Budowanie lepszej sieci czujników bezpieczeństwa

    Podstawowe zagadnienia

  • Interfejs czujnika napędu (AS-i) charakteryzuje się systemem otwartym, wspieranym przez wszystkich większych producentów sterowników PLC.
  • System AS-i opracowano tak, aby był w stanie wykrywać 100% wszystkich błędnych pojedynczych bitów.
  • AS-i Safety at Work pozwala użytkownikom na modyfikację ustawień w czasie trwania projektu.

Interfejs czujnika stanu układu wykonawczego (ang. Actuator Sensor interface – AS-i) stanowi 2-przewodowe rozwiązanie sieciowe dla indywidualnych We/Wy, danych analogowych, urządzeń kodujących oraz inteligentnych czujników. Wkrótce po wprowadzeniu pierwszych elementów systemu, AS-i został zaakceptowany jako szybki i tani sposób transmisji cyfrowych danych We/Wy z obszaru działania do sterownika programowalnego PLC. Posiadając 31 węzłów We/Wy, system obsługuje w sumie 124 wejścia i 124 wyjścia (po 4 We/Wy dla każdego węzła). Dzięki swojej konstrukcji AS-i wymaga dla każdego węzła jedynie około 150 nanosekund na aktualizację stanu We/Wy.

Czas aktualizacji systemu wynosi w najgorszym przypadku jedynie około 5 milisekund. Oprócz szybkości przetwarzania zwrócono również uwagę na konieczność zastosowania systemu z o wyższej odporności na zakłócenia oraz na wyjątkową łatwość jego stosowania. W wyniku tego system AS-i oferuje konstrukcję wolną od topologii pętli oraz właściwości, pozwalające na oszczędność czasu, takie jak automatyczne zastępowanie pojedynczego węzła oraz podłączanie/odłączanie węzła pod prądem.

Ze względu na ogromny sukces w dziedzinie przemysłowych rozwiązań sieciowych systemowy interfejs czujników stanu napędów/układów wykonawczych AS-i bardzo szybko okrzyknięto idealnym wręcz kandydatem, by wreszcie mogła się dokonać kolejna zmiana paradygmatu w automatyce przemysłowej. Użytkownicy gotowi byli użyć AS-i jako “nietykalnego punktu odniesienia”, wręcz “świętej krowy” w obszarze zastosowań o stałych połączeniach. Najpierw, w 2001 roku w Europie, a rok później w Stanach Zjednoczonych wprowadzono standard systemów bezpieczeństwa w miejscu pracy (ang. Safety at Work – SaW) dla AS-i. Jak i wcześniej, istota wymogów bezpieczeństwa w miejscu pracy SaW musiała być zgodna z wszelkimi zastosowaniami w istniejących systemach, niezależnie od tego, jak by nie były one przestarzałe.

Redukcja liczby przewodów w urządzeniach zabezpieczających

W celu zapewnienia bezpieczeństwa operatorom (przede wszystkim) oraz maszynom (w drugiej kolejności) należy zrobić wszystko dla opracowania rozwiązania, które byłoby niezawodne w najbardziej nawet niesprzyjających warunkach. Mimo, że system taki zawsze może zawieść pod względem bezpieczeństwa, nikt z użytkowników nie może pozwolić sobie na to, aby system często nieprawidłowo się wyłączał. Dlatego też bezpieczeństwo sieci musi opierać się na najbardziej stabilnych rozwiązaniach dostępnych w chwili obecnej. Ponieważ stabilność systemu jest zasadniczą korzyścią, płynącą z zastosowania AS-i, wybór wydaje się prosty. System AS-i opracowano tak, by był w stanie wykrywać: 100% wszystkich błędów związanych z zakłóceniami szumami, powodującymi powstawanie pojedynczych błędnych bitów (na przykład w sytuacji, w której szumy powodują zmianę/przekłamanie właśnie jednego bitu w pakiecie danych), 100% błędów związanych z dwoma nieprawidłowymi bitami oraz 99,9999% dla większej liczby nieprawidłowych bitów.

W połączeniu ze zróżnicowaniem sygnału danych i filtrowaniem sygnału, symulacje na szeroką skalę oraz próby terenowe dowiodły, że prawdopodobieństwo wystąpienia istotnego błędu jest skrajnie małe. Podjęto jednak dodatkowe kroki, aby uzyskać całkowitą zgodność ze ścisłymi wymogami, dotyczącymi systemów bezpieczeństwa.

