、操作上必要で必ず実行しなければならない動作はSIF回路には含まれず、連鎖回路に含まれることがあります。下の図を比較してみて、何か気づきましたか？ http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210146548908.png 完璧な報告書であれ不完全な報告書であれ、その評価報告書を正しく理解し、その信頼性や有用性を判断することは、現場の計装エンジニアにとって避けて通れない任務です。評価報告書を比較してSIF回路内の各構成要素の型番を記入することで、計装エンジニアによるSIL検証サポートの第一歩が始まります。 第二ステップ：資料の収集 資料の収集は言うは易く行うは難しい。計器台帳、メーカーの資料パッケージ、工程フローチャート、各種仕様書にある複雑多様な情報の中から、何が必須で、何を省略してもよいのか？ 実際、この点はむしろ心配する必要はありません。第三者に検証計算を依頼する場合、第三者が必要な情報を明確に指定してくれるので、その指示に従って情報を収集すればよいのです。大まかに言えば、計装機器メーカーの型式や仕様は基本的な要件であり、点検周期や使用期間、故障時の平均修理時間も提供する必要があります。これらはすべて、検証計算において使用されるパラメータです。安全完全性計装システムSISは、構築しただけでは済まないシステムであり、その信頼性を保つために定期的なメンテナンスとテストが不可欠です。検証にあたっては、メンテナンス能力のバランスを考慮することが必須です。もし現場の計装エンジニアが、日常業務の中で特に計器の故障間隔や修理にかかる時間などに注意を払い、それらをメーカーに集約していけば、数十年後にはそれが貴重な現場での使用実証データとなるのです。 自分で検証計算を行うつもりの計測器エンジニアとしては、あなたはすでに戦闘機レベルですから、何が必要かは自分でわかっているはずです。 第三ステップ：証明書の整理 証明書はもちろんSIL証明書であり、証明書を整理する主な目的は、検証を行う第三者に無効データを提供するためです。このとき問題が生じます。検証ソフトウェアには既にデータベースが搭載されているのに、なぜわざわざ無効データを収集する必要があるのでしょうか？この疑問については、計算の段階で詳しく説明されます。 1、経験則第一に、対応する計装機器のSIL証明書を見つけること。 SIL証明書には、SILレベル、必要となる可能性のあるハードウェア要件（HFT）、タイプ（A/B）、故障データ（Lamda λ）など、多くの情報が含まれています。証明書は、この計器の安全機能の性能について証拠となります。現在、さまざまな出所からSIL証明書が氾濫しており、本物と偽物が混在する中で、データの信頼性も大きな問題となっている（「昌晖計器　計器のSIL証明書の真偽判定に関する独自の情報」という記事をBaiduで検索することをお勧めする）。これはまた別の話だ。しかし、SIL証明書があれば、検算においては何も問題ありません。 SIL証明書を確認する際には、2枚目のページがあるか、有効期限の情報が含まれているかを必ずチェックしてください。仪表の仕組みに詳しくないエンジニアは、以下のような罠にはまりがちです。「良いものを売っているつもり」の罠で、使用している仪表には証明書があると言われますが、その証明書は実際に使用しているモデル向けのものではないのです。十分に注意しましょう；量不足の罠で、証明書は該当するものですが、検算時には全く役立ちません。なぜなら証明書には1ページしかなく、SILレベルの情報は記載されているものの、対応する有効期限データは記載されていないからです。このとき、計測器エンジニアは根気強く努力し、メーカーに対して故障データの提供を求めなければならない。それは証明書の2ページにあるかもしれず、証明書に添付された報告書の中にあるかもしれない（報告書がないと答えるメーカーは、おめでとう、おそらく偽の認証機関に遭遇している）。また、安全マニュアルに記載されていることもある。 2、経験則第二条、提出されていない証明書はどうすればいいのか？ 以下のファイルには、望みの故障率が記載されている可能性があります。 ◆安全マニュアル(safety manual) ◆適合証明書(certificate of conformity) これら2種類の資料は、一般的にメーカー自身が提供する情報です。 3、経験則の第三に、上記の経験則がすべて適用できない場合、汎用データに依存することも一つの選択肢です。これはソフトウェアやデータベースの状況を踏まえて、専門の検算担当者が判断することになりますが、このとき現場の計装エンジニアの重要性が際立ってきます。計装エンジニアが提供する計器の種類や仕様に頼ることでのみ、第三者の検算者はデータを選定できるのです。 http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210150544114.png e*da証明書 上記の画像において、赤枠で示されている部分には、以下の情報が含まれています：型番：8314シリーズの電磁弁；メーカー：ASCO；タイプ：Aクラス；SIL等級：冗長なしの場合はSIL2、冗長ありで1の場合はSIL3、パス2H；無効データ：λSD/SU/DD/DU、すべて見つけましたか？ 上記のSIF回路データの入力と証明書の整理が完了し、ついに計算段階に入ることができました。この段階で、計算を委託した第三者が行う場合、計装エンジニアはリラックスして待つことができます。待っている間に、計算用のソフトウェアについて見てみましょう。 現在、昌晖計器が扱ったことのあるソフトウェアは、exSILentiaとRiskCloudの2種類です。 ほとんどのエンジニアは、煩雑で論理的な計算が必要な問題を解決するためにExcelを使うことに慣れているが、毎回自分で論理関係を構築するのは非常に面倒なことだ。