Turvalogiikan käyttöönotto

Janne Nurro Turvalogiikan käyttöönotto Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK) Automaatiotekniikka Insinöörityö 1.3.2016

Tiivistelmä Tekijä(t) Otsikko Sivumäärä Aika Janne Nurro Turvalogiikan käyttöönotto 25 sivua + 1 liite 1.3.2016 Tutkinto Insinööri (AMK) Koulutusohjelma Automaatiotekniikka Suuntautumisvaihtoehto Ohjaaja Lehtori Kristian Junno Tämä opinnäytetyö toteutettiin Metropolia Ammattikorkeakoulun automaatiotekniikan laboratorioon. Työn tarkoituksena oli tehdä turva-automaatioharjoitusalusta sähkö- ja automaatiotekniikan opiskelijoille, sekä siihen liittyvä käyttöönotto-ohje. Työssä käytettiin Siemens S7-1500 -logiikkaa, joka on liitetty Profinet-verkolla IO-laitteisiin. Opinnäytetyössä perehdytään turva-automaatioon ja työssä käytettyihin komponentteihin ja ohjelmistoon, tutustutaan teolliseen Ethernet-verkkoon ja siihen liittyviin vaatimuksiin ja ominaisuuksiin. Lopputuloksena syntyi harjoittelualusta, jolla opiskelija voi harjoitella turva-automaatioon liittyviä tehtäviä sekä tutustua teolliseen Ethernet-verkkoon ja TIA Portal -ohjelmistoon. Käyttöönotto-ohjeessa käydään läpi vaihe kerrallan, miten laitteet saadaan toimimaan. Ohje on pyritty pitämään selkeänä ja helposti luettavana. Avainsanat Automaatiotekniikka, Profinet

Abstract Author(s) Title Number of Pages Date Janne Nurro Commissioning of safety logic 25 pages + 1 appendice 1st March 2016 Degree Bachelor of Engineering Degree Programme Automation Engineering Specialisation option Instructor Kristian Junno, Lecturer This thesis work was created for Metropolia university of applied sciences automation technology laboratory. The aim was to build a safety automation training platform and commissioning guide for electrical- and automation engineering students. Siemens S7-1500 PLC was used for this work and connected over profinet network to IO devices. The work describes some aspects of safety automation, components and software that was used. It also gives an introduction to related requirements and properties of Industrial Ethernet. Final result is a training platform for students, where they can train safety automation related tasks, get familiar with Industrial Ethernet and TIA portal software. There are step-bystep instructions in commissioning guide on how to start using the devices. The guide was kept simple and easy to read. Keywords Automation technology, Profinet

Sisällys Lyhenteet 1 Johdanto 1 1.1 Työn tausta 1 1.2 Työn tavoite 1 1.3 Työn rakenne 1 2 Turva-automaatio 2 2.1 Yleistä automaatiojärjestelmistä 2 2.2 Yleistä turva-automaatiosta 3 2.2.1 Turva-automaation ohjausjärjestelmän suunnittelusta 4 2.2.2 Turva-automaatiolle asetettuja vaatimuksia 5 2.2.3 Turva-automaatiojärjestelmän standardeja 5 2.2.4 Koneturvallisuus 6 2.3 Turva-automaatio komponentit 7 2.3.1 Turvalogiikka 7 2.3.2 Hajautettu I/O 8 2.3.3 Turvatulot ja lähdöt 9 2.3.4 Turvakytkimet ja turvareleet 11 2.3.5 Turvakomponenttien diagnostiikka ja valvontaominaisuudet 12 2.4 Teollinen Ethernet -ympäristö 12 2.5 Profinet-verkko 13 2.5.1 Aikakriittinen liikennöinti 13 2.5.2 Verkon rakenne 15 2.5.3 Profinet ja Profibus 16 2.5.4 Turvaominaisuudet 18 2.6 Turva-automaatio-ohjelmisto 19 2.6.1 Ohjelmistovaatimukset 19 2.6.2 TIA Portal -ohjelmisto 19 2.6.3 Luokitusohjelmistot 20 3 Työn kulku 21 3.1 TIA Portal -ohjelma 21 3.2 Komponenttien liittäminen ja konfigurointi ohjelmassa 21 3.3 Ohjelmointi ja testaus 21

4 Yhteenveto 22 Lähteet 23 Liitteet Liite 1. Käyttöönotto-ohje harjoitustyöalustalle

Lyhenteet SIL Safety Integrity Level (1-4) SFS-EN 62061. Turvallisuuden eheystaso. PL Performance Level (a-e) SFS-EN ISO 13849-1. Turvallisuustaso. SISTEMA Ohjelmistotyökalu turvatoimintojen suunnitteluun. IFA Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung. DI Digital Input. Digitaalinen tulo. DQ Digital Output. Digitaalinen lähtö. IE/PB Industrial Ethernet (Profinet) / Profibus sovitin (proxy). PLC Programmable Logic Controller. Ohjelmoitava logiikka. TIA Portal Siemensin suunnittelema tietokoneohjelmisto. TÜV Technischer Überwashungsverein. Saksalainen tarkastuslaitos. I/O Input/Output. Tulo/Lähtö.

