profinet io: il bus di campo ethernet come risposta … · profinet io: il bus di campo ethernet...
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P. Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center Italy - Brescia ©2008 CSMT Gestione 1
PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Paolo FerrariDipartimento di Elettronica per l’Automazione, Università di Brescia,
Via Branze 38 - 25123 Brescia (Italy)Tel: +39-030-3715445 fax: +39-030-380014
e-mail: [email protected]
PROFIBUS & PROFINET Competence Center Italy - Brescia
PROFINET IO: il bus di campo ethernet come risposta ai
problemi di safety e integrazione tra sistemi
http://www.csmt.it
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFILAB: PROFIBUS & PROFINET Competence Center ItalyCSMT Gestione Scarl è centro di competenza PROFIBUS e PROFINETPROFILAB è il Laboratorio PROFIBUS di CSMT Gestione ScarlL’attività di ricerca di PROFILAB è gestita dal Dipartimento di Elettronica
per l’Automazione dell’Università di Brescia
PROFILAB
CSMT GestionePCC Italy
DEA – Universityof Brescia
Great Britain
Netherlands
Sweden
Germany
France
USA
Belgium
Austria
China
PolandSwitzerland
Japan
S.-E.-AsiaRPA
S. Africa
Italy
Great Britain
Netherlands
Sweden
Germany
France
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China
PolandSwitzerland
Japan
S.-E.-AsiaRPA
S. AfricaS. Africa
Italy
http://www.csmt.it/profibus_profinet
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
RTE: normativaNuova norma IEC 61784-2 “Additional profiles for ISO/IEC 8802-3 basedcommunication networks in real-time applications”Viene integrata la IEC 61784-1 con i nuovi bus di campo su EthernetVerranno aggiunti:
• CPF 2 (ControlNet) – Ethernet/IP (CP 2/3, CP 2/4, CP 2/5)• CPF 3 (PROFIBUS, PROFINET) - (CP 3/4, CP 3/6, CP 3/6)• CPF 4 (P-NET) – (CP 4/3)• CPF 6 (INTERBUS) – (CP 6/4)• CPF 10 (VNET/IP) - (CP 10/1)• CPF 11 (TCnet) - (CP 11/1) • CPF 12 (EtherCAT) – (CP 12/1) • CPF 13 (Ethernet Powerlink) - (CP 13/1) • CPF 14 (EPA) - (CP 14/1) • CPF 15 (MODBUS-RTPS) - (CP 15/1) • CPF 16 (SERCOS) - (CP 16/3)
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Applicazioni in tempo reale
Applicazioni per misure, regolazioni… Sensore
Applicazione
Sensore Attuatore
Regolatori numerici:1. frequenza camp. fc=1/Tc << frequenze fs del sistema da regolare
(se il sistema è lento -fs~1Hz- non è un problema)2. tempo di camp. Tc rigorosamente costante (basso jitter ∆Tc/Tc < 0.1%)3. ritardo Td (latenza) tra acquisizione dell’ingresso e generazione
dell’uscita piccolo e costante
Td = Tcom.(richiesta) + Tsensore + Tcom.(lettura) + Tapplicazione + Tcom.(scrittura) + Tattuatore
∆t
∆xMisure {x, t}i : riferibilità temporale1. accuratezza/risoluzione nel tempo e nella misura2. possibilità di acquisizione simultanea
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
DETERMINISMOCapacità di servire una richiesta in un tempo limitato e noto a priori(massima latenza nota)
ISOCRONIACaratteristica di comportamento strettamente ripetitivo nel tempo(basso jitter)
Applicazioni in tempo reale: parole chiave
SERVIZI DI SINCRONIZZAZIONESincronizzazione della comunicazione (TDMA)
Sincronizzazione dell’I/O (global read, global write)
Sincronizzazione delle applicazioni
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET IO
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Perché scegliere PROFINET?Dove e quali sono i vantaggi?
PROFINET manterrà ciò che promette?
Quali sono le differenze con le altre tecnologie?
Attenzione alle campagne di disinformazione !
