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Safety e Ethernet: convivenza tecnologica?

Panoramica del Consorzio.
La sicurezza Funzionale.
- Funzione di Sicurezza Strumentata
- Sistema strumentato di sicurezza
- Altri livelli di protezione
Introduzione alla Safety.
Il panorama normativo - processo.
Il modello ISO/OSI.
Indistriale Ethernet.

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Atti di convegni o presentazioni contenenti case history
mcT Petrolchimico Milano novembre 2017 workshop

Pubblicato
da Benedetta Rampini
mcT Petrolchimico Milano 2017Segui aziendaSegui




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Estratto del testo
Milano, 30 novembre 2017 Gli atti dei convegni e pi di 8.000 contenuti su www.verticale.net Safety e Ethernet: convivenza tecnologica' Ing. Micaela Caserza Magro - Genoa Fieldbus Competence Centre GENERALITA' PROFIBUS e PROFINET International (PI) una delle pi grandi
comunit di automazione industriale al mondo e sono responsabili di
PROFIBUS e PROFINET, le due tecnologie abilitanti pi importanti
nell'automazione di oggi. L'interesse comune della nostra rete globale di venditori, sviluppatori,
integratori di sistemi e utenti finali che coprono tutte le industrie
consiste nel promuovere, supportare e utilizzare PROFIBUS e
PROFINET. A livello regionale e globale, circa 1.400 aziende associate
collaborano strettamente per ottenere la migliore automazione
possibile. ORGANIZZAZIONE Australia/
New Zealand
RPA, PICC, PITC Poland
RPA, PICC, PITC Canada
PICC, PITC Slovakia
RPA Southern Africa
RPA, PICC, PITC China
RPA, PICC, PITL Japan
RPA, PICC, PITL Korea
RPA, PICC South-East-Asia
RPA Middle-East / UAE
RPA, PICC India
RPA, PICC Czech Rep.
RPA, PICC,
PITC, PITL Brazil
RPA, PICC, PITC USA
RPA, PICC,
PITC, PITL Chile
RPA, PICC, PITC Denmark
RPA Finland
RPA UK
RPA, PICC, PITC Ireland
RPA, PICC, PITC Netherlands
RPA, PICC,
PITC, PITL Norway
RPA, PICC, PITC Switzerland
RPA, PICC, PITC Germany & Austria
RPA, PICC
PITC, PITL France
RPA, PICC, PITC Belgium
RPA, PICC, PITC Italy
RPA, PICC, PITC Sweden
RPA, PICC Spain
RPA, PICC,
PITC 25 Regional PI Associations (RPA) 55 PI Competence Centers (PICC) 31 PI Training Centers (PITC) 10 PI Test Laboratories (PITL) PI worldwide: PI Technical Support: Lebanon
PICC Saudi Arabia
PICC, PITC STRUTTURA SITO WEB PI www.profibus.com - www.profinet.com - www.profisafe.net 5 Nodi PROFINET LA SICUREZZA FUNZIONALE Che cosa la sicurezza funzionale 7 La Sicurezza Funzionale : Porzione della sicurezza globale correlata al processo/macchinario
che dipende dal corretto funzionamento di Sistema di Sicurezza e
di Altri Livelli di Protezione La Sicurezza Funzionale porta come risultato una limitazione al
rischio di:
- Incidenti o morti di persone
- Conseguenze disastrose per l'ambiente - Distruzione delle attrezzature e dei beni necessari per la produzione NOTA: un'applicazione di sicurezza tratta dei primi due aspetti, il terzo a discrezione dell'utilizzatore Un sistema di sicurezza per' 8 Alcune definizioni 9 Funzione di Sicurezza Strumentata (SIF): funzione di sicurezza
con uno specifico livello di sicurezza, necessaria per raggiungere o
mantenere lo stato sicuro, che pu essere una funzione di
protezione o di controllo Sistema strumentato di sicurezza (SIS): sistema di sicurezza
utilizzato per realizzare una o pi funzioni di sicurezza strumentata.