1 1 Johdanto 1.1 Työn tausta Työ tehdään Metropolia Ammattikorkeakoulun automaatiotekniikan laboratorioon, jossa opiskelijat tekevät harjoitustöitä sähkö- ja automaatiotekniikan opintoihin liittyen. Työssä käytetään Siemens Simatic S7-1500 -logiikkaa tarvittavine I/O- ja oheislaitteineen sekä tutustutaan Siemens TIA Portal -ohjelmistoon. 1.2 Työn tavoite Työn tavoitteena on rakentaa alusta, jolla opiskelijat voivat tutustua turva-automaatioon ja toteuttaa yksinkertaisen turvakytkennän erillisen ohjeen mukaisesti. Työn liitteeksi tulee kuvitettu ohje, josta opiskelija voi katsoa vaihe kerrallaan miten, logiikka saadaan toimintakuntoon. TIA Portal on monipuolinen ohjelmisto, ja tarkoituksena on käydä läpi vain olennaisimmat toiminnot, jotta käyttöönotto-ohje ei muodostu liian laajaksi. Opiskelijoille varattu laboratorioaika on rajallinen, joten kokonaisuus pyritään pitämään selkeänä ja helposti ymmärrettävänä. Rakennettu alusta on tarkoitus liittää myöhemmin johonkin laboratorion laitteeseen, johon rakennetaan turva-automaatioharjoitus. 1.3 Työn rakenne Työn alussa on yleistä asiaa turva-automaatioon liittyen. Siinä esitellään työssä käytettäviä komponentteja ja ohjelmistoa. Työssä käydään läpi turvalogiikan käyttöönottoon liittyvät työvaiheet. Liitteenä on kuvitettu ohje, jota opiskelijat voivat käyttää apuna harjoituksia tehdessä. Lopullinen kytkentä ei ole vielä valmiina, joten turvaohjelman teko ja testaus jäävät pois työn sisällöstä.

2 2 Turva-automaatio 2.1 Yleistä automaatiojärjestelmistä Automaatiojärjestelmä voi olla yksittäinen ohjelmoitava logiikkalaite tai ison tehtaan ohjaamiseen tarkoitettu järjestelmä. Kokonaisen tehtaan toimintaa ohjaavaa automaatiojärjestelmää hallitaan tyypillisesti valvomosta käsin. Kokonaisen tehtaan toimintaa ohjaavan automaatiojärjestelmän keskusyksikkönä toimii valvomoasema, joka rakentuu PC-laitteistosta ja laitteistoon liitetyistä erillisistä I/O-yksiköistä (kuva 1). Valvomoaseman I/O-yksiköihin on kytketty tehtaalle menevät ohjausväylät, joista käytetään myös nimitystä kenttäväylä. Toimilaitteet ja anturit liitetään kenttäväylällä I/Oyksiköihin. (1.) Kuva 1. Esimerkkikuva tyypillisestä tehdaskohtaisesta automaatiojärjestelmästä. (1)

3 2.2 Yleistä turva-automaatiosta Teknisiin laitteisiin liittyy aina myös teknisen vian mahdollisuus. Teollisuudessa käytetään suuria ja voimakkaita laitteita ja koneita, joiden lähettyvillä on aina jonkin asteinen vaara. Vaara voi olla henkilöihin, ympäristöön ja koneisiin liittyvä. Henkilöiden osalta vammat voivat olla erittäin vakavia, joten turva-automaation merkitys on suuri työturvallisuuden kannaltakin. Ympäristöön liittyvät vahingot voivat olla merkittäviä alueen vesistöille, maaperälle ja asutukselle. Koneille ja tuotantolaitteille aiheutuvat vahingot ovat yleensä rahallisia menetyksiä ja tuotannon keskeytyksiä. Nykyaikaiset automaatiojärjestelmät voivat olla laajoja kokonaisuuksia. Laitteiden ohjausjärjestelmien merkitys turvallisuuden kannalta on kasvanut, koska järjestelmien nopeus, monimutkaisuus ja laajuus ovat kasvaneet. Ihmiset luottavat turvalaitteisiin, joten viat saattavat olla yllättäviä ja siksi vaarallisia. Tällaisia vikoja voivat olla esimerkiksi laitteen yllättävä käynnistyminen tai virheellinen toiminta. Nykyaikaiset automaatiojärjestelmät ovat monimutkaisia hallita, joten järjestelmän turvallisuutta ei voi jättää ainoastaan ihmisen valvottavaksi. Ilman turva-automaatiojärjestelmää voi ihminen vahingossa ohjata laitteen vaaralliseen tilaan. Taulukossa 1 on listattu tyypillisiä turvatoimintoja. (2, s.9.) Taulukko 1. tyypillisiä turvatoimintoja (2, s. 10)

