UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA

FACOLTÀ DI INGEGNERIA

Dipartimento di Ingegneria Elettrica

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Elettrica __________________________

MESSA IN SICUREZZA DI UNA CELLA ROBOTIZZATA TRAMITE TECNOLOGIA AS-INTERFACE: STUDIO DI

FATTIBILITÀ E VALUTAZIONE ECONOMICA

Relatore: prof. Ezio Bassi Correlatori: per. ind. Cristian La Salvia ing. Marco Di Martino Tesi di Laurea di GUIDO A. VAJNA de PAVA Matricola n. 303684/49

Anno Accademico 2004-2005

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Indice Sommario v 0 Introduzione vi 1 Cenni sulle direttive e norme per la sicurezza dei macchinari 1 1.1 Introduzione 1 1.2 La direttiva macchine 1 1.3 Le normative EN 4 1.3.1 Struttura delle norme correlate alla Direttiva Macchine 4 1.4 Scelta delle misure di sicurezza adeguate 5 1.4.1 Analisi e valutazione dei rischi 6 1.4.2 Scelta delle misure di riduzione del rischio 6 1.4.3 Selezione e realizzazione delle funzioni di sicurezza in relazione alla categoria scelta 8 1.5 Collegamento di attuatori e sensori di un sistema di sicurezza 10 2 Descrizione della tecnologia AS-interface 15 2.1 Introduzione 15 2.2 Caratteristiche fondamentali 15 2.2.1 Campo di impiego di una rete AS-interface 15 2.2.2 Struttura di una rete AS-interface 16 2.2.3 Cavo profilato AS-i 20 2.3 Componenti AS-interface 21 2.3.1 Master AS-i 21 2.3.1.1 DP/AS-i link 22 2.3.2 Alimentatore AS-i 23 2.3.3 Moduli di Ingresso/Uscita (moduli slave) 24 2.3.3.1 Moduli per l’impiego sul campo 24 2.3.3.2 Moduli per l’impiego all’interno del quadro elettrico 25 2.3.3.3 Dispositivi di campo (sensori e attuatori) 26 2.3.4 Cavo di alimentazione ausiliaria 26

2.4 Proprietà della rete AS-interface 27 2.4.1 Estensione della rete 27 2.4.2 Indirizzamento dei nodi della rete 28 2.4.3 Codifica delle informazioni 30 2.4.4 Ciclo di trasmissione dei dati 30 2.5 Utilizzo di AS-interface per la realizzazione di impianti di sicurezza 32 2.5.1 Realizzazione di una rete AS-i safe 32 2.5.2 Monitor di sicurezza 33 2.5.3 Funzionamento di una rete AS-i safe 35 2.5.4 Componenti AS-interface Safety at Work 37 2.5.4.1 Moduli di sicurezza 37 2.5.4.2 Sensori con funzioni rilevanti per la sicurezza 38 3 Realizzazione dell’apparato di sicurezza per una cella robotizzata 39 3.1 Introduzione 39 3.2 Descrizione dell’impianto 39 3.3 Analisi del rischio 43 3.3.1 Premessa 43 3.3.2 Progettazione dal punto di vista della sicurezza 43 3.3.3 Protezioni e accorgimenti per la riduzione del rischio 45 3.3.4 Scelta della categoria di rischio adeguata per il sistema di controllo 46 3.4 Protezioni adottate 49 3.5 Modalità di funzionamento dell’impianto 51 3.5.1 Funzionamento normale 51 3.5.2 Procedura di ingresso nell’area A 53 3.5.3 Procedura di ingresso nell’area B 54 3.5.4 Procedura di arresto - ingresso nelle aree A e B 56 3.6 Realizzazione dell’impianto di sicurezza tramite cablaggio tradizionale 57 3.7 Studio di fattibilità e realizzazione dell’impianto di sicurezza tramite tecnologia AS-interface 65 3.7.1 Introduzione 65 3.7.2 Condizioni di fattibilità 65 3.7.3 Caratteristiche del monitor di sicurezza 66 3.7.4 Realizzazione del programma con Asi MON 68 3.7.4.1 Programma Monitor di emergenza zona A 70 3.7.4.2 Programma Monitor di emergenza zona B 74

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3.7.4.3 Programma Monitor di arresto controllato presse 74 3.7.4.4 Programma Monitor di arresto controllato robot 75 3.7.5 Opzione di procedura di uscita con chiave interna 76 3.8 Sperimentazione del programma su modello esemplificativo 80 4 Analisi dei costi e confronto economico tra tecnica di cablaggio tradizionale e tecnologia AS-interface 83 4.1 Introduzione 83 4.2 Costo della realizzazione dell’impianto di sicurezza con cablaggio tradizionale 84 4.2.1 Suddivisione delle voci di costo 84 4.2.2 Costo dei componenti 87 4.2.3 Costo dell’installazione (cablaggio) 90 4.2.4 Costo di interventi successivi alla prima installazione 91 4.2.5 Costo complessivo per la realizzazione dell’apparato di sicurezza con tecnologia tradizionale 92 4.2.6 Incidenza dell’apparato di sicurezza sui costi per la realizzazione dell’intero impianto 92 4.3 Costo della realizzazione dell’impianto di sicurezza con tecnologia AS-interface 93 4.3.1 Suddivisione delle voci di costo 93 4.3.2 Costo dei componenti 93 4.3.3 Costo dell’installazione (cablaggio) 99 4.3.4 Costo complessivo per la realizzazione dell’apparato di sicurezza con tecnologia AS-interface 102 4.3.5 Incidenza dell’apparato di sicurezza AS-interface sui costi per la realizzazione dell’intero impianto 102 4.4 Confronto dei costi per la realizzazione del medesimo impianto di sicurezza con sistema tradizionale e con tecnologia AS-interface 103 4.4.1 Tabelle comparative 103 4.4.2 Confronto grafico 106 4.4.3 Analisi dei risultati 106 4.4.4 Osservazioni 107 Conclusioni 109 Bibliografia 111

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Sommario Il lavoro prende in esame l’apparato di sicurezza di un’unità produttiva formata da due presse per il colaggio di sanitari in ceramica e da un robot per la sformatura e il trasporto dei pezzi. Tale apparato è stato realizzato con la tecnologia tradizionale che prevede il cablaggio in parallelo dei sensori e degli attuatori al controllore del sistema (PLC). Il lavoro analizza la possibilità di realizzare un sistema di controllo alternativo, basato sulla tecnologia AS-interface per la connessione di attuatori e sensori. Allo studio di fattibilità segue un’analisi dei costi di realizzazione delle due tipologie di impianto, le quali vengono messe a confronto con l’obiettivo di dimostrare che la tecnologia AS-interface risulta più conveniente di quella tradizionale.

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vi

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Introduzione Questa tesi è il risultato dell’attività da me svolta - nell’arco di tempo di sei mesi - presso la sede di Milano della società Siemens S.p.A., nel reparto ‘apparecchi di bassa tensione’. L’argomento trattato si colloca nell’ambito della comunicazione industriale tra sensori/attuatori posti sul campo - a formare il cosiddetto equipaggiamento dei macchinari - e i controllori ad essi interfacciati (controllori automatici a logica programmabile). La proposta di tesi di Siemens è stata quella di realizzare un’analisi tecnico/economica sull’utilizzo del sistema di connessione AS-i (Actuator/Sensor-interface) per la creazione di reti di comunicazione industriale a livello di campo. Il sistema AS-i, di introduzione relativamente recente sul mercato, costituisce un passo avanti rispetto alla tecnologia di cablaggio tradizionale di attuatori e sensori, sia per la semplicità di configurazione e installazione che presenta, sia per il risparmio economico che deriva dal suo utilizzo. Alla Siemens si è reputato utile effettuare un’analisi in grado di quantificare questi vantaggi, soprattutto in termini di costi. Per poter realizzare un’analisi realistica si è quindi preso in esame un caso pratico; nella fase iniziale del lavoro sono stato messo in contatto con la società Gaiotto Automation, cliente della Siemens che si occupa della realizzazione di impianti altamente automatizzati per la lavorazione di materie plastiche e ceramiche. La Gaiotto sta valutando la possibilità di utilizzare il sistema AS-interface per la parte di sicurezza all’interno di una linea di impianti per il colaggio e la sformatura di servizi sanitari in ceramica, impianti che sono stati finora realizzati con cablaggio tradizionale in parallelo. La società ha gentilmente acconsentito a mettere a disposizione per questo studio le specifiche degli impianti e ha fornito un importante supporto di consulenza. Il mio lavoro si è articolato nelle seguenti fasi:

• Studio delle normative che regolamentano la realizzazione di un impianto di sicurezza. Al capitolo 1 sono riportati un elenco e una rapida descrizione di tali norme.

• Studio del sistema AS-interface, in particolare della norma europea che

ne stabilisce le caratteristiche, dei componenti AS-i realizzati da Siemens e della parte di tecnologia AS-i dedicata alla realizzazione di impianti di sicurezza. Questi argomenti sono trattati al capitolo 2.

• Analisi dell’impianto realizzato dalla Gaiotto; analisi del rischio e conseguente studio dei criteri di sicurezza adottati; studio di fattibilità di

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un sistema con tecnologia AS-i alternativo a quello esistente; progettazione del sistema alternativo e programmazione del dispositivo elettronico di gestione delle funzioni di sicurezza. Questi argomenti sono riportati al capitolo 3.

• Analisi dei costi per la realizzazione dell’impianto nelle due modalità;

confronto dei costi e valutazione del risparmio complessivo comportato dall’utilizzo della tecnologia AS-interface. L’analisi viene riportata al capitolo 4.

La tesi si conclude indicando alcuni possibili sviluppi del lavoro svolto.

_______________________________________________________ Durante il lavoro sono stato seguito con enorme pazienza dal signor La Salvia e dall’ingegner Di Martino della Siemens; il professor Bassi mi ha messo in contatto con la Siemens e ha seguito la stesura della tesi. Desidero ringraziarli. Ringrazio chi mi ha sostenuto in questi anni di studio.

1 Cenni sulle direttive e norme per la sicurezza dei macchinari

1.1 Introduzione Con l’introduzione del Mercato Europeo Unico, si è deciso di armonizzare le normative nazionali degli stati membri della Comunità Europea in materia di sicurezza sul lavoro. La Direttiva 98/37/CE, dedicata esclusivamente alla sicurezza delle macchine, è un documento approvato dal Consiglio dell’Unione Europea con l’obiettivo di armonizzare le legislazioni vigenti nei vari stati membri in materia di:

• garanzia della sicurezza e salute degli utilizzatori;

• libera circolazione dei beni all’interno del mercato unico;

• processo di valutazione della conformità. In Italia il contenuto della Direttiva Macchine è stato recepito dal DPR459/96 inerente alle leggi che regolano la sicurezza degli apparecchi.

1.2 La direttiva macchine La direttiva 98/37/CE è suddivisa in 14 articoli e da 7 allegati. In tabella 1.1 è schematizzata la struttura del documento.

1

tab. 1.1: struttura della direttiva macchine

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La Direttiva fornisce una definizione di macchina molto ampia:

• un insieme di pezzi o di organi, di cui almeno uno mobile, collegati tra loro, ed eventualmente con azionatori, con circuiti di comando e di potenza, ecc., connessi solidamente per un'applicazione ben determinata;

• un insieme di macchine e di apparecchi che per raggiungere uno stesso

risultato sono disposti e comandati in modo da avere un funzionamento solidale;

• un'attrezzatura intercambiabile che modifica la funzione di una

macchina, nei limiti in cui tale attrezzatura non sia un pezzo di ricambio o un utensile.

Il campo di applicazione della Direttiva macchine si estende dunque dal singolo macchinario all’intero impianto. Viene inoltre definito componente di sicurezza “un componente, purché non sia un'attrezzatura intercambiabile, che il fabbricante o il suo mandatario stabilito nella Comunità immette sul mercato allo scopo di assicurare, con la sua utilizzazione, una funzione di sicurezza e il cui guasto o cattivo funzionamento pregiudica la sicurezza o la salute delle persone esposte” I componenti di sicurezza sono elencati nell'allegato IV della direttiva macchine. I principi essenziali per la messa in sicurezza di una macchina sono enunciati nell’allegato 1:

• Per costruzione, le macchine devono essere atte a funzionare, ad essere regolate e a subire la manutenzione senza che tali operazioni, se effettuate nelle condizioni previste dal fabbricante, espongano a rischi le persone.

• Per la scelta delle soluzioni più opportune il fabbricante deve applicare i

seguenti principi, nell’ordine indicato: • eliminare o ridurre i rischi nel miglior modo possibile (integrazione della sicurezza nella progettazione e nella costruzione della macchina); • adottare le misure di protezione necessarie nei confronti dei rischi che non possono essere eliminati; • informare gli utilizzatori dei rischi residui dovuti all’incompleta efficacia delle misure di protezione adottate, indicare se è richiesta una formazione particolare e segnalare se è necessario prevedere un dispositivo di protezione individuale.

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1.3 Le normative EN Gli organismi di normazione europei CEN (Comitè Europèen de Normalisation) e CENELEC (Comitè Europèen de Normalisation Electrotechnique), su incarico della Commissione Europea, elaborano le norme, sulla base dei requisiti delle Direttive Europee per un certo prodotto. Queste norme, dette norme EN, sono in seguito recepite dagli stati membri come norme nazionali. Tali norme possono essere seguite per soddisfare i requisiti base di sicurezza stabiliti dalla Direttiva Macchine. Attenendosi a tali norme si consegue una ‘automatica presunzione di conformità’, cioè il costruttore può essere sicuro di aver adempiuto gli obblighi relativi alla sicurezza stabiliti dalla Direttiva. 1.3.1 Struttura delle norme correlate alla Direttiva Macchine La normativa relativa alla sicurezza delle macchine è strutturata in maniera gerarchica, secondo una piramide a tre livelli: A, B e C. Lo schema seguente elenca alcune delle principali norme e la loro collocazione nella piramide, ad alcune di esse si farà riferimento per l’analisi del rischio condotta al capitolo 3. Norme di livello A (livello di sicurezza di base), collegate a concetti di sicurezza fondamentali che possono essere applicati a tutti i macchinari.

• EN292-1: concetti fondamentali e principi generali della progettazione, terminologia di base e metodologia;

• EN292-2: concetti fondamentali e principi generali della progettazione, specifiche e principi tecnici;

• EN1050: principio dell'analisi dei rischi. Norme di livello B (livello di sicurezza generica), correlate alla sicurezza in generale e ai dispositivi di sicurezza, applicabili a diversi tipi di macchinari. B1: norme riferite a particolari aspetti della sicurezza.

• EN999: posizionamento di apparecchiature di protezione rispetto alle velocità di avvicinamento di parti del corpo umano;

• EN954-1: parti correlate alla sicurezza dei sistemi di controllo, principi generali della progettazione;

• EN1127-1: atmosfere esplosive - prevenzione e protezione dalle esplosioni, concezioni e metodologia di base;

• EN60204-1: apparecchiature elettriche delle macchine, specifiche per i requisiti generali.

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B2: norme riferite ai dispositivi di sicurezza. • EN418: apparecchiature di arresto di emergenza. Aspetti funzionali e

principi di progettazione; • EN574: dispositivi di controllo a due mani. Aspetti funzionali e principi di

progettazione; • EN1088: interblocco dei dispositivi associati alle protezioni - principi per

la selezione e la progettazione; • EN1760-1: principi generali per la progettazione e il collaudo di tappeti e

pavimentazioni sensibili alla pressione; • EN61469-1: apparecchiature di protezione elettrosensibili, requisiti

generali e collaudi; • EN61496-2: apparecchiature di protezione elettrosensibili, requisiti per le

apparecchiature che usano dispositivi opto-elettronici attivi; • EN60947-1: meccanismi di commutazione e controllo a bassa tensione.