Rys. 1. AS-i Sieć bezpiecznej pracy pozwala na transmitowanie informacji pomiędzy węzłami bezpieczeństwa a monitorami bezpieczeństwa

Sprzęt

AS-i SaW korzysta ze standardowego systemu AS-i, łącznie ze źródłem zasilania, oraz z bramki (gateway) AS-i lub skanera (rys. 1). Należy dodać jedynie dwa nowe podzespoły, aby możliwe było włączenie funkcji bezpieczeństwa do każdego istniejącego systemu AS-i, niezależnie od tego, jak stara jest instalacja. Tymi komponentami są węzły bezpieczeństwa i monitor bezpieczeństwa.

Węzły bezpieczeństwa są to węzły We/Wy, opracowane w celu zachowania zgodności z rygorystycznymi przepisami bezpieczeństwa, oferujące wejścia dla typowych urządzeń zabezpieczających, takich jak wyłączniki bezpieczeństwa (ang. Emergency Stop – E-stop), maty naciskowe (ang. Pressure Mats), wyłączniki kluczykowe (ang. Key Switches) czy blokady drzwi (ang. Door Interlocks).

Monitor zawiera urządzenia przełączające sygnał wyjściowy OSSD (ang. Output Signal Switching Device), zastępujące przekaźniki bezpieczeństwa stosowane w tradycyjnych instalacjach o stałych połączeniach. Jak wskazuje sama nazwa “monitor”, urządzenia te służą jedynie do monitorowania węzłów bezpieczeństwa.

Zrozumienie tego, w jaki sposób węzły bezpieczeństwa współdziałają z monitorami bezpieczeństwa, wymaga wprowadzenia dodatkowego pojęcia, takiego jak: dynamiczne kody bezpieczeństwa (ang. Dynamic Safety Code).

Dynamiczne kody bezpieczeństwa

Ponieważ system SaW, podobnie jak każdy system bezpieczeństwa, przesyła dane poprzez nośnik, który ze swojej natury nie jest stuprocentowo bezpieczny (nie ma wszak nic prostszego, jak przeciąć kabel), należy podjąć dodatkowe kroki w celu zagwarantowania, iż dane – pochodzące z kurtyn świetlnych (ang. Light Curtains), wyłączników kluczykowych oraz innych wejściowych urządzeń zabezpieczających – doprowadzą do niezawodnego i szybkiego uruchamiania urządzeń przełączających sygnał wyjściowy.

 Korzyści płynące ze stosowania systemu AS-i SaW

  • Zostały zatwierdzone jako bezpieczne urządzenia kategorii 4. oraz trzeciego poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa SIL (ang. Safety Integrity Level).
  • Nie trzeba stosować bezpiecznych sterowników PLC.
  • W jednej sieci AS-i znajduje się do 31 węzłów bezpieczeństwa.
  • Są one zgodne z istniejącymi instalacjami AS-i, niezależnie od tego, czy instalacje te są nowe, czy stare.
  • Istnieje możliwość dodawania węzłów bezpieczeństwa w każdym miejscu i w każdym czasie; aktualizacja konfiguracji trwa zaledwie kilka minut.l Widoczny jest stan (pobudzony/niepobudzony) monitora dla każdego wejścia bezpieczeństwa bez konieczności stosowania dodatkowego okablowania.
  • Wejścia bezpieczeństwa umieszczone są w obudowie umożliwiającej montaż w warunkach produkcyjnych.
  • Wejścia bezpieczeństwa i zwykłe wejścia znajdują się w jednym węźle bezpieczeństwa.
  • Łatwa konfiguracja przy użyciu narzędzia MS-Windows metody “przeciągnij i upuść” (ang. Drag-and-Drop Tool).
  • System umożliwia graficzne monitorowanie konfiguracji.
  • Istnieje możliwość umieszczenia monitora bezpieczeństwa w każdym dogodnym miejscu.
  • Urządzenia przełączające sygnał wyjściowy OSSD mogą być odczytywane za pośrednictwem AS-i.
  • Możliwa jest automatyczna wymiana pojedynczego węzła.

Każdy węzeł AS-i – niezależnie od tego, o jakim rodzaju węzła mówimy – otrzymuje 4 bity danych wyjściowych z bramki/skanera i odpowiada na nie 4 bitami danych wejściowych (rys. 2). Klasyczne węzły (czyli węzły bez zabezpieczeń) przesyłają 4 bity opisujące stan 4 podłączonych czujników. Tak długo, jak długo stan czujników się nie zmienia, dane z takiego węzła są “statyczne” w czasie.

