DOSSIER Nuno Guedes PILZ Industrieelektronik, S.L. Tel. + 351 229 407 594 . Fax. + 351 229 407 595 n.guedes@pilz.es . www.pilz.com
TECNOLOGIA DE SEGURANÇA – REQUISITOS EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO BASEADOS EM ETHERNET O conceito de descentralização através de redes de campo seguras está progressivamente a ganhar aceitação, oferecendo ao utilizador um novo conjunto de possibilidades. As especificações e propriedades dos sistemas de segurança baseados em redes de campo industriais estão neste momento também a ser transferidos para a tecnologia Ethernet.
do sistema. Se tiveram que ser adicionados dados relativos à segurança à mistura, a carga das necessárias estratégias de controlo de falhas no sistema não são neglegenciáveis. Ao mesmo tempo há rigorosos requisitos para a consistência de dados relacionados com a variação temporal do processo e dados do sistema. Os familiares sistemas de redes de campo rápidamente chegam ao seu limite. Para as funções de automação como um conjunto, os fabricantes de sistemas de controlo focaram-se na Ethernet industrial como um meio de comunicação universal e único. Como meio de comunicação a Ethernet combina serviços de comunicação adicionais e pode também extender os limites de largura de banda existentes. Um dos factores chave para as fábricas é que a Ethernet é já amplamente aceite e utilizada por fabricantes e utilizadores no escritório. O termo “integração vertical” pretende descrever a utilização universal da Ethernet industrial para todas estas utilidades da automação.
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Quando se lida com tecnologia relacionada com a segurança, é necessário ter em conta critérios adicionais de selecção comparativamnete com a automação standard d, para que seja difícil evitar as questões de semelhanças e diferenças entre as duas àreas. Precisamente no que diz respeito às novas estruturas de redes e a muita publicitada massificação e abertura das redes de comunicação, mecanismos apropriados devem ser definidos para garantir que as especificações da tecnologia de segurança continuem a ser garantidos.
1.1. Propriedades da Ethernet como standard de escritório Hoje, a Ethernet está estabelecida como um standard d na comunicação de escritório. Em linguagem habitual, o termo “Ethernet” é compreendido como representando toda a gama de propriedades de comunicação e utilidades. Num exame técnico mais de perto, no entanto, Ethernet forma apenas a comunicação base, compreendendo o meio de comunicação (a camada física na camada OSI 1) e a camada de ligação de dados (camada OSI 2). Todas as outras utilidades como TCP, SMTP ou FTP por exemplo, usam esta base para se construirem, sobre.
1. NOVAS ARQUITECTURAS DE SISTEMAS COM ETHERNET Os sistemas de redes de campo foram inicialmente desenvolvidos para habilitar a descentralização de dispositivos de campo. Optimizados para estas aplicações, os sistemas de redes de campo gozaram de um sucesso limitado resolvendo totalmente a necessidade das funções de comunicação industrial. Com os crescente nível de automação e a necessidade de ligar em rede uma vasta gama de equipamentos tecnológicos, os requisitos das funções de comunicação estão a crescer. Por exemplo, a alteração dinâmica do estado de drivess individuais ou de aplicações de controlo de movimento complexas ligadas em rede, requerem sistemas de comunicação poderosos e sincronizados. Em paralelo com a comunicação funcional, a rede deve também ter espaço para utilidades adicionais para o ajuste de parâmetros em dispositivos de campo, para transferir dados de visualização e programação e para acesso remoto a todos os componentes
Devido à dificuldade que envolve as colisões (CSMA/CD) no standard Ethernet TCP/IP, é impossível de prevêr exactamente quando um pacote de dados será transportado, em outras palavras, não é determinístico. Tal característica temporal indefinida é crítica, particularmente quando é necessário garantir tempos de reacção extremamente baixos para desligar um movimento perigoso, como no caso das aplicações de controlo de movimento e tecnologia de segurança. A largura de banda disponível apresenta um desafio similar. Com a Ethernet standard d é impossível prevêr a exacta entrega de dados, já que o tamanho do pacote e o número de colisões determinam a performance do sistema. Onde os sistemas têm um estrutura pobre e têm uma elevada taxa de colisão com a subsequente repetição de ciclos, uma parte substancial da rede estará ocupada a resolver esta colisão de dados. Isto pode representar uma grande percentagem da sua capacidade de utilização. Consequentemente, a largura de banda disponível para as funções de controlo actual é baixa. Os switchess são
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2.1. Estratégias de gestão de falhas Um sistema de comunicação seguro é desenvolvido para incluir um pacote de medidas que irá detectar e gerir cada erro de comunicação na rede. Em adição às medidas de segurança que estão relacionadas puramente com a transferência de dados, o interface de equipamento requer medidas adicionais para sincronizar os padrões de falha. Em princípio, uma única falha que ocorra no sistema de comunicação relativa à segurança não pode causar uma anomalia dos subscritores ligados e consequentemente da fábrica ou máquina. Num caso desses o sistema de controlo tem que mudar para uma condição segura. Isto é particularmente importante para soluções baseadas em rede, em que os mecanismos de falha têm que ser divididos sobre vários dispositivos individuais. Das falhas que o sistema de rede seguro tem que ser capaz de detectar, inclui repetição, perda, inserção, sequência de mensagens incorrecta, falsificação de mensagens e atraso de mensagens. A segurança é atingida na transferência em série, incorporando mecanismos “state-of-the-art “ de detecção.