Norme di livello C (livello di sicurezza specifica), che definiscono i requisiti di sicurezza per macchine specifiche

• EN81-1: regolamenti di sicurezza per la costruzione e installazione di montacarichi elettrici;

• EN81-2: regolamenti di sicurezza per la costruzione e installazione di montacarichi idraulici;

• EN1 15: regolamenti di sicurezza per la costruzione e installazione di scale mobili e dispositivi di trasporto passeggeri;

• EN201: macchine per gomma e plastica - macchine per stampaggio a iniezione - requisiti di sicurezza;

• EN415: sicurezza delle macchine da imballaggio; • EN692: prese meccaniche - sicurezza; • EN775: manipolazione di robot industriali; • EN869: requisiti di sicurezza per le unità di pressofusione del metallo ad

alta pressione; • EN1034: requisiti di sicurezza tecnica per la progettazione e costruzione

di macchine per la fabbricazione e la lavorazione della carta, avvolgitrici e refilatrici, piegatrici;

• EN1678: macchinari per l'industria alimentare.

1.4 Scelta delle misure di sicurezza adeguate È compito del costruttore individuare e valutare in fase di progettazione i rischi che può comportare l’utilizzo della macchina. Le modalità da seguire per una corretta analisi del rischio e l’applicazione di adeguate misure di sicurezza sono descritte dalle normative EN 954-1 e EN 1050. Il processo per la progettazione di un sistema di controllo è articolati in 3 punti fondamentali, descritti qui di seguito.

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1.4.1 Analisi e valutazione dei rischi La 954-1 fornisce una tecnica per determinare la categoria di sicurezza da associare ad un determinato rischio. L’individuazione della categoria di rischio è funzione dei seguenti parametri:

• S: Gravità della lesione La gravità delle lesioni viene determinata valutando quali incidenti che coinvolgano componenti e sistemi di controllo correlati alla sicurezza potrebbero verificarsi.

• F: Frequenza d'esposizione ai pericoli Questo parametro varia ad esempio a seconda che sia necessario avvicinarsi regolarmente alla macchina in funzione o che l'accesso sia richiesto soltanto di tanto in tanto

• P: Possibilità di evitare i pericoli Alcuni aspetti che influenzano la scelta del tipo di parametro P sono: esercizio con o senza supervisione; possibilità di azionamento da parte di persone esperte o di non professionisti; velocità con cui si presenta il pericolo; possibilità di evitare il pericolo; esperienze pratiche di sicurezza relative al processo. 1.4.2 Scelta delle misure di riduzione del rischio Seguendo lo schema iterativo è possibile selezionare la misura di sicurezza più opportuna. Lo schema permette di individuare le misure di sicurezza intrinseca applicabili a livello di progettazione e le misure realizzabili tramite l'applicazione di opportune protezioni.

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fig. 1.1: schema a blocchi per la scelta delle misure di riduzione del rischio

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1.4.3 Selezione e realizzazione delle funzioni di sicurezza in relazione alla categoria scelta Dopo che la categoria di sicurezza è stata determinata in base alla relativa tabella di selezione della categoria, è necessario progettare circuiti conformemente alle funzioni di sicurezza richieste per la specifica categoria così come è descritto nella tabella 1.2.

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tab. 1.2: descrizione dei requisiti delle categorie di sicurezza secondo EN 954-1

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1.5 Collegamento di attuatori e sensori di un sistema di sicurezza

La IEC 62061 si basa sulla norma - ratificata ma non ancora armonizzata sotto una direttiva dell’Unione Europea - EN 61508 “Sicurezza funzionale dei sistemi elettrici/elettronici/elettronico programmabili legati alla sicurezza”. Essa riporta lo stato dell’arte dei sistemi di sicurezza e si concentra principalmente sui requisiti che un costruttore deve rispettare nell’implementazione di controlli automatici legati alla sicurezza. La configurazione di un sistema è descritta come insieme di sottosistemi, i quali sono a loro volta costituiti da componenti, variabili a seconda della tecnologia utilizzata. In figura 1.2 è riportata la configurazione tipica di un sistema di sicurezza.

fig. 1.2: configurazione di sistema di sicurezza secondo la IEC 6206 L’applicazione in figura 1.3 comprende i seguenti sottosistemi:

• sistema di rilevamento, costituito dai sensori sul campo;

• sistema di valutazione, costituito dalle unità di valutazione;

• sistema di intervento, costituito dai contattori per l’interruzione dell’alimentazione della macchina controllata.

Il sistema rileva sul campo i segnali relativi alla sicurezza (posizione delle parti mobili della macchina, passaggio di corpi estranei, intervento di un pulsante a fungo di emergenza ecc.); l’unità di valutazione elabora i segnali e comanda gli attuatori in apertura/chiusura. Il collegamento dei componenti del sistema deve avvenire secondo le prescrizioni della EN 954-1, è necessario cioè progettare i circuiti di collegamento conformemente alle funzioni di sicurezza richieste per la categoria di sicurezza in cui l’analisi del rischio ha collocato l’impianto. I requisiti di ogni categoria sono elencati in tabella 1.2.

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Sono illustrati in seguito alcuni esempi di collegamento di attuatori e sensori nelle categorie di sicurezza 2, 3 e 4. Gli esempi ipotizzano l’uso di una centralina di sicurezza della linea Siemens SIRIUS 3TK28, la quale riceve il segnale da un finecorsa e comanda uno o più contattori (indicati con K1 e K2). Gli attuatori agiscono sulla linea di alimentazione di un motore.

fig. 1.3: esempio di collegamento in categoria 2 La categoria 2 richiede che vengano periodicamente verificate le funzioni di sicurezza, ad esempio commutando la posizione del finecorsa. In caso di guasto può verificarsi la perdita delle funzioni di sicurezza. Il guasto potrà essere rilevato solo durante la verifica del funzionamento del sistema.

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fig. 1.4: esempio di collegamento in categoria 3 In categoria 3 tutte le parti dell’impianto riguardanti la sicurezza devono essere progettate in modo che un singolo guasto non determini la perdita delle funzioni di sicurezza. Il guasto deve inoltre essere rilevato nel momento in cui si verifica un intervento del sistema di sicurezza. Tali requisiti si ottengono con una configurazione ridondata di sensori e attuatori. Ad esempio, in caso di guasto di uno dei contattori (K1 o K2), la presenza del secondo contattore permette al sistema di intervenire comunque; inoltre, al momento dell’apertura del contattore sano, il sistema deve rilevare il mancato intervento di quello guasto. L’accumularsi di guasti non rilevati può comunque provocare la perdita delle funzioni di sicurezza.

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fig. 1.5: esempio di collegamento in categoria 4 Il sistema in categoria 4 deve essere progettato in modo che un singolo guasto non provochi la perdita delle funzioni di sicurezza e che il guasto venga rilevato prima che il sistema di sicurezza sia chiamato a intervenire. Nell’esempio di figura 1.5 i finecorsa sono collegati alla centralina su due circuiti separati. Il modello di 3TK28 impiegato è in grado di svolgere test dinamici sui segnali dei sensori in modo da rilevare qualsiasi tipo di guasto, sia dei sensori sia dei conduttori di allacciamento. Il livello di sicurezza può essere aumentato utilizzando misure addizionali come il sovradimensionamento dei contattori. Indipendentemente dalla categoria di sicurezza scelta, non è mai possibile ottenere un sistema assolutamente sicuro.

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2 Descrizione della tecnologia AS-interface

2.1 Introduzione AS-interface è uno standard aperto, le cui specifiche elettriche e meccaniche sono state stabilite da 11 costruttori di sensori e attuatori binari, tra cui Siemens S.p.A. La sua introduzione sul mercato risale al 1994. Nel 1999 il sistema AS-interface è stato standardizzato nelle normative EN 50295 e IEC 62026-2. I componenti del sistema sono quindi compatibili tra loro indipendentemente dal costruttore che li ha prodotti. AS-i è stato pensato per essere un sistema aperto, di conseguenza può essere utilizzato universalmente e può essere collegato direttamente ad un controllore programmabile (PLC) o ad una rete di bus di campo di livello superiore.

2.2 Caratteristiche fondamentali 2.2.1 Campo di impiego di una rete AS-interface AS-interface - ovvero Interfaccia attuatore/sensore - è un sistema di connessione elettromeccanica progettato per operare tramite un cavo bifilare in grado di trasportare dati e potenza. Esso è stato studiato per un impiego al livello di base della cosiddetta piramide della comunicazione industriale, riportata in figura 2.1. È adatto alla circolazione di un volume di dati limitato, in presenza di un gran numero di apparecchi collegati. Risulta quindi particolarmente adatto in impianti automatizzati in cui operano numerosi dispositivi di campo che forniscono informazioni semplici, perlopiù di tipo binario, e che devono interfacciarsi ad un’unità di controllo elettronica come un PLC o un elaboratore industriale.

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Livello di supervisione

Livello di conduzione

Livello di cella Ethernet

PROFIBUSLivello di campo

AS-InterfaceSensori e attuatori

fig. 2.1: piramide dei livelli della comunicazione industriale - livello di impiego

di AS-interface 2.2.2 Struttura di una rete AS-interface Il sistema AS-interface è pensato per sostituire la tecnologia di cablaggio tradizionale utilizzata normalmente. Quest’ultima prevede che i dati provenienti dal livello di processo siano trasmessi tramite cavi paralleli e moduli di ingresso/uscita; di conseguenza ciascun attuatore e sensore è collegato ad un gruppo di ingresso/uscita tramite un cavo individuale ad esso riservato, da cui il nome di cablaggio parallelo. Con AS-interface la connessione viene realizzata tramite un unico cavo, al quale tutti i dispositivi di campo - sensori e attuatori - sono collegati. Sullo stesso cavo vengono trasportati segnali ed alimentazione. I vantaggi di un utilizzo così limitato di cablaggio sono evidenti, soprattutto quando i singoli sensori/attuatori devono essere installati in modo distribuito sulla macchina.

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Cablaggio tradizionale

AS-interface

fig. 2.2: confronto visivo tra modalità di ollegamento tradizionale e modalità di

c

collegamento AS-interface

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Rispetto al sistema tradizionale, AS-interface risulta molto più flessibile. All’interno di una rete AS-i è infatti possibile la connessione di un nuovo ramo in qualsiasi punto e si può realizzare qualunque tipo di configurazione (a stella, ad albero, ecc.), fatta eccezione per la configurazione ad anello.

fig. 2.3: esempi di topologie di connessione della rete AS-i al master La struttura tipica di una rete AS-i è rappresentata in figura 2.4. Gli elementi fondamentali della rete sono:

• un master AS-interface, che permette l’interfaccia con l’unità di supervisione o con una rete di livello superiore;

• un alimentatore AS-interface, che provvede a dare tensione alla rete e

contiene il circuito per il disaccoppiamento del segnale dalla potenza;

• il cavo AS-i, che collega tra loro gli elementi della rete, alimentando i moduli e trasportando i segnali.

PLC Master Master Master Master

Slave

Slave

Sl ave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Sl ave

Slave

SlaveSl ave

stella lineare albero mista

PLC PLC PLC

Inoltre in una rete sono presenti, in numero variabile a seconda delle applicazioni, i seguenti dispositivi:

• moduli di ingresso e uscita, per il collegamento di sensori e/o attuatori;

• sensori e attuatori con collegamento AS-i integrato (dispositivi di campo ‘intelligenti’);

• moduli distributori per diramare la rete;

• dispositivi per aumentare la lunghezza massima della rete.

Una descrizione dettagliata di questi componenti è fornita al paragrafo 2.3.

fig. 2.4: struttura tipica di una rete AS-i Dal punto di vista del controllore del sistema, non vi è alcuna differenza tra connessione mediante i gruppi di ingresso/uscita del cablaggio tradizionale e connessione mediante AS-interface. Di conseguenza è possibile passare dal cablaggio parallelo al sistema AS-i senza dover effettuare modifiche ai livelli superiori; la programmazione del PLC non cambia.

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2.2.3 Cavo profilato AS-i L’elemento più innovativo del sistema AS-i consiste nel sistema di collegamento degli elementi della rete. Oltre a ridurre drasticamente il numero di cavi necessari, la tecnologia AS-i è stata studiata con l’obiettivo di semplificare al massimo la connessione dei vari elementi, in particolare quella dei moduli che vanno a collocarsi sul campo per ricevere i segnali dei sensori e comandare gli attuatori. Il Cavo AS-i costituisce il mezzo per la trasmissione di energia e per la comunicazione tra il master e i partecipanti della rete. Per convenzione il rivestimento di questo cavo è di colore giallo. Esso è studiato per impedire l’accidentale inversione della polarità ed è dotato di un isolamento auto-ripristinante. La connessione al cavo AS-i avviene con il sistema di perforazione dell’isolante: il collegamento elettrico avviene cioè grazie a dei puntali metallici che penetrano nella copertura del cavo e raggiungono i due conduttori, evitando così di dover tagliare il cavo o utilizzare morsettiere. Dato che l’isolamento si richiude una volta estratti i puntali, è possibile effettuare modifiche del sistema senza dover sostituire il cavo e mantenendo il grado di protezione originale IP67. Il cavo AS-i, oltre a permettere la trasmissione dei dati, fornisce anche l’energia necessaria ai moduli slave ed ai sensori ad essi collegati. L’installazione del cavo AS-i avviene con le stesse modalità di un normale cablaggio, il cavo AS-i può essere posato all’interno di canaline o ancorato a sostegni. In alternativa al cavo AS-i è comunque possibile effettuare i collegamenti con un normale cavo a due fili di sezione 2x1,5 mm^2.

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Modulo AS- Interface

Cavo sagomato per Puntalini di contatto evitare l’inversione di polarità

fig. 2.5: sezione frontale del cavo AS-interface all’interno di un modulo

ingresso/uscita Per garantire un impiego nelle più svariate condizioni ambientali - ad esempio in ambienti con presenza di olio - sono disponibili versioni del cavo AS-i in diversi materiali (gomma, TPE, PUR).

2.3 Componenti AS-interface La normativa EN 50295 stabilisce le specifiche di tutti componenti AS-interface. Inoltre definisce la struttura delle interfacce fisiche mediante le quali i componenti si allacciano al cavo AS-i e quelle per il collegamento dei dispositivi di campo ai moduli AS-i e all’alimentazione ausiliaria. Sono elencate di seguito le caratteristiche fondamentali di ogni componente. 2.3.1 Master AS-i Il master AS-i controlla l’intero scambio di dati nella rete. È in grado di inviare segnali di uscita - ad esempio per comandare l’accensione di un indicatore luminoso - e di ricevere segnali in ingresso (per esempio segnali di avvenuto intervento di sensori).

