PLC di sicurezza vs. PLC standard: guida per ingegneri

Questo articolo fornisce una valutazione approfondita dei principi fondamentali della sicurezza PLCAttraverso un confronto multidimensionale con i PLC convenzionali, vengono esposti i loro principi di layout unici nel loro genere, tra cui ridondanza, diversità e autodiagnostica.

Utilizzando tabelle complete e analisi delle informazioni, chiariremo sicuramente perché la scelta di un PLC di sicurezza per applicazioni essenziali non rappresenta una spesa aggiuntiva, bensì un investimento finanziario fondamentale per garantire dipendenti, strumenti e continuità produttiva.

Nell'era dell'automazione, siamo davvero "al sicuro"?

Con l'avanzare del Settore 4.0 e dell'ondata di Smart Manufacturing, il PLC è diventato il fondamento dei moderni sistemi di automazione degli impianti di produzione. Dal controllo di base delle linee di produzione alla complessa cooperazione robotica, i PLC guidano il ritmo della produzione mondiale con la loro efficacia e flessibilità.

Tuttavia, quando un sistema di controllo subisce un guasto imprevisto, gli effetti possono essere ancora più gravi del previsto: da costosi danni alle apparecchiature e interruzioni della produzione a lesioni irreversibili ai lavoratori.

Ciò solleva una questione cruciale: il PLC su cui fai affidamento è in grado di riportare il sistema in uno stato sicuro quando si verifica una minaccia?

È proprio qui che si colloca la differenza tra un PLC convenzionale e un PLC di sicurezza. Molti percepiscono un PLC di sicurezza semplicemente come un "PLC più affidabile", ma questa visione è solo la punta dell'iceberg.

In realtà, un PLC di sicurezza è un sistema di controllo specializzato progettato sulla base dei principi di "Sicurezza pratica". Il suo obiettivo non è solo quello di portare a termine un compito, ma soprattutto di garantire la sicurezza in ogni circostanza, anche in caso di malfunzionamento.

Questo articolo svelerà sicuramente il concetto di PLC di sicurezza e spiegherà perché è così cruciale nell'architettura di automazione moderna.

1. L'obiettivo principale di un PLC di requisiti

Prima di addentrarci nei PLC di sicurezza, dobbiamo innanzitutto definire le funzioni di un PLC standard. Un PLC tipico è sviluppato per implementare in modo efficiente e corretto il ragionamento programmato dall'utente. Il suo obiettivo principale è raggiungere la funzionalità e aumentare l'efficienza.

• Modalità operativa: Riceve segnali da sensori e dispositivi di input, esegue operazioni logiche basate su un programma preimpostato e, successivamente, unità attuatori (ad esempio, motori, tubi cilindrici, chiusure) per eseguire determinate azioni.
• Obiettivi di stile: Si prefigge di ottenere cicli di controllo più rapidi, una maggiore potenza di gestione, una memoria più capiente e interfacce utente di comunicazione molto più estese.
• Gestione degli errori: Quando un PLC standard smette di funzionare (ad esempio, a causa di un errore della CPU o di un danneggiamento della memoria), il suo stato di uscita può risultare imprevedibile. Potrebbe diseccitare i suoi risultati, mantenere l'ultimo stato prima del guasto o addirittura generare segnali di uscita errati. In particolari circostanze industriali, questo comportamento è molto pericoloso.

In breve, un PLC comune è un “amministratore” eccezionale, ma non un “guardiano” certificato.

2. Il PLC di sicurezza: un guardiano nato per un funzionamento “sicuro”

A differenza di un PLC convenzionale, l'approccio di stile di un PLC di sicurezza e protezione pone la sicurezza come priorità assoluta, fin dall'inizio.

Segue rigorosi criteri di sicurezza e protezione internazionali, come IEC 61508  (lo standard universale per la sicurezza e la protezione utili) e Norma ISO 13849-1  (per componenti di sicurezza dei sistemi di controllo).

Il suo obiettivo principale è raggiungere uno stato "sicuro", ovvero se una qualsiasi parte del sistema (compreso il PLC di sicurezza stesso) si guasta, passerà immediatamente a uno stato sicuro predefinito e deterministico (generalmente interrompendo l'alimentazione o arrestando un movimento pericoloso).