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Ethernet è un sistema che trasmette i dati in modo standardEthernet non è di per se stessa un protocollo
Mettere un bus di campo esistente su Ethernet è una delle cose più semplici da fare (qualcuno ancora lo fa)
Ma PROFINET non lo fa perché non è efficiente e non si introducono vantaggi rispetto ai bus di campo esistenti
Il modo migliore è avvantaggiarsi di Ethernet standard e migliorarla
Il modo in cui ciò è fatto differenzia le varie soluzioni RTE
PROFINET non è PROFIBUS su EthernetPROFINET non è PROFIBUS su Ethernet
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET, come molti concorrenti, è completamente compatibile con la IEEE802.3 Ethernet StandardDi più, può addirittura convivere con i sistemi concorrentiPermette ci collegarsi facilmente a sistemi ITTrasmette contemporaneamente dati Real-Time e TCP/IP
PROFINET è Ethernet standardPROFINET è Ethernet standard
E’ gestito da PI, organizzazione internazionale di cui fanno parte 1400 compagnie32 Competence Center, 7 laboratori di test, 50 working group, la più grande rete mondiale per assicurare piena interoperabilità
PROFINET è uno standard apertoPROFINET è uno standard aperto
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Ethernet è definita nello standard ufficiale IEEE 802.3, per i solilivelli 1 e 2 dello stack ISO. Ethernet è stata progettata per l’utilizzo negli ambienti officeEthernet è usata dai livelli superiori, ai livelli 3 e 4 per esempio possiamo trovare TCP/IP e UDP/IPTCP e UDP sono standard “de facto” ma non sono parte della IEEE802.3. Non devono per forza essere usati se si usa EthernetTCP è stato progettato per gli ambienti office, dove tempi di risposta di 200-300 ms sono tollerabili.Al crescere del traffico aumenta il jitter introdotto dagli switch. Le reti vanno configurate e mantenute “blindate” per garantire un minimo di prestazioni
PROFINET bypassa TCP solo per il Real-TimePROFINET bypassa TCP solo per il Real-Time
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Una mezzo di comunicazione omogeneo per tutte le necessitàdegli utilizzatori
Comunicazione Real-Time scalabile fino all’isocrono Apertura ai servizi IT e TCP/IP senza restrizionie tutto su un cavo solo
Automazione di fabbrica
Applicazioni alMotion ControlComunicazione
standard
IT Services, TCP/IP<1ms10ms100ms
Real-Time: IRT
La comunicazione in PROFINET
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Uso di standard IT ben notiGestione della rete (DHCP)Diagnosi di rete (SNMP)Accesso remoto tramite WEB (HTTP)
Komponente: Spülen
PROFINET: integrazione con il mondo IT
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET IO: tipi di dispositivi contemplatiPROFINET IO-Controller:
Scambia dati con gli IO-Device ad esso assegnatiDispositivo che contiene il programma applicativo
PROFINET IO-Device: Dispositivo di campo collegata all’IO-Controller
PROFINET IO-Supervisor: HMI e diagnostica della stazione
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Ethernet
es. PLCIO-Controller
ConfigurazioneDati di processoAllarmi
ConfigurazioneDati di processoAllarmi
Diagnostica
Up/Download
Diagnostica
Up/Download
Lettura e scrittura I/OLettura e scrittura I/O
Il programma applicativo accede ai
dati di processo tramite l’immagine del PLC
Il programma applicativo accede ai
dati di processo tramite l’immagine del PLC
Field DeviceIO-Device
Commissioning,diagnostica
Commissioning,diagnostica
Programmazione dei dispositiviPC:PROFINET Supervisor
PROFINET IO: relazioni tra i dispositivi
DiagnosticaStatus/ControlParametrizzazione
DiagnosticaStatus/ControlParametrizzazione
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET IO: modello dei dispositiviIl modello dei dispositivi PROFINET IO è comparabile a quelladi PROFIBUS Si definiscono slot, sottoslot e canali. Descrizione contenutanei file di descrizione scritto in XML (il file è chiamato GSD)
I moduli di I/O sono gli stessi di PROFIBUS:Protezione degli investimentiSemplificazione gestione
Ogni sottomodulo ha: IO-data, Diagnosis-data, Data blocks, Alarms
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET IO: implementazionePeriferica decentrata:
Cambia l’interfaccia sul busI moduli possono essere riutilizzati
Configurazione/programmazione: Rimane identica a prima
Protezione degli investimenti
PROFIBUS
PROFINET
PROFINET
GSD
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Slot 0
Bus-Interface
Slot 1
Sub slot 3 Sub slot 4
Sub slot 2Sub slot 1
Slot 2
Sub slot 1
Slot 3
Sub slot 4
Sub slot 6
PROFINET IO: modello di un IO-DevicePeriferia IO-Periphery esistente e Interfaccia bus PROFINET = PROFINET-DeviceL’ IO-Data è sempre assegnata ad un sub-slot.Ogni sub-slot può avere dati di IO e allarmi
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
IO-Device1 IO-Device2
IO-Controller
IO-Device3
1 2
IO-Device1 IO-Device2
IO-Controller
PROFINET IO: diagnostica di rete
Lo switch passa la diagnostica PROFINET dall’IO-Device al ControllerLo Switch è configurato come IO-Device (GSD)Switch segnale eventuali malfunzionamenti della rete come diagnostica PROFINET direttamente all’IO-Controller (1)E’ disponibile anche un canale SNMP per le Standard-Information (2)
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET
PROFIBUS
Proxy
INTERBUS
Proxy
PROFINET IO: integrazione con i bus di campo (Proxy)Attualmente è possibile collegare PROFIBUS e INTERBUSIntegrazione trasparente senza la necessità di programmare
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
IO-Controller
Tool di configurazionedel proxy
GSDTool di configurazionedel controller
Qualunquelinguaggio
di descrizione
2
6
5 4
3
7
1
Scambio dati conun qualunque bus di campo
Connect:Combinazione di I/OWrite:Parametri utente
PROFINET IO: L’obiettivo è il proxy universaleConcetto di Proxy universale e customizzabile
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET IO estende la sua integrazioneIntegrazione con moltissimi altri bus di campo Ancora una volta protezione degli investimenti !
