أنظمة التّحكّم وارتباطها بالأمن والسّلامة الصّناعيّة

أنظمة التّحكّم وارتباطها بالأمن والسّلامة الصّناعيّة

سنتعرّف في هذا المقال على نظام السّلامة، بنيته، ودوره في  إبقاء المعامل الكيميائيّة، ومصانع التّكرير، ومنشآت التصنيع الأخرى تعمل بشكل أمن.

قد تشكّل المصانع الكيميائيّة، والبتروكيميائيّة، وعمليّات التنقيب، وتعبئة الغاز، وأنواع معامل ومنشآت تصنيع أخرى خطرًا كبيرًا نتيجة المخاطر التي قد تنشأ، مثل: الحرائق، والانفجارات، وفيضانات الخزانات، وانطلاق الغازات، أو التعرّض للمواد الكيميائيّة.

الطريقة الوحيدة للتقليل من هذه المخاطر هي إمّا عدم بناء هذه المعامل، أو عدم تشغيلها، ولكنّ هذا ليس حلاً عمليّاً، حيث أنّ هذه المعامل مفيدة، ومهمّة، وضروريّة في حياتنا اليوميّة.

حتى مساحيق التنظيف فإنّها تُصنع باستخدام عمليّة تتضمّن ضخّ سوائل تحت ضغط عالي، ورشّ القطرات في هواء ساخن جداً، ثمّ تجميع المنتج النهائي على شكل مسحوق، وهذه المواد يمكن أن تشكّل خطر في حال استنشاقها.

شكل يوضّح آليّة تصنيع المنظفات
شكل يوضّح آليّة تصنيع المنظفات

للتقليل من هذه المخاطر يتمّ تركيب نظام تحكّم بسير العمليّة، ولضمان التشغيل الآمن للمعامل يُدعم هذا النظام الذي يديره مجموعة من العاملين المؤهلين والمدرَبين بوسائل إنذار وكشف دقيقة، ومنظومة تنبيه، وعلى الرغم من ذلك لا يمكن لهذه الإجراءات لوحدها تقليل مخاطر حدوث الإصابات، والانفجارات، والحرائق، والكثير من المخاطر الأخرى.

بغضّ النظر عن أنواع المخاطر، يمثّل تصميم العمليّة وتصميم نظام التّحكّم والإنذار، وتدخّل العمال، مستوى الحماية الأول للنظام، وإنّ كلّ مستوى من هذه المستويات يؤمّن حماية أكبر لسير العمليّة في المصنع أكثر من المستوى الذي يدنوه.

نراعي في مرحلة تصميم العمليّة اختيار خطوط الإنتاج، والتجهيزات، والصمّامات بالمقاسات المناسبة، كما ننتبه إلى مواد البناء، والتجهيزات الملحقة الأخرى، فعند تركيب نظام التحكّم بالعمليّة نختار معدّات ومتحكّمات مناسبة، ونظم مراقبة لضمان تشغيل المعمل بشكل آمن من حيث قيم الضغط، والحرارة، ومعدّل التدفق.

تُركَّب أجهزة الإنذار بحيث تسمح للعمال بالتعامل مع الحالات الشاذة بشكل مناسب قبل أن يتحوّل الخطر إلى حادث.

شكل يوضّح مستويات الحماية الثلاثة (الإنذارات- نظام التحكّم الأساسي- تصميم العمليّة)
شكل يوضّح مستويات الحماية الثلاثة (الإنذارات- نظام التحكّم الأساسي- تصميم العمليّة)

على الرّغم من كلّ مستويات الحماية في مكان العمل، تبقى المخاطر أصعب من أن نستطيع منعها من تسبيب الحوادث.

بعض الأمثلة التي توضّح هذه الأخطار والحوادث

عام 1974، في “فلكسبور” في إنكلترا، انفجار في معمل لإنتاج أكياس النايلون يتسبّب في قتل 28 شخصًا وإصابة أكثر من 100.

عام 1984، في “بهوبل” الهند، تسرّب في معمل لتعبئة الغاز يتسبّب بمقتل 3000 شخص وإصابة 200000.