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Queste transazioni di dati avvengono indipendentemente dal funzionamento dell’organo di controllo. Il PLC vede il modulo master come se fosse un normale gruppo di ingressi/uscite, e indirizza ingressi ed uscite come farebbe con blocchi I/O tradizionali. Il master permette quindi il collegamento di un controllore programmabile ad una rete AS-i; ne esistono vari modelli, in funzione della taglia del PLC da collegare. A seconda del modello, il master può occupare 16 o 32 Byte I/O del PLC. Se si usa una struttura decentralizzata, esiste la possibilità di collegare la rete AS-i ad un sistema che usa lo standard PROFIBUS-DP tramite il master DP/AS-i link (di cui al paragrafo 2.3.1.1). In questo caso, il PLC elabora i segnali come se provenissero da una normale unità decentrata ET200. Nel caso di reti AS-i suddivise in più aree logiche, i master AS-interface gestiscono in modo indipendente l’uno dall’altro un proprio segmento AS-interface con un massimo di 31 slave ciascuno. Tutti i master hanno in comune le seguenti caratteristiche: Sul frontalino dell’unità si trovano, separatamente per ogni master, segnalatori di stato nonché una matrice a LED che indica quali slave il master rileva; i segnalatori forniscono le seguenti informazioni:

• stato della rete AS-interface (spenta, attiva, guasta);

• identificazione degli slave collegati e loro idoneità alla funzione;

• sorveglianza della tensione AS-interface. 2.3.1.1 DP/AS-i link Il DP/AS-interface Link 20E è uno slave PROFIBUS DP (conforme ai requisiti imposti dalla EN 50170) e allo stesso tempo un master AS-interface (secondo la EN 50295). Consente il funzionamento di una rete AS-interface in collegamento con un sistema PROFIBUS DP. Il DP/AS-interface Link 20E consente ad un master DP di accedere a tutti gli slave di un segmento AS-interface. Esso occupa di regola 32 byte di dati d’ingresso e 32 byte di dati d’uscita nel master DP, nei quali vengono depositati i dati I/O degli slave AS-interface collegati. Può essere programmato su PROFIBUS con i normali programmi STEP 7 o COM PROFIBUS.

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fig. 2.6: esempio di accoppiamento tra PROFIBUS DP e AS-interface tramite

DP/AS-interface Link 20E 2.3.2 Alimentatore AS-i Gli alimentatori AS-interface rientrano tra i componenti necessari e rilevanti per il funzionamento di una rete AS-interface. I regolatori a commutazione del primario generano una tensione continua regolata di 30 V, con elevata stabilità e bassa ondulazione residua. L’alimentatore AS-i è fornito di un dispositivo di disaccoppiamento dati che separa le informazioni dalla trasmissione dell’energia. Non è pertanto sostituibile con un normale alimentatore a 24 V. Esso è anche in grado di fornire una tensione di 30 V agli attuatori connessi al cavo. Gli alimentatori AS-interface alimentano l’elettronica della rete cioè il master AS-interface, i moduli AS-interface e tutti i sensori collegati alla rete. A seconda del fabbisogno di potenza della rete, sono offerti alimentatori di diversa potenza all’interno di una gamma da 3 a 8 A.

SIMATIC

PROFIBUS-DP

AS-interfacein campo

AS-interface nel quadro

2.3.3 Moduli di Ingresso/Uscita (moduli slave) Ne esistono due tipologie: moduli adatti all’installazione all’interno del quadro e moduli per la posa in campo. 2.3.3.1 Moduli per l’impiego sul campo Ogni modulo per l’impiego nel campo è diviso in due parti: un modulo di collegamento ed un modulo utilizzatore.

• I moduli di collegamento costituiscono la parte inferiore dei moduli di ingresso e uscita. Essi consistono in una sorta di piastra di montaggio il cui scopo è di alloggiare il cavo piatto AS-interface e consente il fissaggio a parete o il montaggio su guida profilata, sulla quale possono essere fissati a vite o a scatto.

• I moduli utilizzatori costituiscono la parte superiore dei moduli di

ingresso/uscita e realizzano il collegamento con i sensori o con gli attuatori del sistema. A seconda dei dispositivi che si vuole collegare, sono possibili diverse configurazioni per sfruttare i quattro canali disponibili: le più comuni sono quelle con quattro ingressi, con quattro uscite oppure con due ingressi e due uscite. Le uscite possono essere elettroniche o a relé (contatti da 24 V CC, 1 A).

I moduli compatti AS-interface dispongono di un sistema completo di indicazioni diagnostiche, rilevabili in base allo stato dei due LED di cui sono dotati. I moduli slave da campo hanno grado di protezione IP67 e possono pertanto essere installati senza aggiunta di ulteriori dispositivi di protezione.

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fig. 2.7: modulo Ingressi/Uscite per impiego in campo 2.3.3.2 Moduli per l’impiego all’interno del quadro elettrico Hanno grado di protezione IP20 e ne esistono di varie dimensioni, tra le quali scegliere in base allo spazio disponibile all’interno del quadro. Possono essere fissati a scatto su guide profilate standard o assicurati tramite viti. Mentre i moduli da campo si collegano al cavo AS-i mediante appositi spinotti, nel caso di moduli da quadro si fa uso di morsetti. Hanno LED segnalatori con funzioni analoghe a quelle dei moduli da campo. Oltre ai moduli di ingresso/uscita digitali sono disponibili moduli con funzioni speciali:

• Moduli contatori;

• Moduli per il rilevamento di guasti verso terra.

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fig. 2.8: moduli da quadro IP20 2.3.3.3 Dispositivi di campo (sensori e attuatori) I dispositivi che operano sul campo e sono interfacciati ad una rete AS-i possono essere di due tipi:

• Sensori o attuatori standard, che si collegano alla rete tramite i moduli slave di ingresso/uscita. Ciascuno slave permette la trasmissione in parallelo di 4 bit di segnale di ingresso e 3 bit in uscita. Ad ogni ingresso può essere rilevato lo stato di un sensore o di un attuatore; da ogni uscita può essere inviato un comando.

• Dispositivi con logica AS-i integrata, che possono essere connessi

direttamente al cavo AS-i. Tali apparecchi sono da considerarsi come moduli indipendenti, ad ognuno dei quali è riservato un nodo, corrispondente a 4 canali per la trasmissione di dati (4 bit di dati). Questi dispositivi, rispetto a quelli standard, sono componenti AS-i a tutti gli effetti e possiedono i requisiti richiesti dalla normativa EN 50295.

2.3.4 Cavo di alimentazione ausiliaria La potenza per gli attuatori (uscite) non è di regola prelevata dal cavo AS-interface. Per questo va prevista un’alimentazione per il carico separata da quella per i moduli di ingresso, da fornire tramite un secondo cavo. Anche per l’alimentazione ausiliaria esiste una versione standard di cavo AS-i, profilata e autoripristinante. Per convenzione il rivestimento di questo cavo è di colore nero. L’alimentazione ausiliaria è a 24 V in corrente continua.

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2.4 Proprietà della rete AS-interface

a norma EN 50295, oltre a stabilire le caratteristiche fisiche dei componenti AS-

tocollo di comunicazione che permette lo scambio di dati

.4.1 Estensione della rete

a lunghezza complessiva di tutti i rami della rete può raggiungere i 100 m.

• Ripetitore (repeater): permette di arrivare a 200 m di lunghezza

Li, stabilisce i requisiti della rete, indicandone l’estensione e il numero di partecipanti massimi. Inoltre definisce il protra master e slave.

2 LEsistono due dispositivi per aumentare la lunghezza della rete:

complessiva, richiedendo però l’impiego di un secondo alimentatore. Se ne possono installare due in serie.

Fig. 2.9: estensione della ediante ripetitori

• Extension Plug: permette di prolungare la linea di 100 m, senza

rete m

richiedere un secondo alimentatore. Per poter ampliare un segmento AS-Interface da 100 a 200 m è sufficiente installare l’extension plug nel punto della rete più distante dall’alimentatore AS-i.

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fig. 2.10: estensione della rete S-i mediante extension plug

n’appropriata combinazione di questi due dispositivi permette di raggiungere

A

Ula lunghezza complessiva di 600 m.

fig. 2.11: espansione della rete tramite u o combinato di ripetitori ed Extension

.4.2 Indirizzamento dei nodi della rete

utti i moduli partecipanti devono essere indirizzati prima del loro

onsente di raddoppiare il numero di nodi

consiste nella trasmissione di

utilizzare gli appositi slave analogici.

apparecchio per l’assegnazione degli indirizzi.

sPlug

2 Tcollegamento alla rete; gli indirizzi vanno da 1 a 31 e ogni nodo dispone, nella versione base 2.0, di 4 ingressi e 4. La specificazione AS-interface 2.1 cdella rete, portandoli da 31 a 62; ognuno dei 31 possibili indirizzi viene cioè bipartito in due sottoindirizzi tra loro indipendenti, ad esempio 1A e 1B. Gli slave A/B dispongono di 4 ingressi e 3 uscite. Un’ulteriore funzionalità della specificazione 2.1valore analogico integrata, tale da non richiedere un blocco funzionale speciale per poter accedere ai valori analogici. Per la trasmissione di questi ultimi bastaL’indirizzamento può essere effettuato via PLC o tramite un apposito

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L’indirizzo viene memorizzato nella EEPROM del chip AS-i contenuto in ogni modulo slave e in ogni dispositivo con logica AS-i integrata.

po che il sistema è entrato in servizio.

Versione 2.0 Versione 2.1

La presenza di due o più indirizzi uguali nella stessa rete costituisce una situazione di errore. Il sistema possiede grande elasticità anche perché i moduli possono essere reindirizzati anche doIn tabella sono messe a confronto le principali caratteristiche delle due specificazioni:

Numero slaves max 31 ( 4 I /4 O ) max 62 ( 4 I /3 O )

Numero segnali 124 I +124 O 248 I + 186 O

Mezzo di trasmissione

schermato schermato Cavo non

2x1.5 mm²

Cavo non

2x1.5 mm²

Ma lo x tempo di cic(caso peggiore)

5 ms 10 ms

Trasmissione dei Con funzioni Integrata nel Master valori analogici speciali

Metodo di accesso Master/Slave Master/Slave

Estensione della Fino a 3 on Fino a 3 on

rete

100 m 00 m. c

2 repeater

100 m 00 m. c

2 repeater

o tra le specifictab. 2.1: confront azioni 2.0 e

2.1

29

30

2.4.3 Codifica delle informazioni La comunicazione è di tipo digitale e seriale. La codifica del segnale è di tipo Manchester II: uno 0 logico è codificato da un periodo di 3 µs a livello alto seguito da 3 µs a livello basso; un 1 logico è codificato da un periodo di 3 µs a livello basso seguito da 3 µs a livello alto. La forma d’onda ideale dell’impulso è di tipo u(t)=±U*sen(2π/6 µs), dove U è pari a 2 V. Ogni bit ha la durata di 6 µs e la velocità di trasmissione è di 166 kbit/s. Ogni richiesta del master e ogni risposta dello slave devono includere un bit di inizio ed uno di fine messaggio; inoltre devono contenere un bit di parità per la rilevazione di errori nella trasmissione, un bit di controllo che identifica il tipo di transazione e 5 bit contenenti l’indirizzo dello slave. All’informazione contenuta nella richiesta sono riservati 5 bit, mentre lo slave ha a disposizione 4 bit per la risposta, corrispondenti ai 4 ingressi del modulo. Il sistema è di tipo master singolo. Una singola transazione è composta da una richiesta del master e da una risposta dello slave. Il master attende la risposta dello slave per un tempo prestabilito e, in caso di mancata risposta, ritrasmette il messaggio al massimo una volta; la mancata risposta è interpretata come una risposta negativa. Dopo che una transazione è terminata il master avvia la transazione successiva, interrogando ciclicamente tutte le periferiche. La transazione può consistere nello scambio di dati tra master e slave, nell’assegnazione di un indirizzo allo slave o in un comando del master allo slave (reset, leggere, scrivere, ecc.).

2.4.4 Ciclo di trasmissione dei dati Alla messa sotto tensione della rete, il master interroga tutti gli indirizzi possibili al fine di rilevare gli slave presenti. Quando un modulo risponde alla chiamata, il master ne memorizza l’indirizzo in una tabella interna. A seconda del tipo di modulo - cioè del numero di ingressi e uscite di cui dispone - il master inserisce nella tabella un codice specifico. Terminata questa fase, il sistema inizia il suo funzionamento ciclico. L’intera comunicazione si basa su un processo ciclico di domanda-risposta, nel quale il master interroga i moduli slave della lista che ha creato, partendo dal primo e procedendo in ordine di indirizzo. Un singolo ciclo AS-i prevede la comunicazione con tutti gli slave, uno scambio di parametri e la diagnosi dello stato di uno slave. Nella versione 2.1, il ciclo si divide in due sottocicli;

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Nel primo sottociclo (durata massima di 5 ms) vengono interrogati:

• tutti gli slave standard • tutti gli slave “A” • tutti gli slave “B” (se il corrispondente slave “A” non è presente)

Nel secondo sottociclo (durata massima 5 ms) vengono interrogati:

• tutti gli slave standard • tutti gli slave “B” • tutti gli slave “A” (se il corrispondente slave “B” non è presente)

Il ciclo completo dura, nella versione 2.0 a 31 indirizzi, al massimo 5 ms. Nel caso di versione a 62 indirizzi si può arrivare, nel caso peggiore, a 10 ms.

fig. 2.12: esempio di ciclo di comunicazione con gli indirizzi 1-4 attivi

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2.5 Utilizzo di AS-interface per la realizzazione di impianti di sicurezza

2.5.1 Realizzazione di una rete AS-i safe AS-i Safe è l’estensione del sistema AS-interface all’ambito della sicurezza. Il concetto As-i Safe consiste nell’integrazione di componenti dedicati alla sicurezza - come interruttori di arresto d’emergenza, interruttori per porte di protezione oppure barriere ottiche di sicurezza - direttamente in una rete AS-interface. Questi componenti sono del tutto compatibili con i componenti standard AS-i (master, slave, alimentatore, ripetitori, ecc.) conformi alla EN 50295 e si collegano al cavo giallo AS-interface. L’elemento che gestisce la parte di sicurezza di una rete AS-i è il monitor di sicurezza AS-i safe. Il master gestisce gli slave di sicurezza come tutti gli altri slave e riceve i dati di sicurezza solo per informazione. In questo modo è possibile ampliare anche tutte le reti AS-interface già funzionanti. Per realizzare una rete AS-i safe all’interno di una rete standard, oltre al monitor di sicurezza è necessario impiegare slave sicuri. La gamma degli slave di sicurezza si compone dei moduli sicuri e dei sensori di sicurezza dotati di interfaccia integrata.

fig. 2.14: esempio di sistema di sicurezza AS-i safe integrato in una rete AS-interface standard

2.5.2 Monitor di sicurezza Il monitor di sicurezza è un dispositivo a logica programmabile; le modalità di utilizzo del software di programmazione AS-i MON sono descritte al capitolo 3, paragrafo 7. Il monitor di sicurezza è in grado di svolgere operazioni logiche (logica booleana, flip-flop ecc.) e funzioni di temporizzazione. Esso ha il vantaggio, rispetto alle normali unità di intervento, di poter elaborare i segnali ricevuti dai sensori, permettendo quindi la realizzazione di operazioni complesse, come ad esempio funzioni di intervento condizionate da più variabili. La configurazione di un’applicazione sicura si effettua con un PC, collegabile al monitor tramite un apposito cavo. Possono essere scelti diversi modi operativi; a seconda dell’applicazione può variare il tipo di intervento effettuato. Tra le funzioni disponibili le più importanti sono la funzione di arresto d’emergenza, la funzione di ritenuta e scelta della categoria di arresto (0 o 1). Inoltre, collegando un PC al monitor, è possibile effettuare operazioni di diagnostica.

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Sono disponibili due varianti di monitor, la cui differenza principale sta nella complessità di operazioni logiche realizzabili:

• Monitor di sicurezza di base;

• Monitor di sicurezza ampliato, dotato di funzioni logiche più complesse. Entrambe le varianti sono disponibili con uno o due circuiti di abilitazione a due canali. Il monitor si inserisce all’interno della rete AS-i come se fosse un normale modulo e agisce leggendo le informazioni che circolano in rete, senza interferire con il master AS-i. Dopo la chiamata da parte del master, gli slave di sicurezza inviano al master le informazioni di cui sono in possesso allo stesso modo in cui lo fanno gli slave standard. Il monitor di sicurezza controlla la trasmissione dagli slave di sicurezza al master e può intervenire in maniera indipendente. Un intervento del monitor provoca l’apertura dei relé di sicurezza. A seconda della causa dell’intervento, si distinguono due stati di arresto:

• stato di arresto d’emergenza, in caso di guasti o anomalie segnalate dagli slave di sicurezza;

• stato di sicurezza, in seguito ad una richiesta di arresto.