Questo cambiamento ponderato è simboleggiato dalla sua architettura hardware unica e dagli algoritmi del software, ottenuti principalmente con tre tecnologie moderne fondamentali:.

2.1 Distinzione architettonica: dal “lavoro di squadra” alla “supervisione ridondante”

Questa è una delle differenze esteticamente più evidenti tra un PLC di sicurezza e un PLC comune.

• Criterion PLC: Può includere diverse CPU. Quando sono presenti numerose CPU, queste operano comunemente in una partnership partecipativa, in cui ciascuna gestisce compiti diversi (ad esempio, esecuzione logica, interazioni, controllo del movimento) per migliorare l'efficienza complessiva.
• PLC di sicurezza: Dovrebbe impiegare un'architettura ripetitiva, con almeno due (o più) CPU. Queste CPU non suddividono i compiti, ma eseguono lo stesso identico programma di controllo in parallelo. Al termine di ogni ciclo di controllo, il sistema esegue un confronto in tempo reale dei risultati di entrambe le CPU.
• Risultati corrispondenti: Il sistema rileva che il funzionamento è regolare e consente l'attivazione delle uscite.
• Mancata corrispondenza dei risultati: Il sistema rileva immediatamente un guasto interno, esegue la sua logica di sicurezza e forza tutte le uscite appropriate allo stato predefinito privo di rischi (ad esempio, disattivato), attivando contemporaneamente un allarme.

Questo modello di "guida condivisa a doppio canale" elimina fondamentalmente la possibilità di un output dannoso derivante da un errore di calcolo di una singola CPU.

2.2 Punto di vista dello stile: accettare la “diversità” per individuare difetti sconosciuti

Se la ridondanza è la prima linea di difesa contro i guasti hardware casuali, la "diversità" è la soluzione migliore contro i "guasti per cause ricorrenti" (CCF). Un CCF si verifica quando una singola causa porta al guasto sincronizzato di più canali ripetitivi, ad esempio un difetto di progettazione presente in un intero batch di CPU.

Per superare questo problema, i PLC di sicurezza avanzati adottano un approccio più avanzato:

• Varietà di attrezzature: Entrambe le CPU ridondanti potrebbero provenire da produttori diversi (ad esempio, una da Texas Instruments e una da Infineon). Dato che i loro stili interni, le loro configurazioni di configurazione e persino le procedure di produzione variano, è estremamente improbabile che condividano lo stesso difetto di progettazione.
• Varietà di software: Anche quando si esegue lo stesso ragionamento utente, tale logica viene spesso perfezionata da diversi compilatori per creare due set indipendenti di codice eseguibile. Questo può identificare efficacemente errori sistemici introdotti da un bug del compilatore.

Questa filosofia di progettazione basata sulla "diversità" è paragonabile all'analisi separata dello stesso documento da parte di due esperti con storie diverse; consente di individuare problematiche radicate che un singolo professionista potrebbe trascurare a causa di una mentalità modificata. Migliora significativamente la capacità del sistema di identificare errori sconosciuti e sistemici.

2.3 Capacità diagnostica: “Autodiagnosi” comune

La "sicurezza" di un PLC di sicurezza non si limita a ridondanza e diversità; si manifesta anche nelle sue efficaci e costanti capacità di autodiagnosi. Queste diagnosi sono estese e coprono l'intera falla di sicurezza, dall'input al risultato.

• Diagnostica CPU e memoria: All'inizio e alla fine di ogni ciclo di scansione vengono eseguiti esami approfonditi sui registri della CPU, sulla RAM e sulla ROM.
• Alimentazione elettrica da tenere d'occhio: Le tensioni di alimentazione interne vengono controllate in tempo reale. Se si discostano dalla tensione di sicurezza, viene immediatamente attivata una chiusura di sicurezza.
• Diagnostica della rete I/O: Questo è un elemento di differenziazione fondamentale rispetto ai PLC comuni. I moduli I/O di sicurezza eseguono attivamente la diagnostica dei circuiti, ad esempio:
• Ingressi: Identificazione di cortocircuiti, circuiti aperti (rotture di cavi) o circuiti incrociati con fonti di alimentazione esterne.
• Uscite: Rilevare se il canale risultante può cambiare correttamente e determinare problemi come cortocircuiti o commenti di tensione esterna.
• Sorveglianza dell'orologio: I sistemi a doppio orologio si tengono traccia l'uno dell'altro per evitare errori di temporizzazione dovuti a deriva o guasti dell'orologio.