عام 2005، “تكساس”، انفجار في معمل تكرير النفط  يتسبّب في مقتل 15 شخصًا وإصابة أكثر من 150.

المعامل الثلاثة كانت تملك نظام تحكّم، وإنذارات، وعامِلين مؤهَّلين، ولكنّ مستويات الحماية الثلاثة هذه لم تمنع من وقوع الحوادث.

المخاطر في فلكسبور كانت مرتبطة بخط الإنتاج، حيث لم يتمّ تحديد هذه المخاطر بشكل دقيق، ولم يُستخدم نظام التّحكّم بشكل يقلّل هذه المخاطر.

في بهوبل، كان يعمل نظام التّحكّم على منع تسرّب الغاز الناتج، ولكن لم يُؤخذ بالحسبان السيناريو الذي قد يؤدي إلى وقوع الحادث.

في مدينة تكساس، العديد من العيوب التّشغيليّة والتقنيّة أدّت إلى وقوع الانفجار.

للتخفيف من المخاطر كالتي مرّت معنا، قامت إدارة السّلامة والصّحة المهنيّة /OSHA/، وعدّة شركات في مجال الصّناعات الكيميائية المرتبطة بإدارة السّلامة العالمية /ISA/، وعدّة مجموعات محترفة، بربط فكرة تعريف المخاطر ليس فقط بالعملية الإنتاجيّة أو مخاطر الخزانات فقط، وإنّما ربطوها بسير العمليّة ككل .

طوّرت المعايير /ISA84/، و/IEC61508/ مفهوم السّلامة المهنيّة. فيما بعد اندمجت المعايير القياسيّة /ISA/ الأميركية و/IEC/ المعايير القياسية الأوروبية ضمن مواصفات قياسية واحدة /ISA-84 ، ICE-61511/.
لتقليل المخاطر في المعامل والمنشآت الصّناعيّة وتحقيق السّلامة المهنيّة يجب تركيب نظام سلامة مصمَّم بشكل مناسب وله تجهيزاته المستقلّة.
نظام السلامة (SIS) يشكّل مستوى إضافي من الحماية، إضافة للمستويات الثلاث التي ناقشناها سابقًا.
هذه المستويات يجب أن تقلّص مخاطر عملية التشغيل 10 مرات على الأقل. هذا التقليص يمكن تسميته بمعامل تخفيض المخاطر، بحيث يكون أكبر أو يساوي 10.

شكل يوضّح مستويات الحماية بعد إضافة نظام توجيه الأمان /SIS/
شكل يوضّح مستويات الحماية بعد إضافة نظام توجيه الأمان /SIS/

إذًا كما رأينا، الكثير من مستويات الحماية مطلوبة من أجل تخفيض المخاطر، وجعلها ضمن الحدود المقبولة.
إنّ المستويات المقبولة للمخاطر يجب أن تحدَّد من قبل كلّ شركة على حدة، ولكنّ هناك الكثير من المعايير المشتركة للكثير من الصّناعات، مثل الصّناعات الكيميائيّة، والغاز، والنفط، والغذائيّة.

منحني يوضّح تناقص المخاطر مع زيادة مستويات الحماية
منحني يوضّح تناقص المخاطر مع زيادة مستويات الحماية

عمومًا، في الصناعات الكيميائية يقدَّر معدل الحوادث /FAR/ بـ 4، وقيادة السيارات تملك معدّل يقدَّر بـ 40.
إنّ تقدير معدّل الحوادث هو طريقة لقياس مجمل الأخطار الممكنة الحدوث.
بالإضافة إلى المستويات التي نوقشت سابقًا، يمكن إضافة مستويات أخرى مثل صمّامات الأمان، وفرق الاستجابة المجتمعية والعمالية، مثل قسم الإطفاء.