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fig. 2.15: monitor di sicurezza AS-interface con due circuiti di abilitazione

2.5.3 Funzionamento di una rete AS-i safe La trasmissione dei dati rilevanti per la sicurezza avviene tramite un protocollo di trasferimento sicuro tra slave di sicurezza e monitor. Il monitor identifica ogni slave sicuro con un codice contenuto in una tabelle 8*4 bit. Durante il ciclo di funzionamento, il monitor continua a confrontare le tabelle di codice trasmesse dagli slave con quelle che ha memorizzato durante la fase di configurazione; ad ogni ciclo vengono controllati 4 bit, di conseguenza ogni 8 cicli il controllo riparte dal primo elemento di ogni tabella. L’arresto di emergenza avviene quando il codice ricevuto è diverso da quello atteso, ovvero in uno dei seguenti casi:

• è presente un comando di arresto;

• la comunicazione è interrotta;

• la sequenza di codici trasmessa è errata;

• lo slave sicuro non risponde (è guasto o collegato erroneamente).

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Il tempo massimo che può intercorrere tra invio del segnale di emergenza e commutazione dell’uscita del monitor di sicurezza è di 40ms.

fig. 2.16: esempio di confronto del codice di uno slave di sicurezza con il codice memorizzato dal monitor AS-i

fig. 2.17: alla pressione del pulsante a fungo viene inviata al monitor una sequenza di zeri al posto del codice previsto. Ciò provoca l’intervento del

monitor

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2.5.4 Componenti sicuri AS-interface 2.5.4.1 Moduli di sicurezza I sensori con funzioni di sicurezza devono essere collegati alla rete AS-i con appositi moduli di sicurezza, non è possibile utilizzare i normali moduli utilizzatori. I moduli di sicurezza sono dotati di due ingressi sicuri. Nel funzionamento fino alla categoria 2, secondo la EN 954-1, è possibile utilizzare entrambi gli ingressi separatamente. Se è necessaria la categoria 4 è disponibile un ingresso a due canali. Sono anche disponibili moduli di sicurezza dotati, oltre che degli ingressi sicuri, di due uscite standard. In maniera analoga a quanto fatto per i moduli standard, i moduli sicuri possono essere classificati come:

• Moduli di sicurezza compatti K45F per l’impiego nel campo;

• Moduli di sicurezza compatti K60F per l’impiego nel campo;

• Moduli SlimLine di sicurezza S22,5F per l’impiego nel quadro elettrico o nella cassetta di distribuzione locale.

Tutti i moduli sicuri hanno gli ingressi contrassegnati da un’etichetta gialla.

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fig. 2.18: modulo sicuro da campo K45 2.5.4.2 Sensori con funzioni rilevanti per la sicurezza Come nel caso dei dispositivi di processo (par. 2.3.3), esistono due tipi di sensori di sicurezza: sensori standard da collegarsi alla rete AS-i tramite moduli di sicurezza, e sensori con logica As-i intergrata, i quali possono collegarsi direttamente al cavo AS-i. Segue un elenco dei principali componenti di sicurezza con tecnologia AS-interface integrata.

• Pulsanti a fungo;

• Pulsantiere (possono includere uno o più moduli di sicuri);

• Finecorsa meccanici;

• Barriere e griglie ottiche;

• Comandi a due mani per l’azionamento di presse. Tutti i componenti AS-i safe sono implementabili fino alla categoria di sicurezza 4.

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3 Realizzazione dell’apparato di sicurezza per una cella robotizzata

3.1 Introduzione La società Gaiotto Automation progetta e realizza impianti altamente automatizzati per la lavorazione di materie plastiche e ceramiche. L’azienda offre sistemi chiavi in mano che integrano robot propri e di terzi, sui quali vengono effettuati l’attrezzaggio, l’ingegnerizzazione e la personalizzazione su specifiche del cliente. L’elevato grado di automazione e le caratteristiche dei macchinari impiegati richiedono un’appropriata analisi di rischio e la conseguente realizzazione, all’interno di ogni impianto, di adeguate misure di protezione, in conformità a quanto stabilito dalle direttive e norme vigenti. In particolare si fa riferimento alle direttive 98/37/EC e 73/23/EEC, riguardanti i macchinari in movimento e gli apparecchi di bassa tensione, e alle norme da esse derivanti. Le normative che riguardano la realizzazione di un apparato di sicurezza sono le seguenti: EN954-1, sull’analisi del rischio e l’introduzione del principio di categoria di rischio; EN61508, sulla sicurezza dei dispositivi elettrici ed elettronici; EN62061, riportante gli schemi fondamentali per la realizzazione di impianti a regola d’arte, in funzione della categoria di sicurezza in cui si colloca l’impianto da proteggere.

3.2 Descrizione dell’impianto La Gaiotto realizza impianti su misura, adattando di volta in volta un modello standard alle specifiche del cliente. L’impianto qui analizzato rappresenta uno dei casi tipo a cui l’azienda fa riferimento per iniziare un nuovo progetto. Di conseguenza un’analisi di questa tipologia di impianto ha carattere del tutto generale e può essere facilmente riportata ad un qualsiasi caso specifico di impianto di sformatura, senza che si osservino variazioni sostanziali. L’impianto preso in esame è un’unità operativa destinata a far parte di uno stabilimento per la realizzazione di servizi sanitari in ceramica.

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Tale unità comprende due presse, dette celle AVM, per il colaggio della ceramica (indicate con (1) e (2) in figura 3.1), un robot che sforma e trasporta i pezzi colati (indicato con (3)) e una serie di scaffalature sulle quali i pezzi vengono posti ad essiccare (indicate con (4)), in attesa di essere rimossi e rifiniti altrove. Data la velocità delle operazioni e le forze in gioco, al fine di garantire la sicurezza delle persone, l’area è completamente recintata. È previsto un punto di accesso agli scaffali da cui è possibile prelevare gli sformati ormai asciutti. Inoltre è necessario accedere alle presse AVM per operazioni di manutenzione e controllo, da qui la necessità di un adeguato sistema di sicurezza per il controllo degli accessi. Il robot è di tipo KUKA KR180L150 ha un raggio d’azione di circa 3 m, pesa 300 kg e si muove ad una velocità massima di 2,5 m al secondo. Il quadro elettrico che lo alimenta ha una potenza installata di 12 kW. Ogni pressa AVM è alimentata da un circuito ad aria compressa alla pressione di 700 kPa. L’automazione del sistema è affidata ad una rete PROFIBUS DP che collega una rete di periferiche decentrate ET200M ed un PLC.

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fig. 3.1: rappresentazione dell’impianto (2 celle + robot + scaffalature).

L’area indica il campo d’azione del robot, mentre la linea spezzata delimita le due aree (ogni pressa individua un’area) da porre in sicurezza. Le linee indicano invece gli ingressi richiesti dal cliente per l’accesso all’unità.

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fig. 3.2: immagine del robot in fase di sformatura. Il pezzo prelevato dalla pressa (in secondo piano) viene posto sugli scaffali (a destra).

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3.3 Analisi del rischio

3.3.1 Premessa Si assume che le strutture dei macchinari (a prescindere dall’impianto di destinazione) rispettino le normative sulla sicurezza che le riguardano; in particolare è necessaria la conformità alla direttiva macchine 98/37/EC e alle relative norme: ISO 12100 sulla progettazione di macchine sicure; EN 12100-1 sulla realizzazione di macchine intrinsecamente sicure. Un’ulteriore riduzione del rischio di infortuni, fino a raggiungere un livello accettabile di rischio residuo, è affidata ad un efficace sistema di controllo.

3.3.2 Progettazione dal punto di vista della sicurezza Come visto al capitolo 1, analizzare un sistema dal punto di vista della sicurezza significa procedere con il ragionamento schematizzato nello schema a blocchi in figura 3.3.

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fig. 3.3: schema a blocchi dell’analisi di un sistema dal punto di vista della sicurezza

Come premesso, in questo caso la fase di progettazione dell’impianto è superata e si assume che in tale fase si sia minimizzato ogni rischio. Rimane quindi da prendere in considerazione l’ultimo dei blocchi interrogativi, riguardante l’utilizzo di protezioni.

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Nel nostro impianto è naturalmente possibile applicare un sistema di protezioni. Dato che è previsto l’ingresso nelle zone di pericolo da parte degli operatori, deve essere progettato un adeguato sistema di monitoraggio degli accessi, al fine di garantire la sicurezza per l’operatore stesso. Il sistema descritto in seguito, corredato di adeguate informazioni d’uso (istruzioni, segnaletica, manuali), ha quindi lo scopo di garantire un adeguato livello di sicurezza dell’impianto. Per ‘sicurezza adeguata’ s’intende che:

• è stato ridotto il rischio sotto il livello di accettabilità, ovvero il sistema di controllo relativo alla sicurezza risponde al livello di sicurezza richiesto dalla categoria di protezione in cui si colloca il sistema (par. 3.3.3);

• la soluzione adottata è la più semplice (e in quest’ottica è chiaro

l’orientamento verso sistemi di controllo come AS-i);

• la soluzione adottata non è fonte di nuove situazioni di rischio, indipendentemente dalla condizione operativa della macchina.

Nel paragrafo successivo si analizzerà quindi il sistema di protezioni adeguato alla riduzione del rischio necessaria; dopo aver stabilito quali protezioni attuare per ridurre il rischio di incidenti, bisognerà stabilire con che tipo di sistema di controllo gestire tali protezioni.

3.3.3 Protezioni e accorgimenti per la riduzione del rischio La norma ISO 12100-1 (capitolo 4) fornisce i criteri base per la riduzione del rischio. Vengono elencati di seguito i concetti fondamentali di questo procedimento, seguiti dalla descrizione delle misure prese per metterli in atto nel caso in esame:

1. La gravità del danno possibile può essere ridotta riducendo la velocità delle parti in movimento o l’estensione dei loro movimenti quando un operatore sta lavorando nei pressi della macchina.

Nel caso in esame il robot non viene arrestato del tutto se non in situazioni particolari; la manutenzione ordinaria viene condotta su una delle due celle AVM alla volta, di conseguenza non è necessario arrestare le restanti parti dell’impianto; si progetterà il funzionamento del sistema in modo che, alla richiesta di accesso ad una delle due celle, solo tale cella venga arrestata, mentre il robot venga comandato ad operare solo sulla seconda cella e sulla parte di scaffalature più lontana dalla zona in cui andrà ad agire l’operatore. Limitando in questo modo l’estensione dei movimenti del robot, si riduce il rischio che avvengano incidenti.

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2. L’utilizzo di protezioni permette di ridurre la frequenza di esposizione

al rischio. Oltre a un modo di funzionamento compatibile con la presenza di un operatore nell’area protetta, e necessario quindi adottare protezioni che impediscano l’accesso a parti dove la sicurezza non è adeguata. Nel caso in esame, oltre ad una recinzione completa dell’unità produttiva, si utilizzeranno blocchi meccanici che permettano l’apertura delle porte solo su comando del sistema di controllo, e una serie di sensori che impediscano l’accesso da parte degli operatori nell’area di movimento del robot.

3. C’è sempre la possibilità che una macchina non si comporti come dovrebbe o che un sistema di protezione si guasti; il fattore di rischio può essere ridotto implementando adeguatamente le parti e i componenti relativi alla sicurezza. Inoltre il rischio può essere ridotto realizzando il sistema di controllo (o almeno la parte di controllo riservata alla sicurezza) secondo le prescrizioni della EN 62061.

Oltre ad un controllo dei movimenti del robot, effettuato tramite PLC, verranno collocati dei sensori in grado di rilevare la posizione del robot, dando così la possibilità al sistema di sicurezza di rilevare un comportamento anomalo della macchina. Se il robot dovesse oltrepassare la zona sicura (durante una fase di manutenzione) sarà quindi possibile al sistema di controllo arrestare il robot e mantenere la sicurezza.

4. Le possibilità che il danno possa essere evitato aumentano se, tra le altre cose, lo stato pericoloso è prontamente segnalato, ad esempio, usando dispositivi luminosi o acustici.

Ad ogni ingresso verrà collocato un indicatore luminoso in grado di segnalare lo stato della cella corrispondente; quindi la protezione aumenta in quanto, oltre a bloccare la porta, si segnala quando l’accesso è sicuro e quando invece non è previsto che l’operatore acceda alla cella. Bisognerà predisporre inoltre una adeguata segnaletica che indichi le modalità di accesso e le restrizioni per il personale non autorizzato

3.3.4 Scelta della categoria di rischio adeguata per il sistema di controllo

È necessario stabilire in quale categoria deve collocarsi la parte del sistema di controllo relativa alla sicurezza.

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Come visto in precedenza (capitolo 1, paragrafo 4), la suddivisione in categorie di rischio è elaborata nella norma EN 954-1 la quale elenca anche i criteri per effettuare la valutazione. Una volta stabilita la categoria in cui collocarsi, sarà possibile realizzare un sistema di sicurezza a regola d’arte basandosi sui modelli proposti dalla normativa EN 62061. La norma EN 1050 definisce il rischio legato ad un certo pericolo come funzione di più parametri: Rischio = Gravità dell’incidente considerato + Probabilità che tale incidente si verifichi La probabilità dell’incidente è a sua volta funzione di: frequenza e durata di esposizione al pericolo (parametro S); probabilità che l’evento pericoloso si verifichi (parametro F); possibilità di evitare o limitare il danno (parametro P). La EN 954-1 fornisce una tabella che lega la valutazione di questi tre parametri ad una delle 5 categorie.

fig. 3.4: schema per l’assegnazione alla categoria di sicurezza adeguata. Come si vede dallo schema, ognuno dei tre parametri può assumere due valori che corrispondono per convenzione ai seguenti significati:

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S Gravità dell’incidente: S1 Lieve S2 Grave o mortale F Frequenza e/o durata dell’esposizione alle condizioni di pericolo: F1 Bassa o alta con tempo di esposizione breve F2 Alta e/o con tempo di esposizione lungo P Possibilità di evitare il pericolo: P1 Possibile in certe condizioni P2 Impossibile Nel nostro caso si ha un impianto che, a causa dell’elevata velocità e delle dimensioni del robot, può provocare incidenti gravi (S2). La necessità di avere accesso all’area di lavoro dell’unità AVM non riguarda il funzionamento normale, ma solo per operazioni particolari di manutenzione o riparazione. La frequenza di esposizione al pericolo può essere quindi considerata bassa (F1). Per quanto riguarda il terzo parametro, il pericolo è difficilmente evitabile, dato che l’operatore che entra nella macchina, si trova a lavorare vicino al pericolo e non avrebbe la possibilità di azionare alcun arresto di emergenza (P2). Seguendo lo schema riportato in figura 3.3, si ottiene una categoria di sicurezza 3. Le caratteristiche che un sistema in categoria 3 deve possedere sono le seguenti:

• Devono essere soddisfatti i requisiti della categoria base B e bisogna servirsi esclusivamente di componenti sicuri. Tutte le parti legate alla sicurezza devono essere progettate in modo che un singolo guasto non provochi la perdita delle funzioni di sicurezza. Tale guasto deve essere rilevato al successivo intervento della funzione di sicurezza. Tale requisito viene soddisfatto con sistemi ridondanti.

• Se si verifica un singolo guasto, la sicurezza è comunque mantenuta,

tuttavia un accumulo di guasti può comportare la perdita delle funzioni di sicurezza.