4 2.2.1 Turva-automaation ohjausjärjestelmän suunnittelusta Yksi turvallisuussuunnittelun tärkeimmistä asioista on kiinnittää huomiota koko suunnitteluprosessiin sen sijaan, että tarkistettaisiin järjestelmän toimivuus vasta loppuvaiheessa. Aluksi tunnistetaan riskit ja määritellään vaatimukset, joilla riskit saadaan hallintaan ja minimoitua. Koko suunnitteluprosessi toteutetaan huolellisesti käyttäen apuna standardin SFS-EN 61508 mukaista elinkaarimallia, joka on esitetty kuvassa 2. (2, s.12 13.) Kuva 2. SFS-EN 61508 mukainen turvallisuuden elinkaarimalli. (3, s.20) Turva-automaatiosuunnittelu tulee toteuttaa samalla, kun suunnitellaan tuotantolaitteita tai tuotantolaitoksia. Näin toimittaessa turvallisuusasiat tulevat kokonaisuudessaan huomioiduksi suunnitteluprosessissa.

5 2.2.2 Turva-automaatiolle asetettuja vaatimuksia Tyypillisiä turva-automaatiolle asetettuja vaatimuksia. Turva-automaatiojärjestelmän tulee olla käyttöautomaatiosta riippumaton. Järjestelmän suunnittelussa on otettava huomioon prosessin luonteen ja vaarallisuuden kannalta riittävä luotettavuus. Järjestelmän ja siihen liittyvien laitteiden turvallisuus, luotettavuus ja soveltuvuus kohteeseen on kyettävä osoittamaan sekä arvioimaan. Ensisijaisesti on käytettävä tyyppihyväksyttyjä laitteita Järjestelmän on toimittava riittävän suurella todennäköisyydellä virheettömästi myös sellaisessa vaaratilanteessa, joka voi sattua vain kerran laitoksen koko elinkaaren aikana. Järjestelmä ei saa aiheuttaa prosessia ja turvallisuutta vaarantavia tarpeettomia pysäytyksiä tai alasajoja. Laitteiden tulee olla mahdollisimman huoltovapaita ja helposti huollettavia sekä koestettavia. Prosessissa tulee olla järjestelmästä riippumaton käsin pysäytyksen mahdollisuus. Häiriötilanteessa toimilaitteet jäävät tai siirtyvät ennalta määrättyyn turvalliseen tilaan. (4, s.4.) 2.2.3 Turva-automaatiojärjestelmän standardeja Yleisstandardi SFS-EN 61508 on laadittu henkilöturvallisuuteen liittyvien sähköteknisten ohjausjärjestelmien osalta. Standardi sisältää toiminnallisen turvallisuuden varmistamiseen liittyviä vaatimuksia ja sovelluksien yleisiä ohjeita järjestelmien kaikille elinkaaritoiminnoille. (4, s.6.) Sovellusstandardi SFS-EN 62061 on tarkoitettu koneen turvallisuuteen liittyville ohjausjärjestelmille. Standardien lähtökohtana on elinkaariajattelu, turvallisuuteen liittyvien järjestelmien toiminnallisen turvallisuuden osoittaminen ja laatujärjestelmän mukainen toiminta. (4, s.6.)

6 2.2.4 Koneturvallisuus Koneturvallisuudesta ja toiminnallisesta turvallisuudesta puhuttaessa huomio kohdistuu standardeihin SFS-EN 62061 ja SFS-EN ISO 13849-1. Molemmat standardit ovat täydentäviä, ja on mahdollista käyttää eri lähestymistapoja turvallisuusratkaisuja toteutettaessa. Alla olevassa taulukossa 2 on listattu standardien SFS-EN 62061 ja SFS-EN ISO 13849-1 käyttökohteita. Merkittävää on se, että SFS-EN 62061 keskittyy elektronisiin ja sähköisiin turvallisuusjärjestelmiin. Sen sijaan standardia SFS-EN ISO 13849-1 suositellaan käytettäväksi pneumaattisille, hydraulisille ja mekaanisille järjestelmille. (5.) Taulukko 2. standardien SFS-EN 62061 ja SFS-EN ISO 13849-1 käyttökohteista. (6, s.15) Standardien eroista johtuen on hyvä tuntea molempien standardien perustiedot, jotta saavutetaan koneturvallisuus parhaalla mahdollisella tavalla. (5)

7 Kuvassa 3 on vertailua SIL- ja PL-tasojen välillä. Kuva 3. SIL ja PL tasojen vertailu. (7, s.16) 2.3 Turva-automaatio komponentit Turva-automaatio komponentit on yleensä merkitty keltaisella värillä, jotta komponentit voidaan helposti tunnistaa. Myös komponenttimerkinnöissä käytetään eri merkintöjä. Esimerkiksi työssä käytetyissä Siemensin turva-automaatiokomponenteissa käytetään F-kirjainta komponentin nimessä. 2.3.1 Turvalogiikka Turvalogiikat ovat yleistyneet, ja niillä on mahdollista toteuttaa monipuolista laitteiston valvontaa. Turvarelekytkentöihin nähden niissä on kuitenkin uutena haasteena ohjelmisto. Turvalogiikoissa käytetään suppeaa käskykantaa lisäämään luotettavuutta. Aina kun toteutetaan monimutkaisia ohjelmistokokonaisuuksia, myös virheen mahdollisuus kasvaa ja niiden löytäminen vaikeutuu. (2, s.87.) Työssä käytetään Siemens Simatic S7-1500 -logiikkaa (kuvassa 4), jossa on mukana turvalogiikka. Mallimerkinnässä CPU 1516F-3PNDP F-kirjain kertoo kyseessä olevan turva-automaatioon tarkoitettu malli. Kyseisessä mallissa on siis vakio- ja turvatoiminnot rakennettuna samaan ohjaimeen. S7-1500 -sarjan logiikoissa on myös SIL3-tasolle asti hyväksyttyjä turvalogiikkaohjaimia. (8.)