شكل يوضّح إضافة مستويات جديدة من الحماية
شكل يوضّح إضافة مستويات جديدة من الحماية

إذًا، الآن سوف نتعرّف على نظام السلامة SIS. إنّه نظام  يشمل على حسّاسات، ومعالجات منطقيةlogic solver، وعناصر تحكّم تعمل لهدف واحد؛ وهو توجيه العملية لتصبح أكثر أمانًا عند وجود إمكانية وقوع حوادث.
هذا يعني أنّ نظام السلامة SIS هو مجموعة أجهزة منفصلة عن نظام التحكّم الأساس، من أجل تأمين معامل تخفيض مخاطر أكبر من 10، لا يمكن ربط نظام السلامة SIS بنظام التحكم الأساسي.

شكل يوضّح نظام التحكم الأساسي ونظام توجيه الأمان للعملة
شكل يوضّح نظام التحكم الأساسي ونظام توجيه الأمان للعملة

المعالجات المنطقية هي عبارة عن /PLC/ مدّعمة ومتخصّصة، وكأنّها آلة تملك عدّة معالجات تنفذ الأوامر المنطقية بشكل متوازي للتأكد من سلامة ومنطقية نتائج تنفيذ الأوامر.

عندما يطبَّق نظام السّلامة على مستوى المهام الفردية يسمّى نظام سلامة المهمة، أو اختصارًا SIF) Safety Instrumented Functions). تستقبل المعالجات المنطقية دخل نظام السلامة SIS ثمّ تحدّد خرج نظام السّلامة الذي سيطبق على نظام سلامة المهمة SIF .
بفرض عملية نقل سائل من خزان إلى مفاعل بشكل طبيعي. متحكّم التدفق الموجود في نظام التحكم الأساسي يمكنه التحكّم وتكرار عملية انتقال السائل بسهولة، لكن عندما يصل المفاعل إلى مستوى خطر، يتمّ إغلاق الصمّام لإيقاف التدفق بهدف المحافظة على الخزان من خطر ارتفاع الضغط.

شكل يوضّح نظام التحكم الأساسي
شكل يوضّح نظام التحكم الأساسي

فيقوم نظام سلامة المهمة SIF في هذه الحالة بـ (منع زيادة الضغط في المفاعل)، والآن لنقم بإضافة عناصر نظام السلامة SIS الضرورية لتحقيق الغاية المطلوبة.

كما ترى حافظنا على عمل نظام التحكّم الأساسي بدون أي تعديل، ولكن أضفنا حسّاس ضغط ومعالج منطقي وصمام إغلاق لإيقاف التدفق بشكل مستقل عن نظام التحكم الأساسي. لقد أضفنا مستوى حماية مستقل لمنع زيادة ضغط المفاعل، هذا يرفع من أمان العملية ككل.
عند تصميم نظام السّلامة، يتوجّب على فريق التصميم تحليل مصادر المخاطر بشكل مفصل، وتحديد كل المخاطر المتوقعة، واختيار المخاطر التي تحتاج إلى نظام سلامة مهمة SIF.
تحدّد مصفوفة المخاطر مستوى المخاطر المسموحة والحدّ الذي تتطلب عنده مهمّة نظام سلامة معينة.
يمكن تحقيق ذلك إمّا نوعياً أو كميّاً من خلال إعطاء قيم عدديّة لمعدّل تكرار الخطر المتوقَّع وشدّته.

شكل يوضّح مصفوفة المخاطر
شكل يوضّح مصفوفة المخاطر

حتى نظام السلامة له احتمال فشل، فماذا لو أنّ حسّاس الضغط الموجود في مثالنا السابق لم يكتشف ارتفاع الضغط؟ ماذا لو أنّ صمّام الإغلاق لم يعمل عندما وصل إليه أمر الإغلاق؟
يطلق على احتمالية فشل جهاز، سواء كان جهاز دخل أو خرج أو فشل المعالج الذي سيتسبّب بفشل نظام سلامة المهمة SIF في الاستجابة عند الحاجة له باحتماليّة الفشل عند الطلب أو (PFD).