Węzły bezpieczeństwa nie przesyłają danych typu “wyłącznik bezpieczeństwa jest włączony”, ale raczej “wyłącznik bezpieczeństwa nie jest włączony”. Wydawać by się mogło, że jest to banalna różnica, jednak jest ona niezwykle istotna dla SaW. Dopóki wejście bezpieczeństwa, podłączone do węzła bezpieczeństwa, nie jest pobudzone, przesyła unikalną sekwencję kodów bezpieczeństwa. To właśnie jest dynamiczna sekwencja kodów, która może być następnie oceniona. Oceny tej dokonuje monitor bezpieczeństwa.

Tak długo, jak wejście bezpieczeństwa podłączone do węzła bezpieczeństwa nie jest pobudzone, przesyłana jest sekwencja kodów bezpieczeństwa. Monitor bezpieczeństwa dokonuje porównania sekwencji otrzymanych kodów z sekwencją oczekiwaną. Dopóki nie istnieje pomiędzy nimi żadna różnica, urządzenie przełączające sygnał wyjściowy OSSD pozostaje bierne. Jednak w chwili wykrycia jakiejkolwiek różnicy monitor bezpieczeństwa przechodzi w awaryjny tryb pracy, uruchamiając urządzenia przełączające sygnał wyjściowy OSSD.

Rzeczywista kompatybilność

Podobnie jak w przeszłości, również obecnie każda modyfikacja AS-i wymaga pełnej zgodności z wcześniejszymi i późniejszymi standardami. Taka sama sytuacja występuje w przypadku systemów SaW. W tym miejscu należy zauważyć, że przesyłanie bezpiecznych danych pomiędzy węzłami bezpieczeństwa a monitorem bezpieczeństwa odbywa się wyłącznie w jednym kierunku. Monitor dokonuje oceny kodów bezpieczeństwa przesyłanych przez węzły bezpieczeństwa. Tam bowiem, gdzie w grę wchodzi bezpieczeństwo, nie ma nawet mowy o tym, aby stosować skaner sieci. Jeśli zaś chodzi o SaW, skaner ułatwia jedynie przepływ kodów bezpieczeństwa. Nawiasem mówiąc, skaner nawet “nie wie”, że węzeł bezpieczeństwa przesyła jakieś szczególne dane.

Podobnie nieistotne z punktu widzenia węzłów bezpieczeństwa jest stosowanie monitora bezpieczeństwa. Zadaniem węzła bezpieczeństwa jest dokonywanie oceny wejść i przesyłanie kodów bezpieczeństwa. Nie ma tu znaczenia, czy monitor bezpieczeństwa dokonuje oceny tych kodów. Tak samo jest w przypadku monitora bezpieczeństwa. Jego zadaniem jest dokonywanie oceny danych pochodzących z tych węzłów, które są rozpoznawane jako węzły bezpieczeństwa dzięki konfiguracji. Jeśli węzeł nie zostaje rozpoznany w konfiguracji jako bezpieczny, wówczas monitor bezpieczeństwa ignoruje pochodzące z niego dane.

Reasumując, staje się oczywiste, iż SaW jest w 100% kompatybilny z wszelkimi istniejącymi instalacjami AS-i, niezależnie od rodzaju stosowanych węzłów oraz tego, czy dana instalacja jest stara, czy nowa.

Konfiguracja

Instalacja jest bardzo prosta, ponieważ jedynie monitor bezpieczeństwa wymaga konfiguracji. Węzły bezpieczeństwa dodaje się po prostu tam, gdzie są potrzebne. Skaner AS-i (przy ustawieniach domyślnych) nie wymaga konfiguracji do pracy w systemach bezpieczeństwa. Bardzo łatwo nauczyć się stosowania systemu SaW. Po podłączeniu do sieci AS-i sprzętu, wykorzystuje się doskonały, intuicyjny interfejs ASiMON – monitor AS-i – w celu określenia konfiguracji i operacji logicznych wykonywanych przez system.

Przy użyciu interfejsu ASiMON użytkownik, który miał jedynie bardzo niewielki kontakt z systemem SaW, bez trudu potrafi skonfigurować monitor w kilka minut. Wszystko sprowadza się do określenia, które węzły bezpieczeństwa mają być monitorowane, w jaki sposób wyłączają się urządzenia przełączające sygnał wyjściowy OSSD (czyli kategoria zatrzymania poprzez 0 lub kategoria zatrzymania poprzez 1), a także, jak ponownie uruchamiają się urządzenia przełączające sygnał wyjściowy OSSD w chwili, gdy wyłączniki bezpieczeństwa zostają zwolnione, bądź też kiedy kurtyny świetlne zostają wyzerowane. Następnie ta konfiguracja jest ładowana do monitora. System uruchamia się po procesie elektronicznego wyrejestrowania. Oczywiście sposób konfiguracji może odbywać się w trybie bezpośrednim (na przykład każdy skonfigurowany wyłącznik bezpieczeństwa natychmiast uruchamia urządzenie przełączające sygnał wyjściowy OSSD) lub zaawansowanym (funkcje taktowania sygnałów, operacje logiczne, funkcja uruchamiania z zewnątrz oraz przeprowadzanie testów w fazie rozruchu urządzenia).