8 Kuva 4. Siemens S7-1500 logiikka. (9) 2.3.2 Hajautettu I/O Hajautetun I/O:n tarkoituksena on koota kenttälaitteilta saatava mittaustieto ja siirtää tieto digitaalisessa muodossa eteenpäin verkkoa pitkin. Ja vastaavasti toimittaa verkkoa pitkin tullut digitaalinen tieto kenttälaitteille sopivaan muotoon. Hajautettu I/Olaite sijoitetaan lähelle antureita ja toimilaitteita, jotta johdotus jää mahdollisimman lyhyeksi. Esimerkiksi 4-20mA:n viestisignaalia ei jouduta siirtämään pitkiä matkoja, vaan tieto saadaan muutettua digitaaliseen muotoon. Digitaalisessa muodossa signaali on häiriösietoisempaa, ja suuri määrä antureiden ja toimilaitteiden ohjaus- ja mittaustietoja saadaan siirrettyä samassa kaapelissa. Suurissa tehtaissa ja pitkillä etäisyyksillä saavutetaan etua johdotuksen asennuksessa ja luotettavuudessa.

9 Työssä käytetään Siemens ET 200 SP-moduulia, joka yhdistää tulo- ja lähtöpiirit yhdeksi kokonaisuudeksi. I/O-moduulin mallimerkintä on IM155-6PN ST, johon voidaan liittää vakio- ja turvamoduuleja jopa yhteensä 32 kpl. I/O-moduuli yhdistetään logiikkaan Profinet-yhteydellä. (10.) 2.3.3 Turvatulot ja lähdöt Käytössä on F-DI HF 8x24VDC -turvatulomoduuli. Moduulissa on 8 kpl digitaalisia turvatuloja, joten mallimerkinnässä on iso F-kirjain. Moduulin kuoressa on myös keltainen väritys kuten kuvassa 5 nähdään. (11.) Kuva 5. F-DI HF 8x24VDC -turvatulomoduuli.(11)

10 Turvatulomoduulin kytkentävaihtoehdosta ja toiminnasta löytyy paljon tietoa valmistajan www-sivulta. Jokaiselle turvatulolle (DI kuvassa 6) on erillinen sähkönsyöttö VSx, mutta on myös mahdollista käyttää ulkopuolista virtalähdettä L+. (12.) Kuva 6. Moduulin sisäinen tai ulkoinen sähkönsyöttö. (12) Turvalähtömoduulissa F-DQ HF 4x24VDC/2A on 4 kpl digitaalisia turvalähtöjä.(13) Turvalähtö-moduulin yksi lähtö voidaan kytkeä yhteen releeseen, tai kuten kuvassa 9 kahteen releeseen eri tavoin. (14) Kuva 7. Turvalähdön kytkentäesimerkkejä. (14)

11 Isomman releen ohjaukseen käytetään apuna erillistä turvarelemoduulia F-RQ ST 24VDC. Modulissa on 2 kpl potentiaalivapaata NO-kytkintä.(15) Kuvassa 10 esimerkki kytkennästä. (23) Kuva 8. Turvalähtömoduulin ja turvarelemoduulin kytkentä esimerkki. (16) Lisää kytkennöistä ja tarkemmat tiedot löytyvät valmistajan www-sivulta. (12;14;16;17). 2.3.4 Turvakytkimet ja turvareleet Työn tässä vaiheessa ei ole tiedossa, mihin laitteeseen työ tullaan liittämään. Mahdolliset turvakytkimet ja turvareleet tullaan valitsemaan myöhemmin. Mahdollisesti myös muut turvakomponentit voivat tulla kyseeseen esim. turvavaloverhot.

