מבוא

מערכות אבטחה Instrumented (SIS) הן עמוד השדרה של צמצום סיכונים בתעשיות תהליכים, משמן וגז לייצור כימי.מערכות אלה באופן עצמאי לפקח על תנאים מסוכנים וסגור אוטומטית ציוד או להפעיל אמצעי הגנה למניעת אירועים קטסטרופליים, בעוד הפתיקים הלוגיים, החיישנים והאלמנטים הסופיים הם קריטיים, עמוד התקשורת המחבר ביניהם הוא חיוני באותה המידה.

הבנת מערכות אבטחה ותקשורת צריכה

מערכת מבוססת בטיחות מיועדת לשמור או להביא תהליך למצב בטוח כאשר תנאים מסוכנים מוגדרים מראש מתעוררים.בניגוד מערכות בקרה בסיסיות של תהליכים בסיסיים, SIS חייב לפעול עם הסתברות נמוכה מאוד של כשל בביקוש, לעתים קרובות לעמוד בדרגות בטיחות (SIL) 2 או 3 כפי שהוגדר על ידי IEC 61508 ו- IEC 615.

דרישות מפתח לתקשורת SIS

  • (FLT:0) קביעתיות: 1.10LT: הרשת חייבת להבטיח זמני שידור מקסימליים עבור הודעות בטיחות, הימנעות עיכובים משתנים שיכולים לפגוע בזמן התגובה.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : 1FLT: 1 שחיתות נתונים, שכפול או אובדן יש לזהות ולטיפול, לעתים קרובות באמצעות פרוטוקולי בטיחות כמו פרופ'י בטוח.
  • (ב) ,0) , Redundancy: 1FLT:1 נתיבי תקשורת ומכשירים מורדים להבטיח כי נקודה אחת של כשל אינה מתפקדת בטיחות בלתי ניתנת לערעור.
  • (FLT:0) אבחון חומרים: FLT:1Build-monitoring and Wrong Report מאפשר למפעילים לזהות ולתקן בעיות ברשת לפני שהם משפיעים על בטיחות.

פרופ'יבוס, שפותח במקור בשנות השמונים, וכעת נשמר על ידי פרופ'יבוס &אמפ; פרופ'ינט אינטרנשיונל (PI), עונה על הדרישות הללו באמצעות השכבה הפיזית החזקה שלה, שיטת הגישה המגבילה, והרחבת הבטיחות המוכחת: פרופ'י בטוח.

פרופ'נביבוס: סקירה טכנית עבור יישומי בטיחות

פרופ'יבוס (Process שדה Bus) הוא תקן תקשורת דיגיטלית מאומצת באופן נרחב בייצור ומעבד אוטומציה.הוא תומך בשני גרסאות עיקריות:

  • (FLT:0)Profibus DP (Decentralized Peripherals): FLT:1 אופטימיזציה לתקשורת מהירה גבוהה בין בקרים ו- I / O מרחוק, כוננים, ומבצעים.
  • (FLT:0)Profibus PA (Process Automation): ibph:1 תוכנן עבור כלי תהליך כמו לחץ, טמפרטורה, ומעבירים זרימה.זה משתמש בשכבה פיזית דו-חוטית (אוטובוס ממנצ'סטר) שיכולה לשאת את הכוח והתקשורת על אותו זוג, לפשט את החיוט באזורים מסוכנים.

שני הגרסאות חולקות את אותה שכבת יישום וניתן לשלב אותה ברשת אחת באמצעות בני זוג או שערים.עבור SIS, פרופ'יבוס DP נפוץ יותר בשל המהירות הגבוהה ביותר שלה (עד 12 Mbit/s) ויכולת לחבר בין מודולים מרוחקים של I/O ישירות ל- Safety PLC.

פרוטוקול פרופ'יבוס והתנהגות בזמן אמת

פרופ'יבוס משתמש בפרוטוקול עקיף של דיונון שבו תחנות פעילות (מנהלים) מעבירות אות אחד לשני בטבעת הגיונית.רק בעל הסימון יכול ליזום חילופי נתונים.מנגנון זה מספק זמני שידור כבולים אפילו תחת עומס כבד, מה שהופך אותו לקביעתי יישומים קריטיים בטיחות, הפרוטוקול תומך בסקרי מחזוריים של קלטות ופלטים עם תקופות מחזור מובטחות.