Un SIS composto da una qualsiasi combinazione di sensori, logic
solver ed elementi finali Altri livelli di protezione: livelli di protezione distinti e separati dal
SIS e che non utilizzano SIS SIS E BPCS 10 Dove serve la safety' 11 Che cosa la safety' 12 Obiettivi Evitare gli errori sistematici Padroneggiare gli errori sistematici Padroneggiare gli errori o le avarie casuali Criteri per la valutazione del
raggiungimento degli
obiettivi di safety definiti da
normative:
- SIL (IEC 61508)
- PL (EN ISO 13849) Che cosa il SIL 13 SIL (Safety Integrety Level): Livello discreto (da 1 a 4) per
specificare i requisiti di integrit delle funzioni di sicurezza che
devono essere assegnate ai SIS (Safety Instrumented Systems),
dove il livello 4 rappresenta il livello pi alto di integrit di sicurezza
ed il livello 1 il livello pi basso di integrit di sicurezza Cosa include la sicurezza funzionale 14 SIL Gestione della sicurezza funzionale Ciclo di vita della sicurezza Evitare guasti sistematici Controllare guasti Probabilit guasti casuali Restrizioni di architettura PFD e PFH per SIL 15 Safety Integrity Level Low demand mode of operation 1 10 -2 ' PFD <10-1 2 10 -3 ' PFD <10-2 3 10 -4 ' PFD <10-3 4 10 -5 ' PFD <10-4 Safety Integrity Level High demand or continuous mode of operation 1 10 -6 ' PFD <10-5 2 10 -7 ' PFD <10-6 3 10 -8 ' PFD <10-7 4 10 -9 ' PFD <10-8 Il panorama normativo - processo 16 Il panorama normativo 17 PROFISAFE Che cosa Profisafe 19 ProfiSafe una tecnologia supplementare per PROFIBUS e
PROFINET. Questa tecnologia riduce la probabilit residua
di errore della trasmissione dati
tra un controllore fail-safe
ed i dispositivi fail-safe.
ProfiSafe descrive soluzioni fail-safe per configurazione,
parametrizzazione e manutenzione I vantaggi dell'integrazione 20 Riduzione materiali di cablaggio Una sola CPU Coesistenza di un programma standard e fail- safe Unico bus di comunicazione Un solo ambiente di programmazione Prestazioni in accordo ai limiti IEC 61508 Profisafe 21 ' un layer aggiuntivo sopra i protocolli esistenti PROFIBUS e PROFINET ' Riduce la probabilit di errore di trasmissione tra un F-Host e un F-Device ' Coesistenza messaggi standard e messaggi di safety sullo stesso mezzo ' Mezzi trasmissivi supportati: rame, fibra ottica, wireless e backplane ' Certificato fino a SIL3, secondo IEC 61508 PROFIsafe Approccio Black Channel 22 Profisafe: elementi HW e SW 23 Peculiarit Profisafe 24 Consecutive numbering Wacth-dog Codename Data integrity checks Meccanismi di protezione 25 Formato dati ProfiSafe 26 Cicli di comunicazione ProfiSafe 27 Architettura Safety 28 Profibus & ProfiSafe 29 Le informazioni di safety sono trasmesse insieme ai dati di processo,
nel frame base di Profibus DP.