12 2.3.5 Turvakomponenttien diagnostiikka ja valvontaominaisuudet Turva-automaatioon liittyvissä komponenteissa on oikosulkuihin ja johtovikoihin liittyviä valvonta- ja diagnostiikkaominaisuuksia, joilla pyritään lisäämään turvallisuutta ja havaitsemaan viat ennen vaaratilannetta. Näihin ominaisuuksiin kannattaa tutustua huolellisesti ja selvittää tarkkaan, mitä asetuksia toiminnallisuuksiin liittyy. Komponenttivalmistajien sivuilta löytyy tarkempia dokumentteja. Turva-automaation käyttöönoton kannalta on tärkeää tuntea käytettävät komponentit, jotta vältytään ongelmilta valvonta- ja diagnostiikka asetuksia tehtäessä. 2.4 Teollinen Ethernet -ympäristö Tuotanto- ja teollisuuslaitoksissa käytettäville laitteille ympäristöolosuhteet ovat yleensä vaativammat, kuin toimistotiloissa. Tämä asettaa muutamia vaatimuksia teolliselle Ethernet-verkolle: Tiedonsiirron aikakriittisyys: Esimerkiksi liikkeenohjaussovellukset saattavat vaatia lyhyitä vasteaikoja. Tärinä ja häiriöt: Teollisuudessa käytetään suuria ja voimakkaita laitteita, jotka aikeuttavat tärinää lähellä sijaitseville ohjauslaitteille. Suuritehoiset sähkömoottorit saattavat aiheuttaa häiriöitä tiedonsiirtoon ja ohjauslaitteisiin, joita voidaan vähentää käyttämällä häiriösuojattuja kaapeleita ja laitekoteloja. Ympäristön lämpötila: Korkeat lämpötilat ja nopeat lämpötilanvaihtelut saattavat aiheuttaa ongelmia. Lisäksi ilmankosteus saattaa tiivistyä laitteiden pinnalle. Laitteiden yhteensopivuus: Teollisuudessa saattaa olla käytössä laitteita, jotka ovat eri valmistajilta ja eri aikakausilta. Näiden laitteiden keskinäinen toiminta tulisi saada toimimaan myös siirryttäessä uuteen järjestelmään. Lisäksi eri laitevalmistajien sovellukset tulisi saada toimimaan keskenään. Tietoturva: Teolliseen Ethernet-verkkoon kohdistuu erilainen tietoturvauhka kuin toimistoympäristössä, koska suurien koneiden ja laitteiden kanssa toimittaessa

13 seuraukset voivat olla vakavia. Tuotantolaitteista saadaan myös monenlaista tietoa, jota ei haluta vääriin käsiin. Teollisen Ethernetin käyttömahdollisuudet ja sovellukset ovat monipuoliset, ja niitä saadaan varmasti lisää tulevaisuudessa. Myös langaton tiedonsiirto avaa uusia mahdollisuuksia. 2.5 Profinet-verkko Profinet on avoin teollisuus-ethernet-standardi, joka mahdollistaa aikakriittiset toiminnot. Ei-aikakriittisen TCP/IP-tiedon lisäksi Profinet mahdollistaa reaaliaikaisen ja syklisen tiedonsiirron samaan aikaan samassa väylässä ilman, että reaaliaikainen tiedonsiirto häiriintyy. Profinet pohjautuu Ethernet-protokollaan, joten langaton tiedonsiirto on mahdollista. Toimistokäytössä riittää, että tietopaketti on perillä sekunneissa, mutta automaation aikavaade voi olla millisekunteja. Tavallisessa Ethernet-verkossa tätä ei pystytä takaamaan. Tämä puute on korjattu Profinetstandardissa. (18.) 2.5.1 Aikakriittinen liikennöinti Profinet RT- ja Profinet IRT -liikennöinti tapahtuu samassa verkossa TCP/IP-liikenteen kanssa. Verkko on aikajaettu kuten kuvasta 9 nähdään. Profinet IRT käyttää omaa aikaväliä ja Profinet RT ja TCP/IP käyttävät omaa aikaväliään. Tälla tavalla voidaan varmistaa, että suuri hetkellinen TCP/IP-kuorma ei häiritse Profinet IRT -tiedonsiirtoa. (19, s.8 9.)

14 Kuva 9. IRT-dataliikenne kulkee omassa aikavälissä, verrattuna RT- ja TCP/IPdataliikenteeseen. (19, s.9) Riippuen tarvittavasta aikakriittisestä liikennöinnin tarpeesta voidaan verkon asetuksia muuttaa sovelluksen mukaan. (20, s.52 53.) Esimerkiksi vaativat liikkeenohjaussovellukset voivat vaatia lyhyitä vasteaikoja (kuva 10). Kuva 10. Vasteaikavaatimus sovelluksen mukaan. (19)

15 2.5.2 Verkon rakenne Profinet-verkko voi olla rakenteeltaan tähden, linjan, puun tai ympyrän mallinen tai yhdistelmä näistä. Profinet-laitteissa voi olla yksi tai useanpi Ethernet-liityntä, mikä antaa mahdollisuuden verkon rakenteen muuttamiseen ja laajentamiseen. Ympyrän mallisessa verkossa on parempi vikasietoisuus mahdollisen kaapelirikon varalle. Verkossa voidaan käyttää johtimia tai valokuitua tarvittavan etäisyyden mukaan. Verkko voi olla myös langaton perustuen standardiin IEEE 802.11. Langaton verkko sopii paikkoihin, jossa kaapelien käyttö on ongelmallista. Langatonta tiedonsiirtoa suunniteltaessa tulee ottaa huomioon kuuluvuusalue ja mahdolliset häiriöt käytetyllä taajuusalueella. Taulukossa 3 on listattu eri vaihtoehtoja tarvittavan etäisyyden mukaan. Taulukko 3. Eri vaihtoehtoja tarvittavan etäisyyden mukaan. (20, s.29)