• Sia il sistema di sensori che quello di attuatori devono essere ridondati. Il

rilevamento di guasti deve essere affidato ad un sistema di controllo adeguato (ad esempio un’unità 3TK28 od un monitor di sicurezza AS-i).

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3.4 Protezioni adottate In seguito all’analisi del rischio è quindi possibile stabilire come realizzare un sistema di sicurezza idoneo alle caratteristiche dell’impianto e stabilire con quali procedure permettere agli operatori l’accesso all’area protetta. I sensori di protezione adottati sono rappresentati nell’immagine in fig. 3.5.

fig. 3.5: rappresentazione dell’impianto (2 celle + robot + scaffalature) con

sistema di sicurezza installato

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Gli elementi del sistema di protezione sono i seguenti (i numeri fanno riferimento alla figura 3.5):

• Il robot e le celle AVM sono completamente segregate (recinzione (8)); all’interno dell’impianto devono poi essere ben separate le due aree corrispondenti alle due presse, in quanto si vuole poter accedere ad una mantenendo l’altra in funzione.

• Tramite i due pulsanti di emergenza a fungo (20) è possibile arrestare

immediatamente l’intero impianto • L’accesso all’area è possibile solo attraverso le porte di servizio, le quali

sono interbloccate e controllate tramite finecorsa di sicurezza con blocco elettromagnetico ((4) e (5)).

• L’apertura delle porte avviene attraverso un comando dato dalla

pulsantiera (elemento (10)) posta a fianco di ogni porta; ogni pulsantiera è così composta:

-un pulsante per la richiesta di ingresso nell’area; -un pulsante di richiesta di accesso ad entrambe le aree (A+B); -un pulsante di reset per il riavvio dopo l’uscita dall’area; -una lampada di segnalazione che indica il via libera all’area in sicurezza. • All’interno del raggio d’azione del robot sono state poste due barriere

ottiche ((6),(7)) che serviranno a delimitare rispettivamente l’area A e B. Se, durante una fase di manutenzione, un operatore supera la barriera, entrando nella zona di lavoro del robot, od il robot entra nella zona della cella in fase di arresto, la barriera entra in azione e segnala l’anomalia al sistema di controllo.

• Oltre alle barriere, sono stati collocati 4 finecorsa a camme sul basamento

del robot. Tali sensori rilevano l’oltrepassamento da parte del robot del settore in cui è confinato durante la procedura di accesso ad una delle celle e gli impediscono quindi di entrare nella zona di sicurezza che lo separa dalla cella in arresto. Questi finecorsa, assieme alle barriere, offrono quindi un controllo ridondante sulla posizione del robot.

Per dimensionare la zona protetta, in cui né il robot né l’operatore devono trovarsi durante la fase di ingresso in un’area, si fa riferimento alla normativa EN999, riguardante il posizionamento di apparecchiature di protezione rispetto alla velocità di avvicinamento di parti del corpo umano. Secondo tale normativa, bisogna prevedere che una persona possa entrare all’interno di una zona pericolosa ad una velocità di 1500 mm/s.

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Il robot si muove con una velocità massima, misurata all’estremità del braccio, di 2,5 m/s e il sistema di sicurezza può effettuare un arresto completo in 0,5s. Di conseguenza il caso peggiore è quello in cui il robot si arresta dopo aver percorso 2,5 m/s * 0,5 s = 1,25 m, mentre la persona, durante questi 0,5s ha percorso 0,75 m. Quindi si è deciso di mantenere come fascia di sicurezza un settore della circonferenza d’azione del robot sotteso ad un arco di circa 2 m.

3.5 Modalità di funzionamento dell’impianto L’impianto di controllo della sicurezza dovrà rendere possibili le 4 modalità di funzionamento elaborate nell’analisi del rischio. Oltre ad una modalità di funzionamento normale, saranno possibili l’arresto di una delle due celle AVM oppure l’arresto di entrambe, e il conseguente arresto del robot.

3.5.1 Funzionamento normale Durante il funzionamento normale le porte di ingresso area (4) e (5) sono chiuse, l’operatore non può entrare nell’area di lavoro. Le barriere di sicurezza (6) e (7) e le camme (16) e (17) sono disattivate e il robot può quindi sformare sia dall’AVM A sia dall’AVM B.

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fig. 3.6: modalità di funzionamento normale

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3.5.2 Procedura di ingresso nell’area A

fig. 3.7: ingresso in area A

La richiesta di ingresso nell’area di lavoro A si effettua tramite il pulsante posto sulla pulsantiera (10) della porta (4). Eseguita la richiesta, la luce verde posta sulla pulsantiera inizia a lampeggiare, il robot viene comandato (tramite PLC) a lavorare esclusivamente nella zona B.

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Vengono attivati la barriera (6) e i finecorsa (16); da questo momento uno sconfinamento del robot o dell’operatore nella zona protetta provocheranno un arresto d’emergenza del sistema. Dopo che il sistema è stato messo in sicurezza, il PLC sblocca l’accesso dalla porta (4) alimentando la bobina del finecorsa elettromagnetico posto su di essa. Nel contempo la luce verde smette di lampeggiare e rimane accesa ad indicare che la zona A è sicura. È possibile a questo punto l’accesso all’area. Le normative prevedono che la porta rimanga aperta durante le fasi di manutenzione all’interno dell’area. Una volta terminata l’attività nella zona A, per ritornare allo stato di funzionamento l’operatore esce dalla porta (4) e, dopo averla richiusa dietro di sé, preme il pulsante di reset sulla pulsantiera (10). La porta viene bloccata dal finecorsa elettromagnetico e l’impianto riparte in automatico. È compito dell’operatore accertarsi prima del riavvio che nessuna persona sia rimasta rinchiusa all’interno dell’area.

3.5.3 Procedura di ingresso nell’area B La richiesta di ingresso nell’area di lavoro B si effettua tramite il pulsante posto sulla pulsantiera (10) della porta (5). Effettuata la richiesta, la luce verde posta sulla pulsantiera inizia a lampeggiare, il robot viene comandato (tramite PLC) a lavorare esclusivamente nella zona A. Vengono attivati la barriera (7) e i finecorsa (17); da questo momento uno sconfinamento del robot o dell’operatore nella zona protetta provocheranno un arresto d’emergenza del sistema. Dopo che il sistema è stato messo in sicurezza, il PLC sblocca l’accesso dalla porta (5) alimentando la bobina del finecorsa elettromagnetico posto su di essa. Nel contempo la luce verde smette di lampeggiare e rimane accesa ad indicare che la zona B è sicura. È possibile a questo punto l’accesso all’area. Le normative prevedono che la porta rimanga aperta durante le fasi di manutenzione all’interno dell’area. Una volta terminata l’attività nella zona A, per ritornare allo stato di funzionamento l’operatore esce dalla porta (5) e, dopo averla richiusa dietro di sé, preme il pulsante di reset sulla pulsantiera (10). La porta viene bloccata dal finecorsa elettromagnetico e l’impianto riparte in automatico. È compito dell’operatore accertarsi prima del riavvio che nessuna persona sia rimasta rinchiusa all’interno dell’area.

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fig. 3.8: ingresso in area B

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3.5.4 Procedura di arresto - ingresso nelle aree A e B

fig. 3.9: ingresso aree A e B La richiesta di accesso in entrambe le aree (per procedure di manutenzione straordinarie) può essere effettuata indifferentemente da una delle due pulsantiere (10), utilizzando il pulsante denominato A+B. In seguito alla richiesta, il robot viene spento e vengono attivate tutte le protezioni (entrambe le barriere fotoelettriche (6), (7) e i 4 finecorsa a camme

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(16), (17)).Di conseguenza, nonostante il robot sia fermo, lo sconfinamento dell’operatore nella zona protetta mette comunque in emergenza il sistema. Infatti l’arresto del robot non possiede da solo requisiti di sicurezza tali da permettere l’avvicinamento di persone ad esso (un errore nel controllo potrebbe provocare il riavvio improvviso della macchina).

3.6 Realizzazione dell’impianto di sicurezza tramite cablaggio tradizionale

L’impianto di sicurezza deve leggere le informazioni fornite dai sensori sul campo e decidere, a seconda dei criteri di sicurezza impostati, quando arrestare un macchinario. La realizzazione tramite cablaggio tradizionale in parallelo non prevede l’utilizzo di elettronica programmabile per la realizzazione della logica di intervento; vengono utilizzati dispositivi con contenuto elettronico non programmabile, la cui funzione non è modificabile. A seconda della configurazione realizzata in fase di installazione, cioè dello schema con cui vengono realizzati i collegamenti tra sensori e ingressi del dispositivo di intervento, è possibile al massimo variare alcune caratteristiche del sistema come la categoria di sicurezza o il tipo di arresto e riavvio previsti. Tuttavia nel nostro caso si ha l’esigenza di operare un’elaborazione del segnale prima che questo giunga ai dispositivi di intervento, i quali vanno poi indiscriminatamente ad attivare i relé che interrompono l’alimentazione della macchina. Infatti, come visto al paragrafo precedente, non sempre il rilevamento da parte di un sensore del passaggio di un corpo deve comportare l’arresto di emergenza; tale arresto deve avvenire solo quando è stata attivata la procedura di ingresso in un’area. Va quindi effettuata un’operazione di ‘muting’: il segnale del sensore viene inviato alla centralina di intervento solo in seguito ad un impulso del PLC, che segnala la richiesta di ingresso in area protetta da parte di un operatore. Non essendo possibile la programmazione, è quindi necessario collegare i sensori non direttamente al dispositivo di intervento, bensì ad un modulo apposito (detto ‘unità di valutazione’) che permetta di elaborare il segnale e decidere se mettere o meno in muting il sensore. Inoltre ognuna delle unità di valutazione deve essere messa in comunicazione con il PLC, dal quale riceverà l’informazione che permette di stabilire se attivare o meno la funzione di muting sul sensore monitorato. Il PLC a sua volta sa dire alle unità con funzione di muting quando intervenire in base alle informazioni che gli giungono dalle pulsantiere, dalle quali partono le richieste di ingresso È quindi evidente come sarà necessario un collegamento tra PLC ed elementi di campo.

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Per realizzare questo collegamento sono necessarie delle interfacce, ovvero degli appositi moduli detti ‘blocchi (rispettivamente di ingresso e di uscita) per il collegamento di interruttori e sensori di prossimità’. Infine il comando di apertura degli interruttori che interrompono l’alimentazione dei macchinari avviene attraverso apposite centraline di sicurezza, funzionanti a relé con contatti a guida forzata. Tutti questi componenti devono essere implementabili fino alla categoria di sicurezza che si vuole raggiungere. La realizzazione del sistema di sicurezza mediante cablaggio tradizionale può essere schematizzata dal seguente schema a blocchi, nel quale sono indicati i flussi di informazioni tra i vari componenti del sistema.

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fig. 3.10: schema a blocchi del collegamento tra sensori e sistema di sicurezza

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Ogni sensore è collegato ad un dispositivo di controllo; tale dispositivi riceve dal PLC, tramite i moduli di uscita digitali, il segnale che interrompe il muting in caso di avviamento della procedura di ingresso nell’area riguardante il sensore controllato. I dispositivi di controllo dei sensori sono poi collegati alla centralina di sicurezza generale. I due funghi di emergenza sono collegati direttamente alla centralina di sicurezza, in quanto, se attivati, devono provocare un arresto immediato indipendente da altre condizioni. Oltre alla centralina principale, che interviene indipendentemente da quale delle due aree è entrata in emergenza, se ne impiegano altre due, che intervengono solo in caso di emergenza nell’area a cui sono associate. Infatti dai quadri elettrici delle presse, la cui realizzazione non è di competenza della Gaiotto, può arrivare una segnalazione di emergenza della cella, rilevata dalla centralina di sicurezza (3TK28) ad essa associata e quindi riportata all’unità di emergenza principale. L’aggiunta di queste due centraline di sicurezza, permette di capire in quale delle due aree è avvenuta l’anomalia, svolgendo così una funzione di diagnostica, che altrimenti sarebbe possibile solo con l’individuazione del guasto. Le centraline, oltre ad avere tre contatti sicuri normalmente aperti per l’attivazione dei relé di potenza, dispongono di due contatti di segnalazione (normalmente chiusi) con i quali comunicano il proprio stato al PLC. La centralina principale dispone anche di un modulo di ampliamento, la cui apertura serve mandare in emergenza anche i quadri elettrici delle due celle. L’arresto previsto è di categoria 0, secondo la norma EN418 sull’arresto di emergenza. Per la realizzazione del sistema di controllo e gestione delle emergenze sono stati utilizzati i seguenti componenti:

• 3 centraline di sicurezza Siemens SIRIUS 3TK2825 • Un modulo di ampliamento delle uscite di sicurezza Siemens SIRIUS

3TK2830 • 6 dispositivi di controllo sensori con funzione di muting SIGUARD

3RG7847-4BF • 1 blocco di ingressi digitali SIMATIC 6ES7 321 • 1 blocco di uscite digitali SIMATIC 6ES7 322

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Lo schema elettrico principale dell’impianto così realizzato è visualizzato in figura 3.11:

fig. 3.11: schema elettrico generale dell’impianto di gestione delle emergenze

• Le sigle KE evidenziate in giallo rappresentano i dispositivi 3TK2825, KE1 è l’emergenza generale;

• Gli interruttori KEM in rosso rappresentano le unità di valutazione con

muting; in particolare KEM 1-2 sono collegati ai finecorsa elettromagnetici delle porte A e B, KEM 3-4 alle barriere ottiche e KEM 5-6 ai doppi finecorsa posti sul robot

• In celeste sono evidenziati i funghi di emergenza

Come si vede dallo schema, le centraline con funzione di muting sono collegate in serie tra loro e fanno capo all’ingresso della 3TK28 principale. I contatti di sicurezza delle centraline sono chiusi durante il funzionamento regolare della macchina e si aprono in caso di intervento di un sensore (pulsante a fungo o finecorsa), in caso di guasto o mancanza di alimentazione. La loro apertura viene rilevata dalla 3TK28 principale che apre le sue uscite di sicurezza.