Il frame base ha a disposizione 244 byte. Profisafe riserva 128 bytes
di questi per i dati di safety ProfiSafe: un sistema in crescita 30 FIELDBUS E PROCESSO 32 MCT Petrolchimico 'Crowie Plaza Hotel ' 30 Novembre 2017 Micaela Caserza Magro Dispositivi di misura e controllo ' Pressione, temperatura, portata, posizionatori, drivers,etc Tempi di esecuzione dei loop ' 250 ms
' Prestazioni non time-critical Uso in aree classificate ' Installazione semplice e low cost Alimentazione sullo stesso cavo di segnale ' Riduzione dei costi Possibilit di accesso da remoto ' Assett Management 33 Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Connessione Fisico Meccanismo comune utile alle applicazioni distribuite
significato delle informazioni scambiate Formato delle informazioni scambiate:
struttura, sintassi, codifica Sincronizzazione e gestione del dialogo Mezzo di trasporto dell 'informazione tra sistemi differenti indipendentemente dalle reti realmente utilizzate Instradamento delle informazioni attraverso la rete
per moduli non direttamente connessi Trasferimento affidabile dell 'informazione Interfaccia meccanica e elettrica per lo scambio
dei segnali portanti l 'informazione LIVELLI FUNZIONI 34 35 PROFIBUS DP/FMS PROFIBUS DP PROFIBUS PA I/O Azionamenti Variatori Trasmettitori Valvole I/O Sensori TCP/IP Ethernet Ex HMI Livello campo Livello macchina Livello di Fabbrica Veloce, pochi dati Tasks complesse, molti dati PLC PC Coupler DP/PA Controllori 36 Mezzo fisico ' RS 485
' Rame
' Fibra ottica MAC ' Master/slave Comunicazione ciclica ' Scambio dati di controllo da master e slave
' Ogni slave legato ad un solo master Comunicazione aciclica ' Scambio dati di configurazione
' Dati diagnostici 37 Mezzo fisico ' MBP - IS
' Rame MAC ' Master/slave Comunicazione ciclica ' Scambio dati di controllo da master e slave
' Ogni slave legato ad un solo master Comunicazione aciclica ' Scambio dati di configurazione
' Dati diagnostici 38 ' Lo scopo di un coupler quello di riunire sulla stessa rete DP uno pi segmenti di
rete Profibus PA
' Il coupler trasparente rispetto alla comunicazione. Questo significa che il
protocollo trasferito immutato e non necessario configurare il segment coupler
'Il coupler impone un baudrate fisso anche per la rete Profibus DP a cui di va
collegare. Quindi anche la strumentazione DP si trova a lavorare ad un baudrate
basso
' Una rete DP pu supportare tanti DP/PA coupler quanti sono necessari per coprire
il numero massimo di indirizzi liberi (123) 39 ' Lo scopo di un link quello di riunire sulla stessa rete DP uno pi segmenti di rete
Profibus PA
' Il link un elemento della rete Profibus DP, quindi ha un indirizzo sulla rete DP
'Il link raggruppa in un un unico 'dispositivo equivalente' tutti gli strumenti PA ad esso collegati
' L 'utilizzo del link permette di esercire la rete Profibus DP al baudrate massimo 'Le topologie ammesse in Profibus PA sono le stelle ed i bus lineari 40 41 Lunghezza max 1900 m No. Max di dispositivi 31 Junction box: aumentano la lunghezza 31,25 kbit/s su distanze massime di 1,9 km Alta flessibilit di rete 42 43 ' I dispositivi Profibus PA trasferiscono ciclicamente, assieme al
valore di processo, un value status che contiene informazioni
facilmente interpretabili. Il value status categorizzato in 6 classi
come specificato da NAMUR NE 107 44 ' Lo status viene inviato alla stazione di manutenzione ed alla
stazione operatore, dove il segnale viene interpretato. La
visualizzazione viene fatta utilizzando i simboli definiti dalla NAMUR INDUSTRIAL ETHERNET Che cosa Industrial Ethernet' Requisiti base per ambiente industriale Mission critical
'Non sono ammessi fermi o perdite di pacchetti Ambiente sporco
'Temperature estreme
'Polvere
'Agenti chimici Rumore elettrico
'Impianti di BT, MT insieme ad impianti di segnale 'Presenza di carichi disturbanti
'Presenza di rumore e disturbi Vibrazioni Interoperabilit
'Possibilit di comunicare con altri dispositivi 'Possibilit di rendere disponibili dati anche attraverso protocolli diversi 'Multi produttore Comunicazione real-time e
deterministica Livelli di priorit
'Alcuni dati devono essere deterministici e real-time 'Alcuni dati sono non time critical Requisiti base per ambiente industriale Cablaggio Connettori Hardware Software MODELLO ISO-OSI TEMINOLOGIA ETHERNET 100 BASE-TX indica la velocit di trasmissione in Mbit/s (10, 100, 1000) BASE=baseband / BROAD=broadband T: Unshielded Twisted pair
TX: 2 coppie di categoria 5
F: Fibra ottica FAST ETHERNET Si parla di 100BASE-TX
Usa due coppie di Unshielded Twisted Pair (UTP)
Codifica 4B5B
Connettori RJ45
Topologia a Star con due soli nodi per segmento
Connessione Punto-Punto
Lunghezza max sgmento: 100m INDIRIZZO MAC Il MAC address un codice di 6 byte assegnato in modo univoco a
livello mondiale dal produttore ad ogni scheda di rete Ethernet.
Rappresenta un identificativo unico al mondo per un particolare
dispositivo di rete. STRUTTURA DEL TELEGRAMMA Un pacchetto (frame) Ethernet ha la seguente struttura: Destination / Source: contengono gli indirizzi MAC del device che deve
ricevere il segnale e quello del device che lo invia;
Type: dipende dal protocollo usato a livello di rete (per noi IP);
Data: dipende dalla lunghezza del dato da trasmettere; Check: un campo che serve per identificare eventuali errori nella
trasmissione. METODO DI ACCESSO AL BUS:
CSMA/CD CARRIER SENSE MULTIPLE
ACCESS
COLLISION
DETECTION
CSMA/CD COLLISIONI Collisioni No determinismo COLLISIONI In Ethernet, un messaggio deve essere lungo in modo tale da garantire che arrivi a destinazione prima che il trasmettitore abbia finito di
trasmettere, in altri termini il canale deve essere integralmente sfruttato.
La lunghezza minima del messaggio definisce la lunghezza massima della
rete, che prende il nome di Dominio di Collisione. Minimizzare il numero di dispositivi su un dominio, minimizzare la
lunghezza del cavo e usare dei buffer possono rappresentare una prima via per aggirare questo tipo di problemi DOMINIO DI COLLISIONE Statione
1 Statione
2 Statione
3 Statione
n Statione
1 Statione
n Switch - Minimizzare la lunghezza del cavo - Minimizzare il numero di dispositivi su un dominio - Usare dei buffer OGGETTI DI RETE 1 - FISICO 2 ' DATA LINK 3 - NETWORK 4 - TRANSPORT 5 - SESSION 6 -PRESENTATION 7 - APPLICATION HUB / REPEATER: invia i messaggi su tutte le sue
uscite, non possiedono un indirizzo MAC, non hanno alcun tipo di capacit di interpretare o ordinare i dati che ricevono SWITCH / BRIDGE: invia i messaggi su MAC (gestione dinamica), gestisce ring di ridondanza, switch di tipo STORE &
FORWARD e CUT THROUGH ROUTER: invia i messaggi gestendo il miglior
percorso in base all'indirizzo IP di
destinazione -> LOOKUP TABLE GATEWAY : converte i messaggi provenienti da protocolli diversi ETHERNET NON DETERMINISTICO.
QUALI SOLUZIONI Determin ismo No collisioni No lunghi tempi di latenza Soluzioni HW - switch Soluzioni SW ' time slot Soluzioni SW ' sincroniz zazione Priorit dei pacchetti RT METODI PER IL DETERMINISMO -
SWITCH Gli switch inoltrano i messaggi solo in modo mirato ai dispositivi e se necessario li trattengono. Vantaggio: non sono pi possibili collisioni.
Svantaggio: gli switch ritardano l'invio dei messaggi. Il tempo di ritardo
dipende dal carico sulla rete. Non quindi possibile parlare in questo caso di
"real time". Frame Frame METODI PER IL DETERMINISMO ' TIME SLOT Al protocollo Ethernet non deterministico viene sovraordinata una
procedura con assegnazione di un time slot, ovvero di un intervallo di tempo specifico. Nell'ambito dell'intero ciclo, ciascun nodo
"comunica" solo quando attivo il proprio time slot. In tal modo si
evitano le collisioni che comprometterebbero il determinismo. Vantaggio: possibilit di completo controllo del determinismo.
Svantaggio: tutti i nodi che si trovano sullo stesso segmento della rete
devono conoscere la procedura sovraordinata con assegnazione di
time slot. Basta un nodo non conforme per disturbare il determinismo. Station 1 Station 2 Station 3 Station n Switch METODI PER IL DETERMINISMO ' SINC Ciascun dispositivo sul bus possiede un orologio interno (clock).
Tramite uno speciale protocollo di sincronizzazione (IEEE1588)
viene assicurato che tutti gli orologi funzionino in modo
sincronizzato e che pertanto determinate azioni vengano eseguite
da tutti i nodi nello stesso momento. Vantaggio: il determinismo possibile tramite Ethernet standard.
Svantaggio: richiesto un hardware particolare (con orologio interno)
anche per gli switch. Inoltre possibile controllare solo gli eventi ciclici
in tempo reale.. Station 1 Station 2 Station 3 Station n Switch PROFINET Control Level ERP MES Field Level Stesso fieldbus per l 'intero sistema. Dal ERP alla produzione 64 Profinet ' Mezzo di comunicazione omogeneo ' Comunicazione realt-time scalabile fino all 'isocrono Apertura ai servizi IT e TCP/IP senza restrizioni sulla stessa rete
Integrazione anche del profilo per Process Automation Internet <10ms Automation <1ms Motion Control IT services TCP/IP <100ms IRT RT real-time Ethernet Profinet ' una soluzione scalabile 65 PROFINET IO Device HTTP SNMP Socket IP TCP / UDP REAL TIME E TCP/UDP/IP Sensore API
PROFINET
IO controller
PC
SNMP
PROFINET IO Device PC Internet Explorer Real Time
RT IRT
Ethernet 66 DEVICES PROFINET IO: STAZIONI Ethernet PROFINET IO-Supervisor
(Tool di program., PC, ')
Diagnostica
Stati / controllo
Paramtrizzazione Parametrizzazione e diagnostica PROFINET IO-Device
(Device di campo, ')
PROFINET IO-Controller
(PLC, ')
Lettura / Scrittura degli I/O Configurazione
Dati di processo
Allarmi
Programma utente Con accesso agli I/O PROFINET funziona secondo il modello Producer /
Consumer 67 INDUSTRIAL ETHERNET - TOPOLOGIE Pu essere utilizzata qualsiasi tecnologia Topologia ad anello per assicurare maggiore disponibilit
Strutture lineari per minimizzare i costi di cablaggio Nutzen: Strutture di rete ottimizzate per ridurre i costi applicativi Lineare Stella Anello Ad albero 68 INTEGRAZIONE PROFIBUS PA E PROFINET 70 PROFINET in Process Automation PROFIBUS DP PROFINET PROXY PROFINET ERP MES Ethernet backbone DCS HART PROFIBUS PA ' 1 2 3 4 5 6 7 8 16 ' 1 2 3 4 5 6 7 8 16 ' 1 2 3 4 5 6 7 8 16 FF H1 Scambio dati a livello di impianto traCampo, DCS e livello IT Integrazione di fieldbus diversi attraverso i proxy Il concetto di Proxy ' la chiave di integrazione Fieldbus 2 Proxy 1 PROFINET Fieldbus 1 SPS IO Proxy 2 Engineering system ' Il proxy mi permette di rappresentare un sistema filedbus in un sistema Ethernet-based ' un IO Device per la rete PROFINET ed un master per l 'altra rete fieldbus 71 Funzionamento IO controller PROFINET Fiel db us PROXY modulo PROFINET device description (GSDML) IO controller Tool di configurazione 72 Maggiori informazioni su www.profi-bus.it www.profibus.com Ing. Micaela Caserza Magro Genoa Fieldbus Competence Centre Profibus e Profinet Competence Centre info@gfcc.it GRAZIE PER L' ATTENZIONE


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