16 Kuvassa 11 on yhdistelmä langatonta ja johdotettua verkkoa. Lisäksi on yhdistetty Profinet-verkkoa ja profibus-väylä. (19, s.20 21.) Kuva 11. Langaton tiedonsiirto on mahdollista profinet-verkossa ja profinet-verkon ja profibusväylän välillä. (19) 2.5.3 Profinet ja Profibus Profinet-verkossa oleva laite on esimerkiksi PLC, PC, verkkokytkin, reititin, Profibus proxy sovitin (IE/PB) tai hajautettu I/O-järjestelmä. (20, s.13) Laitteet jaotellaan seuraavasti: Profinet IO controller on esimerkiksi tässä työssä käytetty S7-1500 -logiikka, jossa automaatio-ohjelma suoritetaan. IO-kontrolleri huolehtii profinet verkon osoitteiden hallinnasta IO-laitteille. Tulo- ja lähtösignaalit kenttälaitteilta ja hälytykset ovat IO-kontrollerin hallinnassa. Profinet IO supervisor: Profinet-suunnittelu/hallintaohjelma, jolla IO-laitteiden asetukset ja parametrit asetetaan. Diagnostiikka- ja ylläpitotehtävät hoidetaan

17 myös samalla ohjelmalla. Tässä työssä esimerkiksi TIA Portal STEP 7 professional-. ja STEP 7 advanced safety -ohjelmat. Profinet IO device: Profinet-laite, jota IO-kontrolleri ohjaa. Esimerkiksi tässä työssä käytetty hajautettu IO-moduuli. Toimittaa hälytyksiä, tulo- ja lähtösignaaleja IO-kontrollerille. Seuraavassa kuvassa 12 on vertailtu Profinet- ja Profibus-termejä keskenään, jotta edellä esiteltyjen laitteiden jaottelu tulisi helpommin ymmärretyksi. Kuva 12. Profinet- ja Profibus-laitteiden jaottelu ja termit. (20, s.170)

18 Profinet-verkko ja Profibus-väylä voidaan liittää toisiinsa, mikä on eduksi kun vanhoja järjestelmiä liitetään profinet-verkkoon. Tarvitaan johdotettava Profinet proxy -laite tai vastaava langaton ratkaisu (IE/PB)(kuva 13). (21.) Kuva 13. Profibus-väylän liittäminen Profinet-verkkoon Profinet proxy -laitteen avulla.(21) 2.5.4 Turvaominaisuudet Profinet käyttää turva-automaatioon liittyvässä tiedonsiirrossa PROFIsafe ominaisuutta. Se on ensimmäinen tiedonsiirtostandardi, joka perustuu standardiin IEC61508, jossa voidaan käyttää vakio- ja turvatiedonsiirtoa samassa verkkokaapelissa. (19, s.24.) PROFIsafe on TÜV-hyväksytty turva-automaation tiedonsiirtoon ja myös langattomiin turva-automaatiosovelluksiin. Se täyttää SIL 3 vaatimuksen (IEC61508 ja IEC62061). (19, s.24.) PROFIsafe käyttää Profinet RT- tai IRT-kaistaa turva-automaation tiedonsiirtoon. Näin ollen on helppoa lisätä turvaominaisuuksia jo olemassa olevaan Profinet-verkkoon. Myös PROFIsafe-turva-automaation tiedonsiirto Profibus-väylän ja Profinet-verkon välillä onnistuu normaalin tiedonsiirron kanssa (kuva 14). (19, s.25.)

19 Kuva 14. PROFIsafe-dataliikenne Profinet-verkon ja Profibus-väylän välillä. (19, s.25) 2.6 Turva-automaatio-ohjelmisto 2.6.1 Ohjelmistovaatimukset Standardi SFS-EN 61508-3 sisältää Sähköisten/Elektronisten/Ohjelmoitavien elektronisten turvallisuuteen liittyvien järjestelmien toiminnalliseen turvallisuuteen liittyviä ohjelmistovaatimuksia kaikille turvallisuuden elinkaaren toimille. (3, s 12 14.) 2.6.2 TIA Portal -ohjelmisto Työssä käytettiin Siemens TIA Portal -ohjelmistokokonaisuutta, johon oli asennettu seuraavat osat: SIMATIC STEP 7 Professional v13 SIMATIC STEP 7 Advanced Safety v13 SIMATIC STEP 7 PLCSIM v13

