Ανάπτυξη αλγορίθμων σε PCL για Fail-Safe συστήματα

Abstract

Increasing requirements in production automation make control systems more complex and vulnerable to failures. Failures can cause delays in production, property damage and, above all, accidents at work. For this reason, Directives and Legislation have been created at country, European Union and global level to define the essential safety requirements for industrial equipment. These Directives that must be followed by those involved in the design, supply, purchase or use of industrial equipment in the European Union and in several countries outside the European Union. For this reason, specific guidelines (CAT, SIL) have been created that must be followed to ensure safe operation in case of failure of any hardware or software component. For a reliable operation of a Fail Safety system together with a system operating at SIL2 or SIL3, the Hardware and Software must be Safetty type. Industrial equipment manufacturers incorporate safety features into a variety of devices. Depending on the Safety Integrity Level (SIL) requirements, these features can be used during the design phase to increase safety in the event of failures or malfunctions. With proper design, the process as well as its environment (including people) can be protected by entering a controlled safe state. Manufacturers have approached this problem in several ways, including adding redundant Central Processing Units (CPUs), using special hardware to interface input and output signals, and developing safety network protocols for the safe communication across devices. Unfortunately, these features cannot be added to existing machines, at least not without upgrading some hardware. As the associated costs lead to slower adoption, manufacturers rely on previous work to support certain security features, in particular CPU debugging. This is implemented in the form of low-level (logic gateway) software libraries designed to run on older hardware (PLCs) so that they can provide an increased level of security. This thesis discusses the required guidelines and legislation that must be followed to ensure the safe operation of a production plant. It describes the safety of operation that Basic and Specialized systems with PLCs have to ensure the safety of an automation system. It further presents developed algorithms that record behavioral measurements of electronic equipment, analyze the measurements and evaluate whether the basic equipment could be used in these systems to ensure Safety operation at the same time. The objective is simply to demonstrate that if there is a different approach to implement automation with Basic PLC equipment already installed in production processes, the safety aspects can be improved. Most importantly it is demonstrated that Safety Failure Functions can be implemented in existing automation systems, at low cost in terms of time and money.

Οι αυξανόμενες απαιτήσεις αυτοματισμού στην παραγωγή καθιστούν τα συστήματα ελέγχου πιο περίπλοκα και ευάλωτα σε βλάβες. Οι βλάβες μπορούν να προκαλέσουν καθυστερήσεις στην παραγωγή, υλικές ζημιές αλλά κυρίως και εργατικά ατυχήματα. Για το λόγο αυτό έχουν δημιουργηθεί οδηγίες (Directives) και Νομοθεσίες (Legislation) σε επίπεδο χώρας, ευρωπαϊκής ένωσης και παγκόσμιας κλίμακας που καθορίζουν την ουσιαστική ασφάλεια και τις απαιτήσεις του Βιομηχανικού εξοπλισμού. Οδηγίες που πρέπει να τηρούν όσοι ασχολούνται με τον σχεδιασμό, την προμήθεια, την αγορά ή τη χρήση βιομηχανικού εξοπλισμού στην Ευρωπαϊκή Ένωση αλλά και σε αρκετές χώρες εκτός Ευρωπαϊκής Ένωσης. Για το λόγο αυτό έχουν δημιουργηθεί κάποιες οδηγίες (CAT, SIL) που πρέπει να ακολουθούνται, ώστε να διασφαλίζεται η ασφαλής λειτουργία τους σε περίπτωση βλάβης τόσο του υλικού όσο και του λογισμικού. Για μια αξιόπιστη λειτουργία ενός συστήματος Fail Safety μαζί με ένα σύστημα που λειτουργεί σε SIL2 ή SIL3, πρέπει να διαθέτει Υλικό και Λογισμικό Ασφαλείας. Οι κατασκευαστές βιομηχανικού εξοπλισμού ενσωματώνουν χαρακτηριστικά ασφαλείας σε μια ποικιλία συσκευών. Ανάλογα με τις απαιτήσεις Επιπέδου Ακεραιότητας Ασφαλείας (SIL), αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά τη φάση του σχεδιασμού προκειμένου να αυξηθεί η ασφάλεια σε περιπτώσεις αστοχιών ή δυσλειτουργιών. Με την κατάλληλη σχεδίαση, η διαδικασία καθώς και το περιβάλλον της (συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων) μπορούν να προστατευθούν με την είσοδο σε μια ελεγχόμενη ασφαλή κατάσταση. Οι κατασκευαστές έχουν προσεγγίσει αυτό το πρόβλημα με διάφορους τρόπους, συμπεριλαμβανομένης της προσθήκης περιττών Κεντρικών Μονάδων Επεξεργασίας (CPU), της χρήσης ειδικού υλικού για τη διασύνδεση σημάτων εισόδου και εξόδου καθώς και της ανάπτυξης πρωτοκόλλων δικτύου ασφαλείας για την επικοινωνία. πληροφοριών ασφαλείας σε όλες τις συσκευές. Δυστυχώς, αυτά τα χαρακτηριστικά δεν μπορούν να προστεθούν σε υπάρχοντα μηχανήματα, τουλάχιστον χωρίς αναβάθμιση κάποιου υλικού. Καθώς το σχετικό κόστος οδηγεί σε πιο αργή υιοθέτηση, οι κατασκευαστές βασίζονται σε προηγούμενες εργασίες προκειμένου να υποστηρίξουν ορισμένα χαρακτηριστικά ασφαλείας, ιδίως τον εντοπισμό σφαλμάτων στη CPU. Αυτό υλοποιείται με τη μορφή βιβλιοθηκών λογισμικού που λειτουργούν σε χαμηλό επίπεδο (λογική πύλη), σχεδιασμένες να εκτελούνται σε παλαιότερο υλικό (PLC) ώστε να μπορούν να προσφέρουν ένα αυξημένο επίπεδο ασφάλειας. Η παρούσα μελέτη αναλύει τις απαιτούμενες οδηγίες και νομοθεσίες που πρέπει να τηρούνται για τη ασφαλή λειτουργία μιας παραγωγικής μονάδας. Περιγράφει την ασφάλεια λειτουργίας που διαθέτουν Βασικά και Εξειδικευμένα συστήματα με PLC για τη διασφάλιση της ασφάλειας ενός συστήματος αυτοματισμού. Αναπτύσσει αλγόριθμους για την καταγραφή μετρήσεων συμπεριφοράς ηλεκτρονικού εξοπλισμού και μετά από ανάλυση των μετρήσεων αξιολογεί εάν ο βασικός εξοπλισμός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε αυτά τα συστήματα και να διασφαλιστεί η λειτουργία Ασφάλειας ταυτόχρονα. Ο στόχος είναι απλώς να αποδείξει ότι εάν υπάρξει μία διαφορετική προσέγγιση στην υλοποίηση του αυτοματισμού με εξοπλισμό Basic PLC που είναι ήδη εγκατεστημένα στην παραγωγική διαδικασία, θα μπορούσε να αναβαθμίσει την ασφάλεια των συστημάτων αυτών. Ως εκ τούτου, με χαμηλό κόστος σε χρόνο και χρήμα, ιδιαίτερα στα υπάρχοντα συστήματα αυτοματισμού, θα μπορούσαν να υπάρξουν λειτουργίες Ασφάλειας Αστοχίας.