פרופ'אביר: תקשורת בטיחותית על פרופ'יובוס

כדי לשאת נתונים הקשורים לבטיחות על פני שדה סטנדרטי, פרופיל פרופ'י בטוח פותח.פרופ' פרופ'י בטוח מוסיף שכבת בטיחות נוספת על גבי התקשורת הסטנדרטית פרופ'בוס.זה פועל על העיקרון של "ערוץ שחור": פרוטוקול הבטיחות מתייחס לשדהבוס הבסיסי כמדיום לא מוגן ומבטיח שלמות נתונים באמצעים כגון:

  • (ב) ⁇ :0) , כפלת: כל טלגרף בטיחות כולל מספר רצף כדי לזהות הודעות שאבדו או חוזרות ונשנות.
  • (ב) ↑ תלמוד בבלי, [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]
  • (ב) ⁇ :0)CRC (Cyclic Redundancy Check:FLT) 1 1 A חזק 2 או 4byte CRC אימות כי המשכורות לא הושחתו.
  • (ב) ,0) טיפול מסורתי ומזהות ייחודיות: חליל 1 מונע בלבול או בלבול במכשיר.

מכיוון שפרופ'י בטוח עובד על פרופ'בוס סטנדרטי, הוא מאפשר שימוש במכשירי בטיחות מוסמכים לצד מכשירים סטנדרטיים באותו אוטובוס, בתנאי שתקשורת בטיחותית נחסמת באמצעות הפרוטוקול (למשל, באמצעות קלט נפרד או חריצים בטיחותיים ייעודיים). דו-קיום זה מקטין את מורכבות הכרכרות והנדסה תוך שמירה על יכולת SIL 3.

אישור ו-SIL Rating

פרופ'י בטוח מוסמך על ידי TÜV ועומד בדרישות של IEC 61508 עד SIL 3. יצרני בטיחות רבים PLC - כגון Siemens, Rockwell (באמצעות שותפי אוטומציה של תהליכים), ו-ABB - מול ממשקי פרופ'רובובוס עם תמיכה מבוססת-iniבטוחה.עבור מכשיר לטעון תאימות פרופ'י בטוחה, הוא חייב לעבור בדיקות קפדניות על ידי גופים עצמאיים כמו TV או מרכזי יכולת בינלאומית.

אדריכלות: Integrating SIS עם פרופ'יבוס

ארכיטקטורות תעשייתיות SIS באמצעות פרופ'יבוס בדרך כלל נופלות לשתי קטגוריות: ריכוזיות והוגנות.

מרכז SIS עם פרופ'יבוס מרחוק I / O

בעיצוב קלאסי זה, PLC בטיחות (למשל, סימנס S7-1500F או HIMA HIMAX) שוכן בחדר בקרה מרכזי.זה מתקשר באמצעות פרופ'יבוס DP מרחוק I / O תחנות הממוקם ליד מכשירי השדה.כל תחנה מכילה מודולים מאובטחים עבור חיישנים (למשל, לחץ, מתגים, כפתורים אלקטרוניים) ופלט עבור הפעלת תאים כפולים (מתאים כפולים, פונקציות כבל אדום).

בטיחות מבוזרת עם I / OO

עבור צמחים גדולים או אזורים עם נקודות מדידה רבות, גישה מבוזרת יותר משתמשת מכשירים שדה אינטליגנטי התומכים פרופ'יבוס הרש"פ עם פרופ'י בטוח.לדוגמה, Coriolis זורםמטר עם הפונקציה בטיחות SIL 2/3 יכול לתקשר את תהליך משתנה והנתונים האבחון שלה ישירות על כבל חד שני חוטים לבקר בטיחות. גישה זו מפחיתה באופן משמעותי את שדה wiring, מרת'shalling ארונות, I / O, עם חומרה, זה דורש תהליך אבטחה, ו-O, דורש את התהליך בטוח כדי להיות בטוח.

רדיפת וסבלנות

ללא קשר לאדריכלות, אדמוניות היא חיונית.

  • (FLT:0)Ring Topology: FLT:1 שימוש בקישורים אופטיים או חוזר חשמלי, טבעת פרופ'יבוס יכולה לספק ניתוק אוטומטי אם מתרחש.
  • (FLT:0)A/B Redundancy: FLT:1; שני כבלי פרופ'בוס עצמאיים לרוץ לכל מכשיר, עם ניהול הבטיחות אשר נתיב פעיל.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עיצוב רשת זהיר - מעבר אורך האוטובוס, קצב הבדאו וספירת המכשיר - הוא חיוני לשמירה על ערבויות תזמון.

הפרקטיקה הטובה ביותר ליישום פרופ'יבוס ב-SIS

עיצוב רשת וטופולוגיה

  • השתמש בתעריף הבזיליקה המקסימלי המתאים לאורכו של הכבלים שלך כדי למזער את זמני המחזור.עבור מרחקים עד 100 מ', 12 Mbit/s הוא אידיאלי; עבור ריצות ארוכות יותר (עד 1.2 ק"מ), 1.5 Mbit/s עשויים להיות נדרשים.
  • כולל התנגדות נאותה לסיומו בשני הקצוות של האוטובוס כדי להימנע מהשתקפות של אותות.
  • התקן galvanic isolators או חזרות כאשר מרחיבים אזורי חשמל שונים (למשל, בין אזור בטוח לאזור מסוכן).
  • עבור רשתות PA, להבטיח עיצוב פלח הנכון עם יחידות אספקת חשמל המספקות בידוד הולם והגנה קצרת אחריות.