2.2. Disponibilidade e características EMC Na área da tecnologia de segurança, a susceptibilidade latente de qualquer sistema de rede série à interferência electromagnética na linha tem ainda maior efeito do que é geralmente aceite. A corrupção de dados devida à destruição, repetição, inserção ou re-ordenação da sequência dentro do tráfego normal de telegramas não pode resultar na perda de segurança. Contudo, os dados da comunicação de tal sistema são constantemente verificados em termos de erros e consistência de dados e uma desconexção segura é imperativa no caso de erros de comunicação sérios ou irreparáveis. Isto é necessário em termos de monitorização de segurança, mas não é inicialmente a primeira preocupação de operador. Hoje, cada sistema de rede segura acreditada e aprovada, fornece suficiente protecção contra estas potenciais falhas. Aquilo em que os sistemas individuais diferem , no entanto, é na sua estabilidade tendo em conta as aplicações industriais. É por isso que um dos desafios de um sistema de rede segura é assegurar
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a segurança da comunicação e ao mesmo tempo manter a sua disponibilidade. Um sistema que é aprovado para todo tipo de aplicação segura cumprirá com os requisitos EMC aumentados da norma EN 61496-1 sobre ESPE (ESPE: electrosensitive protective equipment, como scanners laser ou barreiras fotoeléctricas), juntamente com todas as suas comunicações e dispositivos terminais. Se não forem necessárias medidas de protecção externas contra a interferência electromagnética, é poupado ao utilizador trabalho de planeamento e configuração extra. Este trabalho será necessário se um sistema standard d for usado, ou um sistema que apenas foi alterado para fazer face às necessidades da tecnologia de segurança. O tipo de interferência em que este requisitos mais rigorosos são aplicados é irrelevante: módulos centralizados ou descentralizados, tensão de alimentação e até interfacess de comunicação segura têm todos que passar testes destrutivos de EMC de acordo com a norma EN61496-1.
2.3. Requisitos tempo real da Ethernet É do conhecimento geral que o termo “tempo-real” designa meramente que um sistema deve reagir a um evento numa dada janela de tempo. O termo não diz nada sobre a velocidade actual do sistema ou capacidade de processamento. No entanto, não é suficiente requerer apenas “temporeal” quando se especifica uma função de controlo. Os requisitos não estão totalmente definidos até que um tempo seja estabelecido, dentro do qual o sistema tem que ter reagido de uma forma segura. Este “tempo de reacção” pode variar muito dentro de uma vasta gama, dependendo do tipo de aplicação. Como quase todos os sistemas Ethernet representados no mercado propagandam globalmente capacidade tempo-real, vale a pena dar uma vista de olhos mais de perto pelas definições individuais. Para áreas de aplicação como indústria de processo, funções como controlo de temperatura ou nível e monitorização de caudal, tempos de reacção medidos em segundos podem ser perfeitamente adequados. O conceito de automação da industria de produção, em que nos dias de hoje é usualmente implementada usando autómatos programáveis e sistemas de redes de campo, podem gerir com tempos de reacção medidos em milisegundos. No entanto, os controladores digitais sincronos de drivess para interligar sistemas multi-eixo requerem que os sistemas de tempo-real trabalhem em microsegundos. Esta classe mais exigente é geralmente conhecida como “hard real-time”. A intenção é ilustrar que a aplicação de tais sistemas permite uma interligação de eixos sincronos igualmente rígida e fixa, como permitiam os sistemas de accionamento mecânicos com a ligação mecânica entre eixos. Para os interesses da tecnologia de segurança, em todas estas áreas de aplicação o factor chave não é tanto a velocidade que pode ser atingida em termos absolutos, mas a consistência transversal do tempo de reacção função das condições de carga do sistema.
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