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET IO per l’automazione di processoScambio dati a tutti i livelli della fabbrica
PROFIBUS DPPROFIBUS DP
PROFINET PROXYPROFINET PROXY
PROFINET
ERPMESEthernetbackbone
DCS
HART
PROFIBUS PA
…
123
4
56
7 816
…
123
4
56
7 816
…
123
4
56
7 816
FF H1
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET: il numero di prodotti continua a salire
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
1 m
3 m
3 m
PROFINET nodes
4 m
Time2001 2004 2005 20062002 2003 2007 2008 2009 2010
1.14 m1.14 m
La situazione di PROFINET alla fine del 2007
NB: Contati solo i dispositivi,non gli switch
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
1 m
2 m
3 m
PROFINET nodes
4 m
Time2001 2004 2005 20062002 2003 2007 2008 2009 2010
1.14 m1.14 m
La crescita del mercato Ethernet secondo ARC
Secondo lo studio fatto da ARC Advisory Group, ci sarà un aumento annuale del 27.5% nel mercato dei dispositivi basati su nei prossimi 5 anni.
Secondo lo studio fatto da ARC Advisory Group, ci sarà un aumento annuale del 27.5% nel mercato dei dispositivi basati su nei prossimi 5 anni.
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Average annual increase of 37%
3 m
1 m
2 m
3 m
4 m
Time2001 2004 2005 20062002 2003 2007 2008 2009 2010
PROFINET nodes
1.14 m
Previsioni di crescita di PROFINET fino al 2010
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET/PROFIBUS nodes 4 m
TimeYear 1 Year 2 Year 3 Year 4 Year 5 Year 6 Year 7 Year 8 Year 9
1 m
2 m
3 m
Confronto PROFINET e PROFIBUS
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINETComunicazione RT e IRT
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Lane for IRT RTRT
TCP/IP TCP/IP
TCP/IP TCP/IPTCP/IP
TCP/IP
TCP/IP
RTRT
RTRT TC
P/IP
Traffic Jam
RTRTRTRTRTRTRTRTRTRTRTRTRTRT
PROFINET IO: incremento delle prestazioni dello stackObiettivo: creare una “corsia” riservata per il traffico Real Time
Garantire prestazioni Real-time indipendenti dal traffico (Network load)Permettere un accesso alla rete trasparente (TCP/IP, IT, ….)
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFINET IO: Real-Time Ethernet in modo isocrono
I dati isocroni usano un canale separato nel tempo.E’ ancora possibile usare la comunicazione standard basata su IP.Sincronizzazione tramite protocollo “PTCP”
Cycle 1 Cycle 2 Cycle n
IRT channel
Openchannel(TCP/IP)
IRT channel
Openchannel(TCP/IP)
E.g. 1 ms position control cycle
TCP/IP dataIRT data
Deterministic communication Open communicationSynchro-nization
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
2 RT
1
2
1
1
2R
eal-
tim
e3RT IRT
Real-time
Real-time switch ASIC
3
2
1
Real-time channel IRTTrasferimento hi-performanceDati isocroniJitter <1µsec
Canale TCP/IP standardParametrizzazione dispositiviDati diagnosticiInizializzazione collegamentiNegoziazione del canale di comunicazione
Canale Real-time RTTrasferimento hi-performanceDati cicliciTrasferimento su evento
Ethernet
TCP/ UDP
PROFINET applicationsIT appli-cationse.g.