בחירת מכשירים וידוי

  • בחר רק מכשירים עם אישורים תקפים של פרופ'י בטוח עבור פונקציות בטיחות.מכשירים סטנדרטיים יכולים לפעול יחד באוטובוס, אך אסור להשתמש בהם אף פעם למשימות בטיחות.
  • הגדר כל מכשיר בטיחות עם כתובת F-מקור ו- F-destination כמפורט ב- Profiבטוח.
  • הגדר את זמן השמירה על בטיחות (F WD Time) לערך הסובל מ- jitter תקשורת רגילה, אך גורם למצב בטוח אם הודעה מפספסת.
  • השתמש בקבצי GSD (תיאור התחנה הכללית) כדי לייבא פרמטרים למכשיר ההנדסה (למשל, Siemens TIA Portal, Rockwell Studio 5000 עם פרופילים נוספים).

בדיקות ובדיקות

  • לבצע בדיקת קבלה במפעל (FAT) עם סימולציה רשת מלאה כדי לאמת את כל פונקציות הבטיחות שבוצעו בתוך גורם הפחתת הסיכון הנדרש של SIL.
  • במהלך הגשת האתר, השתמש מנתח פרופ'יבוס או כלי אבחון (למשל, Procentec ProfiTrace) כדי למדוד סטטיסטיקות אוטובוס, לפקח על מסגרות שגיאה, לאמת את התזמון.
  • לבצע בדיקת הוכחה של לולאה בטיחות, כולל החדרת תקלות במעגל (למשל, חוט פתוח, מעגל קצר, כשל מכשיר) כדי לאשר את המערכת מגיבה נכון.
  • מסמך כל הפרמטרים של הרשת, תיקונים למכשירים והגדרות תצורה של תחזוקה עתידית וניהול מחזור חיים.

השוואה עם פילדבוס טכנולוגיות אחרות עבור SIS

בעוד פרופ'יבוס משמש נרחב, טכנולוגיות אחרות בתחום המיזוג של SIS:

Foundation Fieldbus (FF)

FF תומך בפונקציות בטיחות באמצעות פרופיל הפונקציה של SIF (בטיחות Instrumented Function) ואת פרוטוקול FF-SIS. זה גם מציע שתי-wire מופעלת של הרש"פ כמו שכבת פיזית.עם זאת, FF יש מהירות תקשורת איטית יותר (31.25 kbit/s) מאשר פרופ'יבוס DP, מה שהופך אותו פחות מתאים ללולאות בטיחות מהירות גבוהה.

HART

HART is a hybrid analog/digital protocol widely used in existing plants. For SIS, HART devices are typically wired in analog 4-20 mA loops to safety barriers and I/O modules. While HART provides diagnostic data, it does not offer the determinism or high-speed multi-drop capability of Profibus. It remains common for retrofits but less favored for new distributed SIS architectures.

MODBUS RTU/TCP

Modbus הוא פשוט ויעיל, אבל זה חסר פרופיל בטיחות סטנדרטי כמו פרופ 'אי בטוח.שכבות יישום מותאם אישית ניתן ליישם, אבל הם דורשים מאמץ הנדסי יותר ולא יכול להשיג הסמכה SIL 3 בקלות. Modbus משמש לעתים קרובות ניטור לא קריטי או כפרוטוקול משני לשילוב מערכת.

פרופ'יבוס, עם שיא המסלול הארוך שלה, מערכת אקולוגית רחבה, והתרחבות בטיחות מוגדרת היטב, נותרה בחירה חזקה לפרויקטים חדשים של SIS שבהם נדרשת תקשורת מהירה, מהירה ומוסמכת של בטיחות.

מחקר מקרה: פרופ'יבוס במערכת השבתה של חירום

מערכת זיקוק גדולה במזרח התיכון ביצעה מערכת חדשה של השבתת חירום (ESD) המכסה את יחידת ההקצאה הגולמית שלה.הפרויקט דרש SIL 3 מדורג נסגרה עבור אזעקות בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה ב-300 נקודות שדה שונות.העיצוב השתמש במגש בטיחותי S7-1500 מ"מ באמצעות פרופ'אב ללא הגבלת זמן ב-12 Mbit/ 12 מרוחק I/Os הממוקם ליד תהליך אחסון של 8.