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Il collegamento della 3TK28 principale al PLC e ai sensori rispetta la configurazione indicata da Siemens che garantisce fino alla categoria di sicurezza 4, anche se in questo caso sarebbe stata sufficiente la 3.

fig. 3.12: collegamento di un sensore alla 3TK28 implementato in categoria 4. La configurazione è ridondante, la rilevazione da parte del sensore provoca l’apertura di due interruttori posti su due circuiti indipendenti (in categoria 3 basterebbero due interruttori sullo stesso circuito). Nel nostro caso tra 3TK28 e sensore sarà frapposta l’unità di valutazione e muting; ad esempio, in figura 3.13 è schematizzato il collegamento tra finecorsa elettromagnetico della porta A e la sua unità 3RG7847:

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fig. 3.13: schema elettrico del collegamento tra finecorsa elettromagnetico e unità di controllo con funzione di muting

I componenti rappresentati nello schema elettrico di figura 3.11 sono collocati nel quadro principale; in figura 3.14 è indicata la loro disposizione all’interno del quadro stesso

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fig. 3.14: disposizione all’interno del quadro dei dispositivi che formano il sistema di controllo delle emergenze

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3.7 Studio di fattibilità e realizzazione dell’impianto di sicurezza tramite tecnologia AS-interface

3.7.1 Introduzione Dal punto di vista della progettazione, la principale differenza tra un sistema di sicurezza realizzato con un tradizionale cablaggio in parallelo ed uno realizzato con tecnologia AS-interface consiste nel fatto che nel secondo caso si fa uso di un dispositivo a logica programmabile, detto Monitor di sicurezza (di cui al capitolo 2, paragrafo 5). Esso svolge sia la funzione di elaborare il segnale che quella di intervenire sui relé di interruzione della potenza, funzione, quest’ultima, del tutto analoga a quella svolta in precedenza dalle 3TK28. Mentre nel cablaggio tradizionale il segnale viene elaborato da un’unità di valutazione che decide se inviarlo alla centralina di intervento, in questo caso esso viene ricevuto dall’unità di intervento stessa ed elaborato al suo interno. Dal punto di vista del cablaggio ciò comporta notevoli vantaggi: il sensore accede alla rete AS-i tramite un solo cavo, collegato ad un modulo sicuro K45, mentre, come già illustrato in figura 3.13, prima era necessario un notevole numero di collegamenti sia tra il sensore e l’unità di valutazione che tra questa e il PLC e la 3TK28. Inoltre è evidente il vantaggio di poter programmare le funzioni logiche dell’unità di intervento; anche se il software elaborato da Siemens contiene solo le operazioni logiche più elementari, è comunque possibile realizzare la logica di intervento in maniera semplice, senza dover intervenire sulla configurazione del cablaggio (come in precedenza), e quindi con la possibilità di effettuare modifiche anche dopo la posa dell’impianto. Ciò conferisce al sistema una maggiore flessibilità e capacità di correzione anche in seguito all’entrata in servizio del sistema. Inoltre lo schema elettrico dell’impianto risulta molto semplificato e si riduce così la probabilità di errori di realizzazione, mentre risultano più agevoli le operazioni di diagnostica e ricerca di guasti sul campo. La logica di intervento è programmabile grazie ad un apposito software, fornito assieme al monitor, detto AsiMon.

3.7.2 Condizioni di fattibilità Per stabilire se il progetto di messa in sicurezza dell’impianto descritto è realizzabile, bisogna tener conto degli aspetti elencati di seguito.

• Estensione della rete. Come visto al capitolo 2, paragrafo 4.1, una rete AS-i può raggiungere, senza l’utilizzo di dispositivi ausiliari, una lunghezza massima di 100 m.

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Al capitolo 4, paragrafo 3.3, la quantità di cavo necessaria al cablaggio in AS-i è stimata in 30 m. L’estensione della rete è quindi ampiamente contenuta nei limiti della tecnologia AS-interface.

• Numero di nodi. Come visto al capitolo 2, paragrafo 4.1, è possibile inserire in rete un massimo di 31 nodi. Nel nostro caso è necessario collegare alla rete i seguenti elementi: - 4 finecorsa a camme, ogni coppia di finecorsa occupa un modulo sicuro; - 2 barriere ottiche, ognuna su un modulo sicuro; - 2 finecorsa elettromagnetici su 2 moduli sicuri, impiegando anche un’uscita standard per l’alimentazione della bobina; -2 pulsantiere, ognuna delle quali contiene 2 moduli sicuri e un modulo standard per il pulsante di ripristino e l’indicatore luminoso; -2 pulsanti a fungo, ognuno dei quali occupa un modulo sicuro. Il totale è di 12 nodi occupati per la sicurezza e 2 nodi per operazioni standard, per un totale di 14 nodi della rete. Il sistema AS-i dispone quindi di un numero sufficiente di indirizzi.

• Funzionalità del monitor di sicurezza Lo studio per configurare i monitor di sicurezza del sistema tramite il software AS-i Mon è condotto al paragrafo 7.4 di questo capitolo.

• Costi della realizzazione del sistema con tecnologia AS-interface I costi della realizzazione dell’impianto di sicurezza con tecnologia AS-i sono analizzati al capitolo 4.

3.7.3 Caratteristiche del monitor di sicurezza Il software di configurazione è basato su una logica intuitiva, per cui gli elementi monitorati e gli elementi logici disponibili sono rappresentati da icone, trascinabili e combinabili tra loro secondo determinate regole. Gli elementi da monitorare vengono identificati nel sistema AS-i da indirizzi univoci. Dopo aver effettuato l’indirizzamento è possibile far rilevare automaticamente al monitor gli slave presenti. Dopo aver dichiarato quali slave sono rilevanti per la sicurezza, sarà possibile disporre le icone ad essi associate nel campo di elaborazione del programma. La struttura logica realizzata graficamente viene controllata dal software e, se formalmente corretta, può essere inviata al monitor tramite un apposito cavo. È poi necessario impostare una password con cui ‘sigillare’ il monitor e rendere la configurazione immodificabile da altri (il che corrisponde al sigillo vero e

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proprio da apporre sulle 3TK28 per impedire che vengano modificati i tempi di apertura), in conformità alla normativa sulla sicurezza vigente. Inoltre il software possiede una funzione di diagnostica che permette di verificare sul campo il comportamento del programma realizzato. L’interfaccia grafica del software di configurazione si presenta con quattro colonne affiancate, la cui funzione è indicata qui di seguito:

• Colonna 1: contiene un elenco dei possibili elementi da monitorare, vale a dire interruttori e sensori (pulsanti a fungo, barriere, finecorsa ecc.), classificati in base al tipo di contatto su cui agiscono (guidato, dipendente, indipendente ecc.). Inoltre riporta gli elementi logici disponibili (elementi di logica booleana e flip flop), i temporizzatori per il ritardo della reazione ad un segnale, gli elementi con cui indicare il tipo di arresto e di ripristino desiderati e alcuni elementi di sistema, con cui si può legare la logica che governa uno dei due canali di uscita allo stato dell’altro canale.

• Colonna 2: è la cosiddetta area di preelaborazione; in essa vanno

trascinati gli elementi il cui effetto sull’uscita di sicurezza è subordinato ad un’operazione logica. Se ad esempio si vuole realizzare un parallelo logico tra due sensori, è necessario trasportare l’icona ad essi associata nella colonna di preelaborazione e quindi, dopo aver inserito l’operatore logico nel circuito di abilitazione, collocarli al di sotto dell’operatore. Questo sistema stabilisce un ordine nel ciclo di esecuzione delle operazioni di elaborazione del segnale.

• Colonne 3 e 4: sono le due colonne dedicate rispettivamente al primo ed al secondo circuito di abilitazione di cui è dotato il monitor (nel caso di monitor ad un solo circuito sarà presente solo la colonna 3). In ognuna di queste colonne vanno inseriti gli elementi (sensori o loro combinazioni logiche) il cui intervento deve provocare l’apertura del circuito di abilitazione corrispondente; inoltre devono contenere le informazioni sul tipo di arresto da eseguire (categoria di arresto 0 od 1) e sul tipo di riavvio (automatico o controllato previo comando dell’operatore con pulsante di reset).

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In figura 3.15 è rappresentata l’interfaccia grafica descritta:

fig. 3.15: interfaccia grafica del programma ASi-MON

3.7.4 Realizzazione del programma con ASiMon Le soluzioni possibili sono varie, quella proposta è parsa la più semplice dal punto di vista realizzativo e la più economica. Descrivendo la soluzione adottata verranno comunque proposte alcune varianti. Per la realizzazione dell’impianto di sicurezza con tecnologia AS-i è necessario l’impiego di quattro monitor di sicurezza.

• Due monitor a doppio canale con funzione di intervento d’emergenza; queste due unità (una per ogni cella AVM) svolgono le funzioni di messa in muting dei sensori e intervengono in seguito a segnalazione dei sensori sul campo, dei pulsanti a fungo o del segnale di apertura porta in condizioni non sicure.

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L’intervento di questi due monitor avviene quindi solo in condizioni di emergenza, mentre per un arresto legato all’avvio di una procedura di ingresso controllata verranno utilizzati gli altri monitor impiegati nel progetto;

• Un monitor a due canali per effettuare l’arresto controllato delle due presse AVM. L’arresto controllato prevede che, prima di aprire l’uscita sicura, il monitor dia il tempo al PLC di arrestare la pressa con le modalità previste, per poi interrompere l’alimentazione; si tratta quindi di un arresto di categoria 1. Questo monitor dovrà controllare i segnali in arrivo dalla pulsantiera per gestire le richieste di accesso nelle due aree e quindi l’arresto delle presse;

• Un monitor a un canale per effettuare l’arresto controllato del robot. Tale monitor dovrà rispondere alle richieste di ingresso di tipo ‘A+B’, cioè in entrambe le aree, procedura che prevede l’arresto del robot. Anche in questo caso l’arresto è di tipo temporizzato, con un tempo di apertura sufficiente a permettere al PLC di arrestare il robot.

Lo schema a blocchi (confrontabile con quello in figura 3.10) delle interazioni tra sensori e monitor di sicurezza nel caso della soluzione proposta è rappresentato in figura 3.16. Tra le differenze rispetto allo schema per realizzazione con cablaggio tradizionale le principali sono:

• Il PLC non è più parte del sistema di sicurezza. Sia il PLC che i monitor hanno accesso alla rete AS-i e ne traggono le informazioni che li interessano, ma in questo caso non è più necessario che il PLC fornisca alle unità di intervento informazioni su quando effettuare l’operazione di muting; è il monitor AS-i che garantisce il grado di sicurezza necessario, essendo specificamente progettato per lavorare fino alla categoria 4 secondo la EN954-1.

• Il numero di centraline di sicurezza è molto minore (da nove a quattro)

nel caso della soluzione AS-interface. Infatti non è necessario associare ad ogni sensore una centralina per il muting, dato che questa funzione è ora gestita via software.

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•BARRIERA OTTICA A•FINECORSA ROBOT LATO A•FINECORSA CON RITENUTA

PORTA A

RESET PORTA A

RESET PORTA B

SELETTORE A+B PORTA A

SELETTORE A+B PORTA B

SELETTORE PORTA B

SELETTORE PORTA A

•BARRIERA OTTICA B•FINECORSA ROBOT LATO B•FINECORSA CON RITENUTA

PORTA B

EMERGENZAZONA A

Monitor AS-iSiemens

3RK1105-1

EMERGENZAZONA B

Monitor AS-iSiemens

3RK1105-1

ARRESTOCONTROLLATO

PRESSE

Monitor AS-iSiemens

3RK1105-1

ARRESTOCONTROLLATO

ROBOT

Monitor AS-iSiemens

3RK1105-1

PULSANTIERE A e B

FUNGHI DIEMERGENZA

fig. 3.16: schema a blocchi del collegamento tra sensori e sistema di sicurezza

3.7.4.1 Programma Monitor di emergenza zona A Per gestire le situazioni di emergenza nella zona A, il programma deve provocare l’intervento del monitor nel momento in cui uno dei sensori all’interno dell’area si attiva dopo che è stata avviata una delle procedure di ingresso nell’area possibili. Il programma deve quindi svolgere una funzione di muting, precedentemente svolta da un’apposita unità di valutazione. Inoltre è necessario l’intervento del monitor di sicurezza quando, pur non essendo stata avviata una procedura di ingresso, il finecorsa posto all’ingresso dell’area rileva l’apertura della porta.

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La procedura di muting equivale a livello logico ad un parallelo tra il segnale del sensore e il segnale che stabilisce se ‘ascoltare’ o meno tale sensore. Nel caso tradizionale, tale segnale consisteva nell’impulso dato da uno dei pulsanti di ingresso, che veniva rilevato dal PLC e inviato all’unità di valutazione. In questo caso non si passa per il PLC. Sono stati messi in parallelo logico (non fisico) il segnale di ognuno dei sensori e il segnale di apertura dei selettori posti sulle pulsantiere. Risulta quindi chiaro perché, come anticipato, al posto di pulsanti con ritorno (che aprono il circuito solo per un istante) è stato necessario utilizzare selettori bistabili, i quali mantengono un segnale costante, un 1 logico, finché si è in fase di funzionamento normale, per passare ad uno 0 logico quando il selettore viene commutato, facendo così richiesta di accesso all’area. Un parallelo fa sì che con selettore a 0 e sensore intervenuto (cioè anch’esso a 0) si abbia come risultato del parallelo uno 0 logico e quindi l’apertura delle uscite sicure del monitor di sicurezza AS-i. Prima però di far uscire un sensore dallo stato di muting, è necessario dare al PLC il tempo di eseguire le operazioni necessarie a consentire l’ingresso nell’area protetta, cioè portare il robot nella zona sicura (o arrestarlo, a seconda del tipo di richiesta) e arrestare la pressa. Se ad esempio la barriera ottica venisse attivata prima dello svolgimento di queste operazioni, potrebbe rilevare il passaggio del robot che si sta portando nella zona di lavoro sicura, e provocare un arresto di emergenza. Di conseguenza si effettua sul software una temporizzazione alla messa fuori tensione dei selettori, cioè si fa passare un tempo, calcolato in base al tempo di spostamento del robot, prima che il monitor prenda in considerazione il segnale di apertura del selettore. La seconda funzione che il monitor deve svolgere è il controllo del finecorsa elettromagnetico che indica l’apertura della porta. Tale finecorsa è progettato in modo che, finché la bobina al suo interno viene alimentata, rimane bloccato e non permette lo sgancio della serratura. L’alimentazione della bobina è compito del PLC, in quanto l’analisi del rischio non ha evidenziato la necessità di gestire anche questo segnale in sicurezza. Infatti, per l’accesso all’area protetta, viene effettuato un arresto di categoria 1, ma solo per questioni funzionali. Anche se il blocco magnetico si guastasse, ci sarebbe un arresto di categoria 0 che garantirebbe comunque la sicurezza delle persone. Al contrario, il contatto che rileva l’apertura della porta è un segnale sicuro, quindi è questo il segnale che viene controllato dal monitor. Il sensore trasmette un 1 logico finché la porta rimane chiusa, mentre passa allo stato 0 all’apertura di quest’ultima. Per far intervenire il monitor quando la porta si apre in condizioni di funzionamento normale è necessario dunque mettere in parallelo il sensore della porta con il segnale inviato dal selettore, che dà l’informazione sulla modalità di funzionamento.

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Il segnale del selettore deve però essere invertito a livello logico; infatti il monitor deve intervenire quando il selettore è chiuso mentre il finecorsa è aperto. Con un semplice parallelo, poiché il selettore darebbe in questo caso un 1 logico, il monitor non interviene. Il software AS-i Mon, pensato per operazioni elementari, non prevede di lavorare con logica invertita e non è possibile utilizzare contatti normalmente aperti per la sicurezza. L’unica possibilità offerta dal software è quella di leggere lo stato di uno dei circuiti di abilitazione e riportarlo invertito al secondo canale (cosicché la lettura avviene in sicurezza, mentre l’inversione avviene all’interno del monitor). Di conseguenza si è dovuto utilizzare il secondo circuito di abilitazione del monitor per rilevare lo stato dei selettori, per poi invertire lo stato del circuito e metterlo sul primo canale, in parallelo al segnale di intervento del finecorsa elettromagnetico. Nelle figure 3.17 e 3.18 sono rappresentate rispettivamente le configurazioni del primo e secondo canale di abilitazione realizzate. Oltre agli elementi elencati finora, è necessario specificare il tipo di arresto da effettuare (in questo caso un arresto immediato, in categoria 0) e il tipo di avviamento (in questo caso controllato da un reset). Infine sono stati inseriti i funghi di emergenza, il cui intervento provoca l’arresto immediato, senza bisogno che si verifichino altre condizioni.

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fig. 3.17: rappresentazione della configurazione del 1° circuito di abilitazione del monitor per l’arresto di emergenza nell’area A

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fig. 3.18: rappresentazione della configurazione del 2° circuito di abilitazione del monitor per l’arresto di emergenza nell’area A

3.7.4.2 Programma Monitor di emergenza zona B Il programma per questo monitor è identico a quello per il monitor di emergenza dell’ area A, cambiano gli indirizzi dei sensori monitorati, che sono in questo caso quelli della zona B, del tutto simmetrici ai precedenti.