20 SIMATIC WinCC Basic v13 SELECTION TOOL TIA Portal -ohjelmakokonaisuus on erittäin laaja, joten vain osa toiminnoista käydään läpi liitteenä olevassa turvalogiikan käyttöönotto-ohjeessa. Kaikki turva-automaation liittyvät ohjelmoinnit, konfiguroinnit ja testaus voidaan tehdä samaa ohjelmaa käyttäen. (22.) Advansed Safety -lisäosa vaaditaan aina, kun ollaan tekemisissä turva-automaation kanssa. Advanced Safety -ohjelmassa on valmiiksi kirjastossa olevia TÜV-sertifioituja ohjelmalohkoja. (23.) 2.6.3 Luokitusohjelmistot Sistema-ohjelma on saksalaisen IFA:n tekemä turvatoimintojen suunnitteluun tarkoitettu ohjelmistotyökalu. Ohjelma laskee turvatason SFS-EN ISO 13849-1 mukaisesti. Työkalu on ladattavissa IFA:n www-sivuilta ja löytyy myös suomenkielisenä versiona. (24.) Siemensin verkkosivuilla on Safety Evaluation Tool -ohjelmisto, jolla voi laskea turvallisuuden eheystason halutulle laitteelle standardien SFS-EN 62061 (SIL) ja SFS- EN ISO 13849-1 (PL) mukaisesti. (25;7) Laitevalmistajilla on verkossa olevia online-työkaluja, joilla voidaan arvioida nykyisiä ja haluttuja turvallisuustasoja eri laitteistoille.

21 3 Työn kulku 3.1 TIA Portal -ohjelma Työssä käytettiin Simatic STEP 7 Professional ohjelmaa, joka on osa TIA Portal - ohjelmakokonaisuutta. Lisäksi tarvitaan STEP 7 Advanced Safety -lisäosa. Ohjelmalla voidaan tehdä työn kaikki vaiheet: konfigurointi, ohjelmointi ja testaus. TIA Selection Toolia voidaan käyttää, jos ei ole tarkkaa tietoa, mitä komponentteja aiotaan käyttää. Ohjelma auttaa käyttäjää valitsemaan oikeat komponentit eri tilanteiden ja olosuhteiden mukaan. Lisäksi ohjelmasta saa tulostettua osaluettelon tarvittavalle kytkennälle pois lukien ns. kenttälaitteet. STEP 7 Professional -ohjelma sopii hyvin kyseessä olevaan työhön, koska tarvittavat komponentit olivat jo valmiiksi saatavilla. Ohjelmalla voidaan myös tunnistaa joitakin käytössä olevia komponentteja. Esimerkiksi S7-1500 -logiikan tunnistus onnistuu, jolloin komponentin tiedot ja versiot menevät oikein. Näin vältytään virheiltä ja aikaa säästyy, mutta tähän tarvitaan verkkoyhteys. Aina tähän ei ole mahdollisuutta tai tarvetta, silloin komponentit ja versiot valitaan suoraan ohjelman komponenttikirjastosta. Ohjelma on hyvä pitää ajan tasalla, jotta uusimmat komponentit ja versiot ovat saatavilla. 3.2 Komponenttien liittäminen ja konfigurointi ohjelmassa Aluksi valitaan tarvittavat komponentit: virtalähde, logiikka, tulot ja lähdöt. Komponentit liitetään toisiinsa ohjelmassa ja konfiguroidaan tarvittavat parametrit. Sitten tehdään varsinainen ohjelma, joka toteuttaa turvatoiminnon. Ohjelman ylläpito ja mahdolliset muutokset on helppo toteuttaa, jos tarve vaatii. 3.3 Ohjelmointi ja testaus Koska lopullista kytkentää ei ole, jää ohjelmointi ja toiminnan testaus pois työn sisällöstä. Tämä on kuitenkin osa harjoitustyötä, jonka opiskelijat suorittavat laboratoriossa harjoitusalustaa käyttäen.

22 4 Yhteenveto Työn tuloksena syntyi alusta, jolla opiskelijat voivat tutustua turva-automaatioon ja toteuttaa siihen liittyviä harjoitustehtäviä. Rakennettu alusta on tarkoitus liittää myöhemmin johonkin laboratorion laitteeseen. Työssä käytetyt laitteet ja ohjelmisto vaativat paljon opettelua ja tutustumista laitteiden teknisiin ominaisuuksiin. Vaikka lopullista kytkentää ei voitu tehdä, työ oli laaja kokonaisuus. Turva-automaation komponenteissa oli paljon valvonta- ja diagnostiikkaominaisuuksia, joiden selvittelyyn meni runsaasti aikaa. TIA Portal - ohjelma on myös erittäin monipuolinen, ja sen opettelussa riittää tekemistä tämän työn jälkeenkin. Opiskelijoilla on käytössään rajallinen aika harjoitustyön tekemiseen, ja se tulee ottaa huomioon lopullisen kytkennän suunnittelussa. Käyttöönotto-ohje on pyritty pitämään selkeänä ja kuvia on siksi runsaasti (Liite 1). Ohjetta vaihe kerrallaan seuraamalla opiskelija voi suorittaa harjoitukset.