Co więcej, interfejs ASiMON oferuje również zaawansowane narzędzie diagnostyczne do określenia konfiguracji. Ponieważ każda operacja monitora bezpieczeństwa przedstawiana jest graficznie w postaci wykresu słupkowego, stan każdego słupka aktywności wyświetlany jest na ekranie diagnostycznym. Stosowane kolory wskazują na to, czy urządzenia przełączające sygnał wyjściowy OSSD są uruchomione, czy też nie, czy węzły bezpieczeństwa przesyłają kody bezpieczeństwa, czy też oczekiwane jest uruchomienie z zewnątrz.

Kiedy system bezpieczeństwa zostanie już w pełni skonfigurowany, można skopiować z monitora bezpieczeństwa plik rejestru, a następnie go wydrukować. Plik rejestru zawiera parametry wykorzystane do konfiguracji, co z kolei pozwala użytkownikowi kontrolować, co, kiedy i w jaki sposób zostało zrobione.

Rys. 2. Sekwencja kodu bezpieczeństwa jest transmitowana wtedy, gdy wejścia bezpieczeństwa na węzłach bezpieczeństwa nie są aktywowane. Monitor bezpieczeństwa porównuje otrzymaną sekwencję kodu z sekwencją oczekiwaną

Korzyści

Tak naprawdę użytkowników mniej interesują szczegóły techniczne, bardziej korzyści płynące z wdrożenia tych rozwiązań. W przypadku systemu AS-i Safety at Work przewaga nad rozwiązaniami o stałych połączeniach i innymi układami, opartymi na szynie zbiorczej, jest imponująca. System SaW pozwala bowiem użytkownikom na:

  • szybką konfigurację systemu bezpieczeństwa, oferując jednocześnie te same korzyści, co tradycyjne instalacje AS-i,
  • dalszą redukcję całkowitej liczby przewodów niezbędnych do wszelkich instalacji,
  • monitorowanie zarówno stanu, jak i poziomu bezpieczeństwa oraz wejść urządzeń przełączających sygnał wyjściowy,
  • instalację bezpiecznych urządzeń wejściowych i urządzeń przełączających sygnał wyjściowy OSSD w każdym miejscu sieci, a także na modyfikację ustawień w każdej chwili trwania projektu,
  • wydrukowanie rejestru (log), wygenerowanego przez ASiMON, dzięki czemu skraca się czas niezbędny do przygotowania dokumentacji systemu i jednocześnie zmniejsza się możliwość wystąpienia błędów w dokumentacji,
  • korzystanie z zaawansowanej wizualizacji, by można było sprawdzić zachowanie się urządzeń zabezpieczających,
  • dodawanie węzłów bezpieczeństwa wszędzie tam, gdzie jest to konieczne, nawet podczas końcowej fazy projektu,
  • dodawanie urządzeń przełączających sygnał wyjściowy OSSD w każdym miejscu i czasie.

Od czasu, gdy kilka lat temu wypuszczono na rynek pierwsze produkty spełniające wymogi standardu SaW, producenci sprzętu w ogromnym stopniu poszerzyli swój asortyment, oferując duży wybór zarówno węzłów bezpieczeństwa, jak i urządzeń zabezpieczających z wbudowanymi funkcjami bezpieczeństwa. W niedalekiej przyszłości można oczekiwać, że pojawi się więcej węzłów bezpieczeństwa przeznaczonych do montażu na miejscu, z dodatkowymi funkcjami – zamkniętych w obudowie modułów, które oferować będą również wyjścia niezabezpieczone, a także pojawią się węzły bezpieczeństwa do kurtyn świetlnych. Wciąż będzie też rosnąć liczba zintegrowanych rozwiązań, takich jak na przykład systemy blokowania drzwi. Dzięki temu, że użytkownicy mieli okazję doświadczyć elastyczności, łatwości oraz korzyści płynących ze stosowania systemów AS-i SaW, mają one szansę stać się podstawową siecią bezpieczeństwa.

Autor: Helge Hornis, kierownik Działu Systemów Inteligentnych w firmie Pepperl+Fuchs