3.7.4.3 Programma Monitor di arresto controllato presse Il monitor che controlla le celle AVM è stato configurato in modo da avere un circuito di abilitazione riservato alla prima ed uno alla seconda cella. Ogni circuito dovrà aprirsi in seguito alla segnalazione del selettore relativo alla pressa (A o B) o di uno dei selettori per l’arresto totale (A+B).

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Il reset può avvenire indifferentemente da una delle due porte. L’arresto in questo caso è temporizzato (categoria di arresto 1) in quanto questo monitor non interviene per un’emergenza ma per togliere l’alimentazione alle presse dopo che queste sono state arrestate dal PLC.

fig. 3.19: rappresentazione della configurazione del circuito di abilitazione della

cella AVM contenuta nell’area A.

3.7.4.4 Programma Monitor di arresto controllato robot L’arresto controllato del robot deve avvenire in seguito ad una richiesta dell’operatore tramite i selettori ‘A+B’ posti nelle pulsantiere delle due aree. L’ arresto deve essere temporizzato per dare al PLC il tempo di fermare il robot secondo la procedura prestabilita.

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L’avviamento deve essere confermato con i pulsanti di reset collocati nelle pulsantiere.

fig. 3.20: immagine della configurazione del monitor per l’arresto controllato del robot, in seguito a richiesta di ingresso di tipo ‘A+B’

3.7.5 Opzione di procedura di uscita con chiave interna Un’altra opzione presa in considerazione per migliorare il livello di sicurezza delle procedure di ingresso/uscita dall’area è quella di inserire all’interno delle zone A e B due chiavi monostabili (una per zona) la cui commutazione sia condizione necessaria per il ripristino della modalità di funzionamento normale. Lo scopo di questa ulteriore precauzione è di evitare che un operatore possa uscire dall’area senza accorgersi di aver lasciato un’altra persona all’interno di essa.

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Questo può succedere in quanto dalla porta la visuale dell’area non è completa e qualcuno potrebbe trovarsi all’interno dell’area, al di fuori del campo visivo di chi sta all’ingresso (fig. 3.19). Posizionando allora un selettore monostabile nella zona non visibile dalla porta è possibile scongiurare il pericolo programmando una procedura di avvio che preveda le seguenti operazioni:

1. azionamento del selettore monostabile all’interno dell’area;

2. chiusura della porta;

3. commutazione, entro un tempo prestabilito a partire dall’istante di azionamento del selettore monostabile, del selettore posto sulla pulsantiera esterna.

fig. 3.21: esempio di area segregata con zona fuori campo visivo dal punto di ingresso-uscita; soluzione con chiave monostabile interna

Per realizzare questa modifica è necessario intervenire sui monitor che effettuano l’arresto controllato del robot e delle celle AVM. La soluzione elaborata richiede l’utilizzo di due canali per ogni macchina da arrestare; di conseguenza, volendo adottare questa opzione, sarà necessario impiegare 4 monitor a 2 circuiti di abilitazione. Tale soluzione prevede la messa in serie dei due circuiti di abilitazione.

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Quindi entrambe le uscite del monitor di sicurezza andranno ad agire sullo stesso contattore, ma non contemporaneamente; al primo circuito è riservata una funzione di sicurezza, cioè è previsto il suo intervento in situazioni anomale, al secondo è affidato invece l’intervento previsto dalla procedura di ingresso nell’area o da quella di arresto A+B. L’uso così differenziato dei due canali permette anche la possibilità di diagnosticare le cause di intervento del monitor, cioè di vedere se è in atto una procedura regolare o se si è verificato un errore. L’intervento di emergenza del primo canale può essere determinato da:

• segnalazione di un pulsante a fungo di emergenza; • apertura della porta in fase di funzionamento normale.

Il ripristino avviene in seguito alla pressione del pulsante di reset. L’intervento del secondo canale avviene in seguito alla commutazione dallo stato ON allo stato OFF del selettore bistabile dell’area. Per il ripristino non basta la pressione del pulsante di reset; bisogna attivare il selettore monostabile interno all’area e, entro un tempo prestabilito (alcuni secondi), uscire dall’area, chiudere la porta e premere il reset. Tale funzione si ottiene con l’elemento logico ‘flip-flop’, disponibile nel software ASi-Mon. Il flip flop disponibile si comporta come indicato in tabella:

Impostando il segnale del selettore bistabile esterno come ‘hold’ e il monostabile interno come ‘set’, si ottiene che:

• aprendo il selettore esterno il monitor apre (e quindi la pressa si arresta) indipendentemente dallo stato del set;

• richiudendo il selettore esterno il circuito di abilitazione rimane aperto,

in quanto, se impostato su 1-0, il flip flop mantiene lo stato precedente;

• per ripristinare il circuito di abilitazione è necessario mandare un impulso dal selettore monostabile (portando così il ‘set’ al livello logico 1) e quindi commutare il selettore bistabile.

78

79

Una volta effettuata quest’ultima operazione, l’uscita del flip flop sarà un 1 logico, quindi sarà possibile riavviare la macchina schiacciando il pulsante di reset. Per stabilire un tempo massimo che possa intercorrere tra l’impulso della chiave interna e la conferma di quella esterna, si utilizza un temporizzatore. Inoltre, per evitare il rischio che la chiave interna si incastri, mandando un segnale continuo, oppure venga manomessa, si usa un temporizzatore del tipo ‘impulso fronte ON’, cioè si fa in modo che il monitor sia sensibile al fronte del segnale e non ad un segnale continuo.

Nelle figure 3.22 e 3.23 sono rappresentati gli schemi di realizzazione del programma per il monitor di controllo di una delle presse AVM; la realizzazione della configurazione per la seconda pressa e per il robot è del tutto analoga.

fig. 3.22: immagine della configurazione del monitor per l’arresto di una pressa

e riavvio con sequenza chiave interna-chiave esterna: preelaborazione e 1° circuito di abilitazione

fig. 3.23: immagine della configurazione del monitor per l’arresto di una pressa e riavvio con sequenza chiave interna-chiave esterna: 2° circuito di abilitazione

3.8 Sperimentazione del programma su modello esemplificativo

Per avere un raffronto nella sperimentazione del programma e poter realizzare la sua versione definitiva, è stato necessario utilizzare un modello che simulasse l’impianto reale (figura 3.24). Il modello è formato da un pannello su cui, mediante apposite piastre di sostegno, sono collocati sia i componenti necessari al funzionamento della rete AS-i che i sensori e gli interruttori. Inoltre sono presenti un motore, che costituisce l’azionamento intorno al quale realizzare la sicurezza, e una CPU, interfacciata alla rete AS-i tramite un master AS-i. Il pannello dispone poi di 3 moduli di ingresso K45F e un modulo K60F con due ingressi di sicurezza ed un’uscita non sicura. Tramite il master AS-i, la CPU legge le informazioni sulla rete AS-interface e gestisce l’azionamento. Inoltre la CPU può gestire le uscite AS-i (come quella per bloccare e sbloccare la serratura del finecorsa magnetico e quella per attivare la colonnina luminosa) e visualizzare tramite un display informazioni sul suo stato.

80

Il monitor invece agisce con le sue uscite sicure su due contattori a guida forzata la cui apertura taglia l’alimentazione all’azionamento. È stata così simulata una versione ridotta dell’impianto oggetto di studio. Ciò e stato comunque sufficiente a verificare l’efficacia delle soluzioni adottate e del programma realizzato per il monitor. Nella simulazione effettuata, i due finecorsa posti in prossimità dell’azionamento svolgono la funzione delle camme che nell’impianto reale sorvegliano la posizione del robot. I due finecorsa occupano due ingressi sicuri, cioè un modulo K45. Un secondo modulo di ingressi è collegato alla chiave, che simula il comportamento del selettore sulla pulsantiera. Il modulo K60 serve per il collegamento del finecorsa elettromagnetico con ritenuta e necessita di alimentazione ausiliaria (cavetto AS-i nero). Infine sono collegati alla rete AS-i la pulsantiera con fungo di emergenza e pulsante di reset e un segnalatore luminoso per indicare il tipo di procedura in corso. Sul modello è stato possibile sperimentare sia il programma per la gestione delle emergenze in ognuna delle celle di sicurezza che i programmi per le procedure di arresto delle presse e dei robot. Inoltre, aggiungendo un selettore monostabile al posto dei due finecorsa, è stato possibile testare il programma per la procedura di uscita dall’area con chiave interna.

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fig. 3.24: modello per la sperimentazione della configurazione AS-interface

82

4 Analisi dei costi e confronto economico tra tecnica di cablaggio tradizionale e tecnologia AS-interface

4.1 Introduzione L’analisi dei costi si è svolta nelle seguenti fasi:

• analisi dei listati sui prelievi da magazzino relativi all’impianto in esame - forniti dalla Gaiotto - al fine di isolare gli elementi relativi alla sicurezza e determinare il costo dei componenti del sistema di sicurezza realizzato con cablaggio tradizionale;

• stima dei costi sostenuti per la programmazione, il cablaggio e la messa

in servizio dell’impianto tradizionale; • preventivo dei costi per la realizzazione dello stesso tipo di impianto con

tecnologia AS-i (secondo le modalità discusse al capitolo 3); • stima dei costi da sostenere per la programmazione, il cablaggio e la

messa in servizio dell’impianto con tecnologia AS-i; • confronto dei risultati ottenuti; raffronto tra le singole voci e tra i risultati

complessivi ottenuti; elaborazione di grafici comparativi per migliorare la leggibilità dei confronti effettuati.

L’obiettivo è dimostrare la convenienza della soluzione con tecnologia AS-i. Alcuni vantaggi e svantaggi delle due soluzioni che sono difficilmente quantificabili dal punto di vista economico verranno discussi qualitativamente, dato che comunque possono incidere fortemente sulla scelta.

83

4.2 Costo della realizzazione dell’impianto di sicurezza con cablaggio tradizionale

4.2.1 Suddivisione delle voci di costo I costi dell’impianto sono di due tipi:

1. Costo dei componenti utilizzati per l’assemblaggio del sistema L’impianto è stato realizzato quasi interamente con componenti Siemens; la Gaiotto ha fornito per questa analisi un listato delle voci in uscita dal suo magazzino relative e questo progetto. All’interno del listato è stato possibile distinguere le voci di componenti per la sicurezza da quelle riguardanti la parte relativa all’automazione delle due celle AVM e del robot. Per ragioni di riservatezza, nel listato è stata omessa la colonna dei prezzi netti praticati da Siemens al cliente finale Gaiotto. Nei calcoli si terrà conto dei prezzi di listino su cui si è calcolato uno sconto convenzionale del 60%. L’elenco dei componenti per la realizzazione dell’impianto con tecnologia tradizionale è riportato in figura 4.1.

2. Costo della manodopera Nella lista figurano anche i costi della manodopera utilizzata all’interno della Gaiotto; una parte della manodopera, cioè quella necessaria all’installazione dell’impianto nel luogo di destinazione, viene commissionata ad aziende esterne e sarà valutata in seguito. I quadri vengono invece realizzati interamente da personale della Gaiotto. Oltre alla manodopera necessaria all’installazione si dovrebbe tener conto dell’impiego di risorse per la progettazione e la realizzazione degli schemi elettrici dell’impianto. Tuttavia queste voci di costo possono, nel nostro caso, considerarsi costi sostenuti ‘una tantum’. Infatti, come già accennato, l’azienda lavora su modelli standard; l’applicazione ad un caso pratico comporta un impiego minimo di risorse umane; i modelli base di progettazione sono completamente ammortizzati. Per quanto riguarda l’analisi del rischio, essa è indipendente dalle modalità di realizzazione del sistema di sicurezza (per esempio la stessa categoria di sicurezza può essere realizzata con entrambe le tecnologie).

84

85

fig. 4.1: lista delle uscite da magazzino relative al progetto in analisi; sono evidenziate le voci di costo riguardanti la sicurezza

86

4.2.2 Costo dei componenti I componenti necessari alla realizzazione del sistema di sicurezza possono essere classificati in componenti per la realizzazione del quadro elettrico e componenti da installare sul campo. In tabella 4.1 sono riportati i componenti relativi al quadro elettrico. In tabella 4.2 sono invece riportati i costi dei componenti da installare sul campo. Le pulsantiere utilizzate e i pulsanti a fungo non sono prodotti Siemens; per comodità sono stati qui riportati i costi di listino di prodotti Siemens equivalenti.

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Cablaggio tradizionale: componenti all’interno del quadro

Componente Codice Siemens

del prodotto Prezzo unitario listino 2006 (€)

Numero di pezzi

Blocco ingressi digitali

6ES73211BL00-0AA0

305,28 1

Blocco uscite digitali

6ES73221BL00-0AA0

422,94 1

Centralina di sicurezza

3TK2825-2BB40 252,35 3

Modulo di ampliamento per

centralina di sicurezza

3TK2830-2CB30 169,86 1

Unità di valutazione con

funzione di muting3RG7847-4BF 645,84 6

TOTALE 5530,17 €

tab. 4.1: componenti destinati al quadro elettrico

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Cablaggio tradizionale: componenti di campo

Componente Codice Siemens

del prodotto Prezzo unitario listino 2006 (€)

Numero di pezzi

Scatola pulsantiera 4 fori

3SB3804-0AA3 23,21 2

Pulsante verde - contatti NO

3SB3500-0BA41 3SB3423-0C

12,05 6

Lampada spia verde 3SB3001-6AA40 4,18 2

Emettitore barriera ottica

3RG7842-6JJ00 871,52 2

Ricevitore barriera ottica

3RG7842-6JJ01 1310,40 2

Finecorsa elettromagnetico

6E37506XXO 135,56 2

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Finecorsa a camme (INTEGRATI NEL ROBOT) 4

Pulsante di emergenza a fungo

(assemblato)

3SB3000-1HA20 3SB3400-0C 3SB38010AC

29,06 2

TOTALE 4819,96 €

tab. 4.2: componenti destinati all’utilizzo sul campo

4.2.3 Costo dell’installazione (cablaggio) Nella tabella 4.3 sono riportate le voci di costo (fornite dalla Gaiotto) relative all’installazione dell’impianto. Anche in questo caso si fa distinzione tra cablaggio del quadro e cablaggio della sensoristica sul campo. Inoltre si introduce la distinzione tra la parte di lavoro effettuata dalla Gaiotto e la parte affidata ad una azienda esterna. Le ore di lavoro riportate in tabella, su cui si effettua il calcolo, sono riferite esclusivamente al cablaggio della parte di sicurezza e non di tutto il sistema.

Tempo impiegato, solo parte di sicurezza (h)

Costo (€)

Cablaggio in quadro 6 300

Cablaggio in campo 12 600

Cablaggio in campo (parte realizzata da

azienda esterna) 30 1500

TOTALE 2400€

tab. 4.3: costo della manodopera per il cablaggio dell’impianto

90

Il cavo impiegato per il cablaggio viene messo in conto in questo paragrafo, trattandosi di un componente necessario alla messa in comunicazione dei componenti oggetto della progettazione dell’impianto. Si tratta di materiale non di progetto, bensì funzionale al progetto. La quantità di cavo necessaria e il relativo costo viene riportata in tabella 4.4.

Dimensioni (mm^2) Quantità necessaria

(m) Costo (€)

Cavo 12*1 100 90

Cavo 7*1 100 63

Cavo 3*1 50 12

TOTALE 165 €

tab. 4.4: costo del materiale per la realizzazione del cablaggio

4.2.4 Costo di interventi successivi alla prima installazione Data la tipologia di impianto e le esigenze del cliente finale di Gaiotto, spesso si sono resi necessari interventi successivi all’installazione. La Gaiotto ha già realizzato 10 sistemi di sicurezza della tipologia analizzata al capitolo 3 e ha stimato che in media ogni impianto ha richiesto interventi per un totale di 25 ore, per modifiche richieste dal cliente e/o per risoluzione di eventuali problemi non prevedibili in fase di progetto.