احتمالية الفشل عند الطلب
احتمالية الفشل عند الطلب

على سبيل المثال، منظم الضغط لديه احتمال فشل حوالي 10/1 أو 10-1 في السّنة، وصمّام الإغلاق لديه احتمال فشل 100/1 أو 10-2. هذه القيم يمكن الحصول عليها من بيانات كل جهاز أو قاعدة معلومات الشركة المصنّعة.

شكل يوضّح قيم الفشل لأجهزة مختلفة
شكل يوضّح قيم الفشل لأجهزة مختلفة

عندما نصمّم نظام السلامة الكلي SIS نحتاج لكل نظام سلامة مهمة  SIFمن العملية أن نحدّد مجمل احتمالية الفشل عند الطلب (PFD) لكلّ مهمة، فإذا حدّدنا أنّ (PFD) يجب أن يكون أقل من0.01 أو عندها نظام  سلامة المهمة SIF يجب تصميمه بحيث يحقق مستوى أمان SIL  مساوٍ ل 2، بشكل مشابه عندما (PFD) عندها مستوى أمان SIL   يجب أن يساوي 1.
يمكننا الحصول على قيم PFD للأجهزة والمعالجات بسهولة، لكنّ حساب احتمالية الفشل الكلية لنظام سلامة مهمة يتطلب برامج حاسوبيّة، ويمكن أن نقول أنّ مستوى أمانSIL  أعلى يضمن لنا نظام سلامة المهمة أكثر موثوقيّة.
إنّ مستوى الأمان SIL 4 أو (PFD) متوفر ولكنّه غير عمليّ ومكلف.

جدول يوضّح قيم PFD
جدول يوضّح قيم PFD

هناك طريقة أخرى لتقليل المخاطر، وهي الزيادة أو التكرار. إنّ هذه الطريقة تسبّب زيادة التكاليف، ولكن بشكل عام تزيد موثوقية النظام و تقلل المخاطر.
مثال: وجود نظامين (نظام السلامة و النظام الأساسي) سيؤمّن سلامة أعلى من نظام بسيط.
ثلاثة أنظمة (اثنين منهما نظم سلامة) ستؤمّن سلامة أعلى ممّا سبق. إنّ تركيب نظامَي حماية ممكن أن يكون أكثر أمانًا وموثوقية، ولكن يتطلب تكاليف أكبر.

شكل يوضّح عملية مركب فيها إضافات أمان
شكل يوضّح عملية مركب فيها إضافات أمان

عندما يتم تصميم نظام السلامة SIS فإنّ المعايير القياسية ISA-84/ICE-61511 تملك منهج لتطوير وتصنيف الأنظمة ومبادئ التصميم التي يجب أن تتَّبع فمثلا لا يسمح بتغيير المتحكمات المنطقية،و متطلبات اختبار نظام سلامة المهمة أو أحداث أية تغييرات في العملية بعد أن يتم الموافقة على التصميم.

كملخصّ، إنّ الحوادث السابقة تدفعنا لتغيير نظرتنا تجاه المخاطر أثناء سير العمليات في المعامل. نحن ننظر اليوم إلى نظام السلامة SIS كوسيلة لتخفيف المخاطر، وتأمين بيئة آمنة.

الهدف الأساس من نظام السلامة هو تقليل المخاطر، والحوادث، والإصابات، وهو واحد من الأنظمة المتعددة التي تستخدمها المعامل للحماية والوقاية، ومنها تصميم العمليّة، والتجهيزات، والعمال المدربين، وبيئة العمل، ولكن عندما يطبَّق بشكل صحيح يؤمّن مستويات عالية من الأمان والسّلامة.

إنّ نظام السّلامة يشمل حسّاسات، ومعالجات منطقية، وأخيرًا عناصر التحكم التي توزَّع من بداية عناصر نظام التحكم الأساسي ومعالجاته المنطقية حتى آخر عناصر التحكم، كي يؤمن حالة آمنة عندما تظهر قيم غير طبيعية وخطرة قد تؤدي إلى وقوع الحوادث.


المصدر:هنا
ترجمة: يوسف طلال حسن , مراجعة: علي العلي, تدقيق لغوي: سلام أحمد, تصميم: علي العلي, تحرير: كرم ديوب

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *