Milano, 30 novembre Gli atti dei convegni e più di contenuti su

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1 Milano, 30 novembre 2017 Gli atti dei convegni e più di contenuti su

2 Safety e Ethernet: convivenza tecnologica? Ing. Micaela Caserza Magro - Genoa Fieldbus Competence Centre

3 GENERALITA PROFIBUS e PROFINET International (PI) è una delle più grandi comunità di automazione industriale al mondo e sono responsabili di PROFIBUS e PROFINET, le due tecnologie abilitanti più 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 aziende associate collaborano strettamente per ottenere la migliore automazione possibile.

4 ORGANIZZAZIONE Czech Rep. RPA, PICC, PITC, PITL Denmark RPA Finland RPA Belgium RPA, PICC, PITC France RPA, PICC, PITC Germany & Austria RPA, PICC PITC, PITL Ireland RPA, PICC, PITC Italy RPA, PICC, PITC Netherlands RPA, PICC, PITC, PITL Norway RPA, PICC, PITC Poland RPA, PICC, PITC Canada PICC, PITC Slovakia RPA Spain RPA, PICC, PITC Sweden RPA, PICC Switzerland RPA, PICC, PITC UK RPA, PICC, PITC China RPA, PICC, PITL India RPA, PICC Brazil RPA, PICC, PITC Chile RPA, PICC, PITC Japan RPA, PICC, PITL Korea RPA, PICC Middle-East / UAE RPA, PICC USA RPA, PICC, PITC, PITL Southern Africa RPA, PICC, PITC PI worldwide: 25 Regional PI Associations (RPA) South-East-Asia RPA Australia/ New Zealand RPA, PICC, PITC Lebanon PICC Saudi Arabia PICC, PITC PI Technical Support: 55 PI Competence Centers (PICC) 31 PI Training Centers (PITC) 10 PI Test Laboratories (PITL)

5 STRUTTURA SITO WEB PI

6 Nodi PROFINET 5

7 LA SICUREZZA FUNZIONALE

8 Che cosa è la sicurezza funzionale 7 La Sicurezza Funzionale è: 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 è a discrezione dell utilizzatore

9 Un sistema di sicurezza per 8

10 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 può essere una funzione di protezione o di controllo Sistema strumentato di sicurezza (SIS): sistema di sicurezza utilizzato per realizzare una o più funzioni di sicurezza strumentata. Un SIS è 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

11 SIS E BPCS 10

12 Dove serve la safety? 11

13 Che cosa è la safety? 12 Evitare gli errori sistematici Criteri per la valutazione del raggiungimento degli obiettivi di safety definiti da normative: - SIL (IEC 61508) - PL (EN ISO 13849) Obiettivi Padroneggiare gli errori o le avarie casuali Padroneggiare gli errori sistematici

14 Che cosa è il SIL 13 SIL (Safety Integrety Level): Livello discreto (da 1 a 4) per specificare i requisiti di integrità delle funzioni di sicurezza che devono essere assegnate ai SIS (Safety Instrumented Systems), dove il livello 4 rappresenta il livello più alto di integrità di sicurezza ed il livello 1 il livello più basso di integrità di sicurezza

15 SIL Cosa include la sicurezza funzionale 14 Gestione della sicurezza funzionale Ciclo di vita della sicurezza Evitare guasti sistematici Controllare guasti Probabilità guasti casuali Restrizioni di architettura

16 PFD e PFH per SIL 15 Safety Integrity Level Low demand mode of operation PFD < PFD < PFD < PFD <10-4 Safety Integrity Level High demand or continuous mode of operation PFD < PFD < PFD < PFD <10-8

17 Il panorama normativo - processo 16

18 Il panorama normativo 17

19 PROFISAFE

20 Che cosa è Profisafe 19 ProfiSafe è una tecnologia supplementare per PROFIBUS e PROFINET. Questa tecnologia riduce la probabilità 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

21 I vantaggi dell integrazione 20 Riduzione materiali di cablaggio Una sola CPU Coesistenza di un programma standard e failsafe Unico bus di comunicazione Un solo ambiente di programmazione Prestazioni in accordo ai limiti IEC 61508

22 Profisafe 21 PROFIsafe È un layer aggiuntivo sopra i protocolli esistenti PROFIBUS e PROFINET Riduce la probabilità 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

23 Approccio Black Channel 22

24 Profisafe: elementi HW e SW 23

25 Peculiarità Profisafe 24 Consecutive numbering Data integrity checks Wacth-dog Codename

26 Meccanismi di protezione 25

27 Formato dati ProfiSafe 26

28 Cicli di comunicazione ProfiSafe 27

29 Architettura Safety 28

30 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

31 ProfiSafe: un sistema in crescita 30

32 FIELDBUS E PROCESSO

33 32 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 Possibilità di accesso da remoto Assett Management MCT Petrolchimico Crowie Plaza Hotel 30 Novembre 2017 Micaela Caserza Magro

34 33

35 34 LIVELLI Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Connessione Fisico FUNZIONI 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

36 35 Livello di Fabbrica TCP/IP Livello macchina Tasks complesse, molti dati PLC Ethernet PC Coupler DP/PA Veloce, pochi dati HMI PROFIBUS DP/FMS Controllori PROFIBUS DP PROFIBUS PA Ex Livello campo Sensori Azionamenti Variatori I/O Valvole Trasmettitori I/O

37 36 Mezzo fisico RS 485 Rame Fibra ottica MAC Master/slave Comunicazione ciclica Scambio dati di controllo da master e slave Ogni slave è legato ad un solo master Comunicazione aciclica Scambio dati di configurazione Dati diagnostici

38 37 Mezzo fisico MBP - IS Rame MAC Master/slave Comunicazione ciclica Scambio dati di controllo da master e slave Ogni slave è legato ad un solo master Comunicazione aciclica Scambio dati di configurazione Dati diagnostici

39 Lo scopo di un coupler è quello di riunire sulla stessa rete DP uno più segmenti di rete Profibus PA Il coupler è trasparente rispetto alla comunicazione. Questo significa che il protocollo è trasferito immutato e non è 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 può supportare tanti DP/PA coupler quanti sono necessari per coprire il numero massimo di indirizzi liberi (123) 38

40 Lo scopo di un link è quello di riunire sulla stessa rete DP uno più segmenti di rete Profibus PA Il link è 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 39

41 Le topologie ammesse in Profibus PA sono le stelle ed i bus lineari 40

42 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 flessibilità di rete

43 42

44 I dispositivi Profibus PA trasferiscono ciclicamente, assieme al valore di processo, un «value status» che contiene informazioni facilmente interpretabili. Il «value status» è categorizzato in 6 classi come specificato da NAMUR NE

45 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 44

46 INDUSTRIAL ETHERNET

47 Che cosa è Industrial Ethernet?

48 Requisiti base per ambiente industriale Mission critical Non sono ammessi fermi o perdite di pacchetti «Rumore» elettrico Impianti di BT, MT insieme ad impianti di segnale Presenza di carichi disturbanti Presenza di rumore e disturbi Ambiente «sporco» Temperature estreme Polvere Agenti chimici Vibrazioni Interoperabilità Possibilità di comunicare con altri dispositivi Possibilità di rendere disponibili dati anche attraverso protocolli diversi Multi produttore Comunicazione real-time e deterministica Livelli di priorità Alcuni dati devono essere deterministici e real-time Alcuni dati sono non time critical

49 Requisiti base per ambiente industriale Cablaggio Connettori Hardware Software

50 MODELLO ISO-OSI

51 TEMINOLOGIA ETHERNET 100 BASE-TX T: Unshielded Twisted pair TX: 2 coppie di categoria 5 F: Fibra ottica BASE=baseband / BROAD=broadband indica la velocità di trasmissione in Mbit/s (10, 100, 1000)

52 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

53 INDIRIZZO MAC Il MAC address è 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.

54 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 è IP); Data: dipende dalla lunghezza del dato da trasmettere; Check: è un campo che serve per identificare eventuali errori nella trasmissione.

55 METODO DI ACCESSO AL BUS: CSMA/CD CARRIER SENSE MULTIPLE ACCESS COLLISION DETECTION CSMA/CD

56 COLLISIONI Collisioni No determinismo

57 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

58 DOMINIO DI COLLISIONE Switch Statione 1 Statione 2 Statione 3 Statione n Statione 1 Statione n - Minimizzare la lunghezza del cavo - Minimizzare il numero di dispositivi su un dominio - Usare dei buffer

59 OGGETTI DI RETE 7 - APPLICATION 6 -PRESENTATION GATEWAY : converte i messaggi provenienti da protocolli diversi 5 - SESSION 4 - TRANSPORT 3 - NETWORK 2 DATA LINK 1 - FISICO ROUTER: invia i messaggi gestendo il miglior percorso in base all indirizzo IP di destinazione -> LOOKUP TABLE SWITCH / BRIDGE: invia i messaggi su MAC (gestione dinamica), gestisce ring di ridondanza, switch di tipo STORE & FORWARD e CUT THROUGH HUB / REPEATER: invia i messaggi su tutte le sue uscite, non possiedono un indirizzo MAC, non hanno alcun tipo di capacità di interpretare o ordinare i dati che ricevono

60 ETHERNET NON è DETERMINISTICO. QUALI SOLUZIONI No collisioni Priorità dei pacchetti RT No lunghi tempi di latenza Determin ismo Soluzioni SW sincroniz zazione Soluzioni HW - switch Soluzioni SW time slot

61 METODI PER IL DETERMINISMO - SWITCH Gli switch inoltrano i messaggi solo in modo mirato ai dispositivi e se necessario li trattengono. Vantaggio: non sono più possibili collisioni. Svantaggio: gli switch ritardano l invio dei messaggi. Il tempo di ritardo dipende dal carico sulla rete. Non è quindi possibile parlare in questo caso di "real time". Frame Frame

62 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 è attivo il proprio time slot. In tal modo si evitano le collisioni che comprometterebbero il determinismo. Vantaggio: possibilità 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. Switch Station 1 Station 2 Station 3 Station n

63 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 è possibile tramite Ethernet standard. Svantaggio: è richiesto un hardware particolare (con orologio interno) anche per gli switch. Inoltre è possibile controllare solo gli eventi ciclici in tempo reale.. Switch Station 1 Station 2 Station 3 Station n

64 PROFINET

65 Profinet 64 ERP MES Control Level Field Level Stesso fieldbus per l intero sistema. Dal ERP alla produzione

66 Profinet una soluzione scalabile 65 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 Automation Motion Control RT <100ms IT services <10ms <1ms TCP/IP IRT è real-time Ethernet

67 REAL TIME E TCP/UDP/IP 66 PC Internet Explorer HTTP PROFINET IO Device SNMP Socket TCP / UDP IP Real Time RT IRT PROFINET IO Device Ethernet PC SNMP Sensore API PROFINET IO controller

68 DEVICES PROFINET IO: STAZIONI 67 PROFINET IO-Controller (PLC, ) PROFINET IO-Supervisor (Tool di program., PC, ) Programma utente Con accesso agli I/O Parametrizzazione e diagnostica Ethernet Configurazione Dati di processo Allarmi Diagnostica Stati / controllo Paramétrizzazione PROFINET IO-Device (Device di campo, ) Lettura / Scrittura degli I/O PROFINET funziona secondo il modello Producer / Consumer

69 INDUSTRIAL ETHERNET - TOPOLOGIE 68 Può essere utilizzata qualsiasi tecnologia Topologia ad anello per assicurare maggiore disponibilità Strutture lineari per minimizzare i costi di cablaggio Anello Lineare Ad albero Stella Nutzen: Strutture di rete ottimizzate per ridurre i costi applicativi

70 INTEGRAZIONE PROFIBUS PA E PROFINET

71 PROFINET in Process Automation 70 DCS ERP MES Ethernet backbone Scambio dati a livello di impianto tracampo, DCS e livello IT Integrazione di fieldbus diversi attraverso i proxy PROFIBUS DP PROFIBUS PA PROFINET HART FF H1 PROFINET PROXY

72 Il concetto di Proxy la chiave di integrazione 71 Engineering system PROFINET Proxy 1 SPS IO Proxy 2 Fieldbus 1 Fieldbus 2 Il proxy mi permette di rappresentare un sistema filedbus in un sistema Ethernet-based È un IO Device per la rete PROFINET ed è un master per l altra rete fieldbus