SIF回路の検算は煩雑で変化に富み、回路ごとに構造が異なり、使用する計測器も違い、各プロジェクトにもそれぞれ要件がある。標準で示されている計算式は基本的に変わらないものの、どうすれば柔軟な構成で必要に応じてカスタマイズしつつ、標準的なアルゴリズムを適用して毎回計算できるようになるのか？このような場面では、Excelはやや不器用で効率的とは言えない。 E*da社が開発したexSILentiaは、同社の充実した計装機器認証データベースと数十年にわたる開発経験を活かし、IEC-61508/61511規格に基づいて故障データやメンテナンス能力の評価を導入しています。これにより、設計者はニーズに応じて自由にSIF回路を構築できる、非常に使いやすいプラットフォームが提供されます。検証計算において、exSILentiaは代替不可能な存在です。しかし、国内のユーザーにとっては、海外製の製品であっても実際に使用する際には様々な問題が生じます。国産の計測機器や装置を大量に使用している国内の石油化学企業に対して、exSILentiaには国産ブランドへのサポートが欠けています。exSILentiaには、同社が認定した安全計装機器の証明書を収集したデータベースが内蔵されています。e*da認定を受けた計装機器を使用する場合、データベースからメーカーと型番を選択するだけで失効データを計算に取り込むことができ、非常に便利です。E*da認証のSIL証明書でなくても、exSILentiaでは引き続き使用できます。ただし、計算担当者がユーザー作成機能を使って関連する証明書データを手動で入力する必要があります。また、その使用はこの計算に限られ、データベースに登録されていない証明書を次のプロジェクトで使用したい場合は、再び手動で入力する必要があります。これにより、元々データベースによってもたらされていた利便性が損なわれます。ましてや手頃な価格ではないため、コストパフォーマンスの悪さに思わずため息が出る。 それに比べて、後発のRiskCloud（歌略ソフトウェア）はこうした欠点をタイムリーに補っている。RiskCloud（歌略ソフトウェア）はオンラインでの計算を提供し、アカウントさえあればログインして計算が可能だ。豊富な計測器証明書データベースも備え、アフターサービスも迅速で、いつでも技術サポートを受けられる。価格について言うまでもなく、国産ソフトウェア特有の最高のコストパフォーマンスを誇り、さらに支払い方法も柔軟で、必要な期間だけのアカウントを提供し、利用期間に応じて料金を支払う仕組みになっている。 RiskCloud（歌略ソフトウェア）もE*daのデータベースを利用していますが、E*daのデータベースに比べて包括性が高く、E*da以外の証明書もすべて保持されます。また、ユーザーに対して自分の証明書をデータベースに提供するよう促しており、利用者が増え、使用されるプロジェクトが多くなるほど、蓄積されるSIL証明書の情報も増え、国産計測器のユーザーにとってより使いやすくなります。 どちらのソフトウェアもマルコフモデルアルゴリズムを使用しているが、比較するとexSILentiaの方が考慮するパラメータがやや多い。しかし、RiskCloud（カラクソフトウェア）がここ半年で急速にバージョンアップされた結果、そのパラメータはexSILentiaに非常に近くなっており、同じ条件で計算した場合の結果もほぼ同じである。 どちらのソフトウェアも計算結果やレポートの表をエクスポートでき、大きな違いはありません。 ◆歌略ソフトウェアのエクスポート用表とグラフ http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210155477340.png ◆計算結果の表のエクスポート http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210159053909.png ◆SIF回路構造図および計算PFDの傾向分析用円グラフ http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210208183582.png ソフトウェアの比較も終わったので、SIL検証報告書も出す時期だ。この瞬間、計装エンジニアはどのように報告書を確認し、それが適格な報告書かどうかを判断すべきでしょうか？ 以前見たSIL評価報告書や、記入したSIF回路データシートのことを覚えていますか？この時、それらを取り出して一つずつ開き、検証レポート内の詳細な計算書と照合し、SIF回路の情報がすべて正しく入力されているかを確認する必要があります。前述のexSlentiaでもRiskCloudでも、計算に使用されたすべてのパラメータや選択肢の詳細を記載した詳細な検証計算書を生成することができます。 結論としてSIF回路が定格要件を満たすかどうかを確認するだけでなく、計算書からは多くの詳細を見出すことができます：1、適用される基準は何か？ 2、SIF回路構造は正しく入力されていますか？ 3、e*da証明書を持つ計器の機種は、正しく選定されていますか？ 4、非e*da証明書の無効データは正しく入力されましたか？ 5、証明書のない計器には、適切な同規格の汎用データが使用されているか？ 6、実際の検出間隔に対応していますか？ 7、計算されたSIF回路の各ユニットおよび回路全体の平均故障確率PFDは？ ……ちょっと待って。この時点でRiskCloudの良い点は、計算書が中国語であることです。高度すぎて中国語化されておらず、全文が英語で英語が障害になってしまうようなexSILentiaのレポートのような心配はありません。 報告書の読み方、資料の収集、証明書の整理ができるようになりました。おめでとうございます、SIL検証の第1層に到達しました。