23 Lähteet 1 Opetushallitus verkkodokumentti http://www03.edu.fi/oppimateriaalit/kunnossapito/sahkotekniikka_a2_automaati ojarjestelma.html Luettu 9.2.2016 2 VTT verkkodokumentti http://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2004/t2264.pdf Luettu 11.2.2016 3 SFS-EN 61508-3 Sähköisten/Elektronisten/Ohjelmoitavien elektronisten turvallisuuteen liittyvien järjestelmien toiminnallinen turvallisuus. Osa 3 :Ohjelmistovaatimukset. SFS-online Luettu10.2.2016 4 Tukes verkkodokumentti http://www.tukes.fi/tiedostot/kemikaalit_kaasu/turvaautomaatio_prosessiteollisuudessa.pdf Luettu 9.2.2016 5 WWW.pilz.com verkkodokumentti https://www.pilz.com/fi- FI/company/news/articles/072004 Luettu 11.2.2016 6 SFS-EN 62061. Koneturvallisuus.Turvallisuuteen liittyvien sähköisten, elektronisten ohjelmoitavien elektronisten ohjausjärjestelmien toiminnallinen turvallisuus. SFS-online Luettu 11.2.2016. 7 Safety Evaluation Tool esite verkkodokumentti http://w3app.siemens.com/mcms/infocenter/dokumentencenter/ce/documentsu 20Brochures/e20001-a230-m103-v6-7600.pdf Luettu 10.2.2016 8 WWW.siemens.fi verkkodokumentti http://www.siemens.fi/fi/industry/teollisuuden_tuotteet_ja_ratkaisut/tuotesivut/au tomaatiotekniikka/ohjelmoitavat_logiikat_simatic/s7_1500.php Luettu 10.2.2016 9 Siemens www-sivut S7-1500 verkkodokumentti https://mall.industry.siemens.com/mall/en/ww/catalog/product/6es7516-3fn01-0ab0 Luettu 12.2.2016 10 Hajautettu I/O verkkodokumentti http://www.siemens.fi/fi/industry/teollisuuden_tuotteet_ja_ratkaisut/tuotesivut/au tomaatiotekniikka/hajautettu_io_et200.php Luettu 13.2.2016 11 Turvatulomoduuli verkkodokumentti https://mall.industry.siemens.com/mall/en/ww/catalog/product/6es7136-6ba00-0ca0 Luettu 13.2.2016

24 12 F-DI 8x24VDC verkkodokumentti https://cache.industry.siemens.com/dl/files/499/78589499/att_108174/v1/et200s p_f-di_8x24vdc_hf_manual_en-us_en-us.pdf Luettu 13.2.2016 13 Turvalähtömoduuli verkkodokumentti https://mall.industry.siemens.com/mall/en/ww/catalog/product/6es7136-6db00-0ca0 Luettu 13.2.2016 14 F-DQ 4x24VDC verkkodokumentti https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/78645789/et200sp_fdq_4x24vdc_2a_pm_hf_manual_en-us_en-us.pdf Luettu 13.2.2016 15 Turvarelelähtö moduuli verkkodokumentti https://mall.industry.siemens.com/mall/en/ww/catalog/product/6es7136-6ra00-0bf0 Luettu 13.2.2016 16 F-RQ 24VDC verkkodokumentti https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/90181204/et200sp_f_rq_1 x24vdc_24_230vac_5a_st_manual_en-us_en-us.pdf Luettu13.2.2016 17 ET 200 SP verkkodokumentti https://cache.industry.siemens.com/dl/files/173/59768173/att_825288/v1/et200s p_im_155_6_pn_st_manual_en-us_en-us.pdf Luettu13.2.2016 18 Profinet verkkodokumentti http://www.siemens.fi/fi/industry/teollisuuden_tuotteet_ja_ratkaisut/tuotesivut/au tomaatiotekniikka/teollinen_tiedonsiirto_esim_profinet/profinet.htm Luettu 13.2.2016 19 Siemens www-sivut Profinet esite verkkodokumentti http://www.siemens.fi/pool/products/industry/iadt_is/tuotteet/automaatiotekniikk a/teollinen_tiedonsiirto/profinet/br_profinet.pdf Luettu 11.2.2016 20 Siemens www-sivut Profinet system description.pdf verkkodokumentti http://www.siemens.fi/pool/products/industry/iadt_is/tuotteet/automaatiotekniikk a/teollinen_tiedonsiirto/profinet/man_pnsystem_description.pdf Luettu 11.2.2016 21 Profinet www-sivu http://us.profinet.com/technology/profinet/ Luettu 11.2.2016 22 TIA Portal-esite verkkodokumentti http://www.siemens.fi/pool/products/industry/iadt_is/tuotteet/tia_portal/tia_portal _brochure.pdf Luettu 10.2.2016 23 SIMATIC STEP 7 Safety verkkodokumentti http://www.industry.siemens.com/topics/global/en/tia-portal/controller-sw-tiaportal/simatic-step7-safety-advanced-tia-portal/pages/default.aspx Luettu 10.2.2016

25 24 Sistema pdf verkkodokumentti http://www.dguv.de/medien/ifa/en/pra/softwa/sistema/erlauet_e.pdf Luettu 12.2.2016 25 Safety Evaluation tool verkkodokumentti http://www.industry.siemens.com/topics/global/en/safety-integrated/machinesafety/safety-evaluation-tool/pages/default.aspx Luettu 10.2.2016

Liite 1 1