HTTPSNMPDHCP... Standard data Real-time data
IP
PROFINET IO: Lo stack di comunicazioneDoppio canale per i dati
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
t
Non RTERTE Cl.1
100 msec
10 msec
0.25...1.0 msec
15% 100%
RTE Cl.2
t
Non RTE
100 msec
10 msec
0.25...1.0 msec
15% 15% 100%100%
TCP, DCOM, IP, HTTP…Real time
(RT_Class 1)Real time isocrono
(RT_Class 2/3)
PROFINET IO: Prestazioni dei diversi canali
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Personale Impianti Ambiente
PROFIsafe
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFIsafe: Perché serve la sicurezza…
Solfato d’ammonioNitrato d’ammonio Alterazione del processo di produzioneNo sicurezza
=Esplosione di 2 kilotoniTetti scoperchiati per 25kmMorti e feriti
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
La situazione attuale nel campo della sicurezza funzionale
La sicurezza funzionale (safety) è ottenuta per mezzo di bus proprietariL’integrazione con il sistema principale è lunga e costosa (tempi sviluppo)Molte volte I/O non sicuri operano sul campo da proteggere
Bus proprietariodedicato alla safety
Livello con I/O Safety
DP Master Standard I/O(DP Slave)
PROFIBUS DP
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Technologia Affermata
Azionamento Frequencyconverter
andcontrol
Alimentazione
Motore
PROFIBUS
PLC
InterruttorePrincipio del „deenergize to trip" I
Situazione attuale nella sicurezza funzionale di azionamenti
Interrompo l’alimentazione al motore
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Profili per applicazioni generali: PROFIsafe
Caratteristiche principali di PROFIsafeFunzioni standard e di sicurezza su un unico cavo: un solosistema di sviluppo = riduzioni costiCertificato SIL 3, AK6 e CAT 4 nella EN954-1Basato su IEC 61508 e IEC 61511
Dispositivo failsafeAzionam.
PLC con funzione fail-safe
I/OStandard
I/OFail-safe
Componente fail-safe
Componente standard
Sicurezza per mezzo di software aggiuntivo in ogni componete
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
ProtocolStandard
Applicazione Standard,
e.g. diagnostica
Applicazionesicura
LivelloPROFIsafe
“Black Channel"
(Industrial Ethernet) PROFINET IO, PROFIBUS-DP, Backplane
LivelloPROFIsafe
Applicazione Standard,
e.g. diagnostica
Applicazionesicura
ProtocolStandard
LivelloPROFIsafe
PROFIsafe: Come funziona
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
FAI
Device
FDI
FDO
PA Device
Remote I/O
Local busRS485
F-Host
DP-PALink
IOController
PN IO PROFINET IO transmissionMBP-IS Data transmission for explosion-proof areasRS485 High speed data transmissionF-DI Fail-safe digital inputF-DO Fail-safe digital outputF-AI Fail-safe analog inputPA Device Device according process automation device model (IEC 61804)
PN IO/DPLink
FDevice
Actuator
MBP-ISPROFINET IO
Intrinsic Safety(Ex-i)
Oppure con RS485-ISEs. per valvole ESD ad alta velocità
PA Device modelacc. IEC 61804:- Physical Block- Function Block(s)- Transducer Block
PROFIsafe: Sicurezza funzionale su tutto il percorso
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
PROFIsafe: Tipologie di errore e rimedi
Numerazione consecutiva, nomi in codiceWatchdogCRC
Tipo di errore:Rimedio: (Virtual)
ConsecutiveNumber
Time Outwith Receipt
Codename forSender and
Receiver
Data Consistency
Check
Repetizioni
Eliminazioni
Inserzioni
Ripetizioni sequenze
Corruzione dati
Ritardo
Messaggi normalisimili al fail-safe
Problemi negliswitch
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
S S S S
Messaggio standard PROFIBUS o PROFINET IO
F Input/Output Data Status /Control Byte CRC2
acrossF data
andF parameter
and Vconsnr_h
Max. 12 / 123 Bytes 1 Byte 3/4 Bytes *) *) 3 Bytes per un massimo di12 Byte F I/O data4 Byte for a max. of123 Bytes F I/O data
PROFIsafe Container = dati “sicuri”
PROFIsafe: Il messaggio dati
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
L’associazione dei costruttori tedeschi di automobili