אתגרים ומייגים ב- Profibus SISאינטגרציה

אלקטרומגנטי הבין-לאומית (EMI)

סביבות תעשייתיות יש לעתים קרובות EMI גבוה ממנועי, VFDs, ו Welding. Profibus DP משתמשת כבל מעוות-pair; ריצוף תקין בנקודה אחת ושימוש בליבות מפר יכול להפחית את ההתערבות.

אורך האוטובוסים והקשה בזמן אמת

מרחקי אוטובוס ארוכים לכפות שיעורי הבשור הנמוכים (למשל 1.5 מביט / שעה של 1 ק"מ), זמן מחזורי גדל.במקרים כאלה, מפצחים את הרשת עם חוזרים או באמצעות רשות פרופ'יבוס (עם שכבה פיזית איטית יותר אך חזקה יותר) עשוי להיות נחוץ.תמיד לחשב את זמן מחזור האוטובוס הגרוע ביותר במהלך עיצוב כדי להבטיח שהוא מתאים בתוך זמן התגובה הנדרשת של SIS.

ניהול מכשירים וניהול מחזור חיים

למכשירים של פרופ'יבוס מבוגרים יותר לא יכול להיות אישור פרופ'י בטוח, או אולי מיושן.כאשר שדרוג SIS, ודא כי כל מכשירי הבטיחות עדיין תומכים ותעודות שלהם הן נוכחיות. PI שומרת על מסד נתונים של מוצרים מוסמכים; להתייעץ עם זה במהלך רכש.

מגמות עתידיות: פרופ'יבוס ומעבר

בעוד פרופ'ינט – יורשו מבוסס ה- Ethernet – צובר אימוץ באוטומציה במפעל, פרופ'נביבוס נשאר מוטבע בתעשיות תהליכים בשל בטיחותו הפנימית, יכולת למרחקים ארוכים, ובסיס מותקן נרחב.

  • (FLT:0) אינטגרציה עם פרופ'ינט: קיד 1) , רבים בטיחות חדשה PLCs תומכים הן פרופ'יבוס ופרופ'ינט.שימוש בשערי פרוקסי, קווי פרופ'יובוס הקיימים יכולים להיות מחוברים לעמוד השדרה של פרופ'ינט, המאפשר רוחב פס גבוה יותר ושילוב IT קל יותר תוך שמירה על פונקציות הבטיחות.
  • (FLT:0)Enhanced Cybersecurity:FLT1, כאשר SIS הופך יותר מחובר, סטנדרטים כמו IEC 62443 מוחלים על רמות שדהבוס. Profibus אבטחה טבועה (ללא הצפנה) מושלמת עם מנגנוני אימות מאובטחים, אם כי אבטחה מלאה מקצה לקצה דורשת לעתים קרובות אמצעים נוספים.
  • (FLT:0) תחזוקה מוקדמת ודיגנוסטים: ההרחבה:1) ניתן למנף את נתוני האבחון הנרחבים של פרופ'נביבוס לצורך תחזוקה חיזוי של מכשירים בשטח והרשת עצמה. ניטור מצב של הזדקנות בכבלים, איכות אות והשפלה המחברת יכול לפטור כישלונות לפני שהם משפיעים על בטיחות.
  • (FLT:0) אבולוציה של פרופ'י בטוח:FLT:1 The Profiבטוחה ממשיכה להתפתח, עם הגרסאות האחרונות התומכים בשיעורי נתונים גבוהים יותר ושילוב עם בטיחות מבוססת PROFINET.

מסקנה

פרופ'יבוס הוכיח את עצמו כקובץ אמין, ⁇ סטי, ומדורג של תקשורת אחורית עבור מערכות אבטחה Instrumented.היכולת שלה לשאת נתונים ביקורתיים בטיחות באמצעות פרופיל פרופ'י בטוח, בשילוב עם מערכת אקולוגית בוגרת של מכשירים מוסמכים וכלים אבחון, עושה את זה בחירה העליונה עבור מהנדסים חדשים עיצוב SIS או מודרניזציה של מתקנים קיימים.על ידי ביצוע שיטות טובות ביותר בעיצוב רשת, בחירת מכשירים, והפעלה תעשייתית, יכול להשיג את היתרונות גבוהים יותר של תהליכים מאובטחים של בטיחותיים, תוך שמירה על ידי שיפור יעיל יותר של תהליכים מתקדמים.

לקריאה נוספת על פרופ'בוס ותקשורת בטיחותית, להתייעץ עם ה-FLT:0; WEB בינלאומי פרופ'נייט FLT:1 ו-FLT:2IEC 61508 StandardFLT 3: A מפורט טכני מדריך על פרופ' בטוח זמין מ-FLT:4Siemens Industry Supports Online Support,5.