Secondo il criterio ISO 13849-1, questi passaggi di analisi si aggiungono a una specifica vitale chiamata "Protezione Diagnostica (DC)".

Un PLC di sicurezza di alto livello (ad esempio, classificato PLe) dovrebbe raggiungere una protezione diagnostica di 99% o superiore, il che implica che oltre 99% di potenziali guasti pericolosi all'interno del sistema possano essere identificati tempestivamente. Le capacità diagnostiche di un PLC convenzionale sono molto inferiori a questo livello.

3. Confronto completo: PLC di sicurezza e protezione vs. PLC di requisito

Per fornire una comprensione molto più intuitiva delle loro distinzioni, la seguente tabella fornisce un'analisi comparativa approfondita:.

4. Quando è obbligatorio un PLC di sicurezza?

La scelta del PLC non deve essere determinata dal budget, ma dai risultati di un'attenta analisi del rischio. In base al livello di rischio esaminato, è necessario scegliere un sistema di controllo che soddisfi il Livello di Onestà in Sicurezza (SIL) o il Livello di Efficienza (PL) richiesti.

Di solito, l'utilizzo di un PLC di sicurezza qualificato è obbligatorio o altamente consigliato quando l'applicazione comporta una delle seguenti situazioni:.

• Luoghi pericolosi con frequenti comunicazioni umane: ad esempio, presse per stampaggio, macchine per stampaggio a iniezione, celle robotizzate che richiedono barriere fotoelettriche, cancelli di sicurezza o comandi a due mani.
• Dispositivi ad alta velocità o ad alto carico: Dove un avvio imprevisto o un mancato arresto potrebbero causare danni enormi, come nel caso di grandi trasportatori o trasloelevatori.
• Controllo approfondito in caso di rischi di esplosione o combustione: ad esempio, caldaie e soluzioni di gestione del riscaldamento (BMS), in cui un guasto al controllo potrebbe causare eventi tragici.
• Applicazioni espressamente previste dalla legge e dalle linee guida: In molte nazioni e aree, specifici criteri di sicurezza dei macchinari impongono l'uso di sistemi di controllo di sicurezza conformi a un particolare grado di efficienza.

Acquistare una Security PLC equivale, in sostanza, ad acquistare un "piano assicurativo" affidabile per i tuoi beni più preziosi: i tuoi dipendenti e i tuoi dispositivi di produzione.

Considerazione finale: la sicurezza è un profitto non negoziabile

Tornando alla nostra prima preoccupazione, la distinzione tra un PLC tipico e un PLC di sicurezza è molto più di una semplice scelta di parole. Rappresenta un abisso nella filosofia di progettazione, nell'architettura hardware, nei dispositivi diagnostici e nella responsabilità legale.

• Un PLC Requirement è il "cavallo di battaglia" di un sistema di automazione, incaricato di eseguire le attività in modo efficiente.
• Un PLC di sicurezza è l'"angelo custode" e la "salvaguardia" del sistema. Opera silenziosamente dietro le quinte, ma nei momenti più critici funge da ultima e più robusta linea di protezione contro un incidente.

Quando si pianifica il prossimo progetto di automazione, non considerare la sicurezza come una funzione opzionale o un costo aggiuntivo. Esegui un'analisi clinica dei rischi e scegli la soluzione più adatta al tuo sistema. Nel mondo della sicurezza aziendale, nessuna quantità di efficienza o capacità migliorata può compensare le perdite derivanti da un singolo incidente prevenibile. Scegliere un PLC di sicurezza è un impegno austero nei confronti della vita, della proprietà e della reputazione della tua azienda.