AIDAAIDAha scelto
PROFINET IO assieme PROFIsafecome Standard preferenziale
Specifiche PROFIsafe (protocollo V1 e V2)V2.0 rilasciato a Settembre 2005; new: V2.4 (Wireless, iPar,..)Approvato da BGIA e TÜV Standard Internazionale: norma IEC 61784-3-3 (FDIS)PROFIsafe-Starterkit 3.3 disponibile da Gennaio 2006
Nuova versione pilota per il SW azionamenti (supporto di iPar)PROFIsafe profile tester (modalità V1 e V2) disponibilePROFIsafe F-Host tester (progetto consortium *)) disponibileLinee guida per l‘installazione: IEC 61784-5-3 e IEC 61918Nuovo: Environment Guidelines V2.5 (Sicurezza)Nuovo: Specifiche Test & Certification V2.1 (BGIA)
*) Bosch, Hima, Phoenix, Siemens, Wago
PROFIsafe su PROFINET IO
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
ControlloAzionamento
ControlloAzionamento Controllo
azionamentoControllo
azionamento
MotorMotor
Dispositivo di sicurezza
esterno
Dispositivo di sicurezza
esterno
Funzionalitàper la
sicurezza
Funzionalitàper la
sicurezza
MotorMotor
PROFINET IOoPROFIBUS DP
„Spegnimento di Emergenza“
Dallo all‘ „Arrestod‘emergenza“
e oltre ...
NFPA 79
Dispositivo di sicurezza
esterno
Dispositivo di sicurezza
esterno
PROFIsafe pioniere dell’innovazione
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Funzionalità di arresto:STO: Safe Torque Off (Stop Category 0 secondo IEC 60204-1)SS1: Arresto Controllato (Stop Category 1 secondo IEC 60204-1)SOS: Arresto Operativo Sicuro (funzioni di controllo attive)SS2: Arresto Controllato (Stop Category 2 secondo IEC 60204-1)
Controllo sicuro di:SLA: Accelerazione ControllataSLS: Velocità ControllataSLT: Coppia / Forza ControllataSLP: Posizione (Assoluta) ControllataSLI: Spostamento (Massimo) ControllatoSDI: Direzione SicuraSMT: Controllo della temperatura motore
Qualora le funzionalità di monitoraggio dovessero fallire, intervengono le funzionalità di arresto
PROFIsafe: funzioni di sicurezza (IEC 61800-5-2)
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
100% carico
75%50%25%
Velocità
s
Tempo di arresto al variare della velocità e del carico (Stop category 0)
250 mm/s
mm/s
Tem
po d
i arr
esto
Aree di protezione differenziate
Secondo ISO 10218: "Robots for IndustrialEnvironment – Safety Requirements", Parte 1 Robot
PROFIsafe: rallentare prima di fermarsi…
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Portale di ingresso:applicazione tradizionale
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Muting-Sensor
PROFIsafe: portale di ingresso
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Portale „Igresso/Uscita“ScannerLaser
Pattino
Posizione del pattino
Riferimento posizione del motore
„Posizione di sicurezza del motore“ invece dei segnali „muting sensor“
Muting sensors
PROFIsafe: portale di ingresso
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Esempio di applicazione di"Safely Limited Speed"
Catena di montaggio in aree pericolose senza arresto della produzioneLa max velocità del carrello trasportatore è monitorataOttenendo un tremendo risparmio in termini di costo e tempo!
"Robot che collaborano…"PROFIsafe: robot che collaborano
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Dorsale PROFINET IO oppure dorsale Ethernet Industriale
AutomatedGuided
Vehicle (AGV)
Accesso a reti installate su parti mobili o rotanti
Installazione e diagnostica
„Mobile“
AccessPoint
AccessPoint
Access Point
Client Client
Dorsale PROFINET IO /Eth. ind
PROFIsafe: sicurezza funzionale su PROFINET IO wireless
PROFINET IOPROFINET IO
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PROFINET per safety e integrazione di sistemi
Dorsale Industrial Ethernet
PROFIBUS DP
Security Gate Security Gate
PROFINET IOPROFINET IO
InternetPC in produzionecon SW VPN Client
PC di serviziocon SW VPN Client
Firewall
PROFIBUS DP
Isola PROFIsafe Isola PROFIsafe
Zona Sicura Zona SicuraSSSS
Firewall
VPN
VPN
VPN
Internet
VPN
PROFIsafe: security PROFINET IO