Tempo impiegato, solo parte di sicurezza (h)

Costo (€)

Interventi successivi all’installazione

dell’impianto 25 1250

tab. 4.4.1: costo della manodopera per interventi successivi all’installazione

dell’impianto

91

4.2.5 Costo complessivo per la realizzazione dell’apparato di sicurezza con tecnologia tradizionale Per i motivi spiegati al paragrafo 2.1 di questo capitolo, ai prezzi di listino viene applicato uno sconto del 60%. L’elaborazione dei risultati parziali sopra riportati dà il seguente risultato complessivo: Costo totale sicurezza = ∑[Costo componenti (scontato) + Costo manodopera]= = (5530,17 + 4819,96)*0,4 + (2400 + 165 + 1250) ≈ 7955 €

4.2.6 Incidenza dell’apparato di sicurezza sui costi per la realizzazione dell’intero impianto Anche in questo caso, per valutare l’incidenza dell’impianto di sicurezza sul totale, bisogna utilizzare le voci di costi reali, in quanto i prezzi di listino non sono confrontabili con le restanti voci di costo fornite dalla Gaiotto. Le voci di costo complessivo sono tratte dal listato di figura 4.1. Il costo complessivo del quadro finito è di 7513 €, di cui 6531 € per il materiale all’interno del quadro e 982 € per la manodopera. Di questi 7513 €, 2212 € - ovvero il 40% di 5530 - sono per i componenti relativi al sistema di sicurezza e 300 € per la relativa manodopera di cablaggio. L’incidenza dell’impianto di sicurezza nella realizzazione del quadro si ottiene quindi facendo: (2212 + 300) / 7513 ≈ 33,4% Per quanto riguarda la parte di impianto in campo, il costo complessivo del materiale e della parte di cablaggio realizzata dalla Gaiotto ammonta a 4856 €, dei quali 1928 € sono spesi per i soli componenti relativi alla sicurezza e 600 € per il relativo cablaggio. La manodopera complessiva eseguita da Gaiotto è di circa 30 ore da cui deriva un costo di 1500 €. La manodopera esterna per il cablaggio comporta una spesa totale di 4000 €, vale a dire circa 2 settimane di lavoro di un tecnico qualificato, corrispondenti a 80 ore; di queste 80 ore, circa 30 sono dedicate al cablaggio del sistema di sicurezza, con una conseguente spesa di 1500 €. La spesa totale per l’automazione delle due celle AVM e del robot è quindi data da: Materiali + Cablaggio in Gaiotto + Cablaggio esterno = 4856 + 1500 + 4000 ≈ 10350 € L’incidenza dell’impianto di sicurezza su questo totale è di:

92

(1928 + 600 + 1500) / 10350 ≈ 38,9%. Sommando tutti i costi per la produzione dell’impianto si ha una spesa totale pari a 7513 + 10350 = 17863 €. I costi complessivi dell’apparato di sicurezza ammontano a 2212 + 300 + 1928 + 600 + 1500 = 6540 € Si ha quindi: 6540 / 17863 ≈ 0,366 In totale si può dunque dire che l’incidenza dell’apparato di sicurezza sui costi per l’automazione dell’intero impianto è pari al 37%.

4.3 Costo della realizzazione dell’impianto di sicurezza con tecnologia AS-interface

4.3.1 Suddivisione delle voci di costo Vi è una serie di accessori necessari all’utilizzo della tecnologia AS-interface che l’azienda dovrà acquistare solo la prima volta e che potrà utilizzare per tutti i successivi impianti da realizzare. Questi costi vengono ammortizzati in breve tempo (vedere cap. 4.4.4). Inoltre, come spiegato nel capitolo 1, una rete AS-i ha bisogno di una serie di componenti di base, indipendentemente dalle sue dimensioni fisiche e dal numero di nodi utilizzati. Infine vanno messi in conto i componenti necessari al caso specifico in esame, suddivisi come in precedenza in componenti destinati alla realizzazione del quadro e componenti da installare sul campo.

4.3.2 Costo dei componenti Nelle tabelle 4.5, 4.6 e 4.7 sono riportati i componenti da utilizzare per la realizzazione dell’impianto, suddivisi in componenti per la realizzazione di una rete AS-i, componenti base (tutti da inserire nel quadro, secondo la divisione proposta in precedenza) e componenti caratteristici dell’impianto progettato.

93

AS-interface: componenti preliminari

Componente Codice Siemens

del prodotto Prezzo unitario listino 2006 (€)

Numero di pezzi

Set di cavi PC/Monitor

3RK19015AA00 54,09 1

Indirizzatore di slave AS-i

3RK19042AB01 439,5 1

Software di configurazione AS-i

Mon 3RK18022FB060GA0 419,66 1

TOTALE 913,25 €

tab. 4.5: componenti da acquistare per la configurazione di una qualsiasi rete

AS-i di sicurezza

94

AS-interface: componenti base di una rete AS-i (di quadro)

Componente Codice Siemens

del prodotto Prezzo unitario listino 2006 (€)

Numero di pezzi

Alimentatore AS-i da 5 A

3RX95020BA00 315,50 1

DP/AS-i link 6GK14152AA01 433,54 1

TOTALE 749,04 €

tab. 4.6: componenti base di una rete AS-i. L’alimentatore è stato dimensionato

tenendo conto che l’assorbimento massimo di ogni modulo slave K45 è di 200mA; i moduli K60, che possono comandare degli attuatori, richiedono anche

l’alimentazione ausiliaria.

95

AS-interface: componenti per la realizzazione dell’impianto di sicurezza

Componenti di quadro

Componente Codice Siemens

del prodotto Prezzo unitario listino 2006 (€)

Numero di pezzi

Monitor di sicurezza ampliato

con 2 uscite

3RK1105-1BE04-2CA0

776,12 2

Monitor di sicurezza con 2

uscite

3RK1105-1BE04-0CA0

694,26 1

Monitor di sicurezza con 1

uscita

3RK1105-1AE04-0CA0

520,69 1

TOTALE 2767,19€

tab. 4.7: componenti di quadro

96

AS-interface: componenti per la realizzazione dell’impianto di sicurezza

Componenti di campo

Componente Codice Siemens

del prodotto Prezzo unitario listino 2006 (€)

Numero di pezzi

Modulo K45, IP67, 2 ingressi sicuri

3RK12050BQ00-0AA3

135,2 6

Modulo K60, IP67, 2 ingressi sicuri, 2

uscite

3RK14051BQ00-0AA3

167,31 2

Finecorsa elettromagnetico

3SE37506XX0 135,56 2

Pulsante di emergenza a fungo

per AS-i 3SF5811-0AA08 154,61 2

Pulsantiera 2 selettori bistabili,

reset, lampada spia verde

vedere tab. 4.8.1 442,58 2

Emettitore barriera ottica AS-i

3RG7842-6JJ00 871,52 2

Ricevitore barriera ottica AS-i

3RG7842-6JJ01 1310,40 2

97

Finecorsa elettromagnetico

6E37506XXO 135,56 2

Finecorsa a camme (INTEGRATI NEL ROBOT) 4

TOTALE 7246,28 €

tab. 4.8: componenti di campo

Componenti della pulsantiera AS-i

Componente Codice Siemens

del prodotto Prezzo unitario listino 2006 (€)

Numero di pezzi

Scatola a 4 fori 3SB3804-0AA3 23,21 1

Modulo sicuro 4 ingressi

3SF5500-0BA 106,60 2

Modulo standard 4 ingressi/3 uscite

3SF5500-0BB 114,15 1

Contatti sicuri 3SB3423-0C 5,19 4

Contatti standard 3SB3423-0B 5,19 2

98

Selettori bistabili 3SB3000-2KA11 9,38 2

Pulsante reset 3SB3000-0AA51 5,52 1

Spia verde 3SB3001-6AA40 4,18 1

Uscita standard per spia

3SB3423-1PE 6,35 1

Cavo allacciamento slave standard

3SF5900-0BA 3,60 1

Cavo allacciamento slave sicuro

3SF5900-0BB 7,20 2

Allacciamento alla rete AS-i

3SF5900-0CA 8,17 1

TOTALE 442,58 €

tab. 4.8.1: configurazione della pulsantiera AS-i

4.3.3 Costo dell’installazione (cablaggio) Per il computo delle voci di costo relative all’installazione è stato necessario ricorrere a stime. I tecnici della Siemens hanno stimato la quantità di tempo necessaria al cablaggio dell’impianto descritto nel capitolo 3. Le stime sul cablaggio del quadro tengono conto dei seguenti dati:

99

Il cablaggio del quadro risulta enormemente semplificato dal fatto che i monitor richiedono semplicemente l’alimentazione, il collegamento al cavo AS-i e il collegamento dei due canali di uscita; il DP/AS-i link richiede invece l’allacciamento alla rete AS-i e alla rete PROFIBUS. Sul campo i moduli sicuri si collegano al cavo AS-i (che è uno solo) tramite un sistema a puntali, quindi senza cavi aggiuntivi, prese o morsettiere, e i sensori si collegano ai moduli con 4 fili, attraverso i quali arriva anche l’alimentazione. Nel caso di cablaggio tradizionale era invece necessario collegare 5 fili dalle unità di intervento ai blocchi di ingressi digitali (per un totale di circa 40 fili), inoltre andavano realizzati i collegamenti tra modulo di ampliamento e 3TK28 e tra i sensori e l’unità di intervento ad essi dedicata, con 4 collegamenti per ogni sensore per la sola trasmissione del segnale (circa 40 collegamenti in totale); infine andava portata separatamente l’alimentazione, sia ad ogni sensore che ad ogni unità di intervento. Il numero di cavi da utilizzare con il sistema AS-i risulta drasticamente ridotto. In tabella 4.9 sono riportati i costi della manodopera per realizzare il sistema di sicurezza con tecnologia AS-i. Per poter realizzare un raffronto, la suddivisione in voci di costo è la stessa proposta per l’analisi dell’impianto tradizionale (cablaggio interno ed esterno al quadro). Rispetto alla tecnologia tradizionale, i costi per eventuali modifiche dell’impianto successive all’installazione sono stati considerati trascurabili, in quanto le modifiche verranno effettuate via software, senza richiedere modifiche al cablaggio del sistema.

Tempo impiegato

(h) Costo (€)

Cablaggio del quadro 2 100

Cablaggio esterno al quadro

16

800

TOTALE 900 €

tab. 4.9: costo della manodopera per il cablaggio dell’impianto

Il cavo impiegato per il cablaggio viene messo in conto in questo paragrafo, trattandosi di un componente necessario alla messa in comunicazione dei componenti oggetto della progettazione dell’impianto.

100

In figura 4.2 è indicata la disposizione del cavo AS-i e le distanze percorse. Sono inoltre necessari, in corrispondenza delle diramazioni, degli appositi moduli che permettono di congiungere due rami della rete AS-i (moduli distributori). I cavi percorrono l’area robot e presse all’interno di canaline interrate, mentre vengono portate al di sopra delle porte di ingresso per raggiungere le pulsantiere e i finecorsa elettromagnetici con ritenuta. In tabella 4.10 sono riportati i costi dei materiali per il cablaggio.

fig. 4.2: percorso e dei cavi AS-i (giallo e nero) con relative distanze

101

Componente Codice Siemens

del prodotto Prezzo listino

2006(€) Quantità

Cavetto giallo AS-i 3RX9010-0AA0 62,13 30m

Cavetto nero alimentazione

ausiliaria 3RX9020-0AA0 34,70 15m

Distributore IP67 cavo AS-i

3RK1901-1NN00 30,25 2pezzi

TOTALE 157,33 €

tab. 4.10: costo del materiale per la realizzazione del cablaggio

4.3.4 Costo complessivo per la realizzazione dell’apparato di sicurezza con tecnologia AS-interface Per i motivi spiegati al paragrafo 2.1 di questo capitolo, ai prezzi di listino viene applicato uno sconto del 60%. L’elaborazione dei risultati parziali (esclusi i costi riportati in tabella 4.5) sopra riportati dà il seguente risultato complessivo: Costo totale = ∑[Costo componenti (scontato) + Costo manodopera]= = (749,04 + 2767,19 + 7246,28)*0,4 + 900 + 157,33*0,4 ≈ 5268 €

4.3.5 Incidenza dell’apparato di sicurezza AS-interface sui costi per la realizzazione dell’intero impianto In tabella 4.11 sono riportate le voci di costo per la realizzazione dell’impianto con tecnologia AS-i.

102

Per ottenere i costi totali si è partiti dai valori forniti da Gaiotto, ai quali sono state sottratte le voci relative alla sicurezza realizzata con cablaggio tradizionale e sono stati aggiunti i costi ottenuti dal preventivo per la realizzazione in AS-i.

Materiali quadro

(€)

Materiali campo

(cavi inclusi) (€)

Manodopera quadro

(€)

Manodopera campo

(€)

Complessivi

5725 5724 782 4200

AS-i

1406 2963 100 800

tab. 4.11: costi totali e parte dei costi dovuta all’impianto di sicurezza

In questo caso, il costo complessivo dell’impianto è di 16431 €. Di questi, 5269 € sono spesi per i componenti relativi al sistema di sicurezza e il loro cablaggio. In totale si può dunque dire che l’incidenza dell’apparato di sicurezza sui costi per l’automazione dell’intero impianto è del 32%.

4.4 Confronto dei costi per la realizzazione del medesimo impianto di sicurezza con sistema tradizionale e con tecnologia AS-interface

4.4.1 Tabelle comparative La tabella 4.12 sintetizza i risultati complessivi ottenuti dall’analisi del costo condotta e mette a confronto i risultati complessivi ottenuti per ogni voce di costo delle due modalità di impianto realizzabili. I prezzi utilizzati per il confronto sono quelli di listino scontati del 60%, come spiegato al paragrafo 2.1.

103

Punto di confronto Costo della tecnologia

convenzionale (€)

Costo della tecnologia AS-interface (€)

Componenti di quadro 2212 1406

Componenti di campo 1928 2898

Manodopera 2400 900

Materiale per cablaggio 165 63

Interventi successivi all’installazione

dell’impianto 1250 -

TOTALE 7955 5267

tab. 4.12: confronto dei costi complessivi

La lettura di questi dati risulta semplificata passando da valori assoluti a valori relativi. Il valore preso come riferimento per il passaggio a valori relativi è il costo totale della soluzione con cablaggio tradizionale. La tabella così convertita è riportata qui di seguito:

104

Punto di confronto

Costo della tecnologia

convenzionale %

Costo della tecnologia AS-

interface %

Componenti di quadro 27,8 17,7

Componenti di campo 24,2 36,4

Manodopera per cablaggio 30,2 11,3

Materiale per cablaggio 2,1 0,8

Interventi successivi all’installazione

dell’impianto 15,7 -

TOTALE 100 66,2

tab. 4.13: confronto dei costi complessivi in valori relativi al totale

105

106

4.4.2 Confronto grafico Il grafico 4.1 fornisce una visualizzazione dei dati ottenuti.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%

Componenti di quadro Componenti di campo Manodopera Materiale per cablaggio

Materiale per cablaggio 1,3 1,2

Manodopera 18,6 7Componenti di campo 37,3 56,1Componenti di quadro 42,8 27,2

Costo della tecnologia convenzionale (%) Costo della tecnologia AS-interface (%)

grafico 4.1: confronto dei costi

4.4.3 Analisi dei risultati L’utilizzo del sistema AS-i per questa applicazione risulta più conveniente. Il risparmio è del 34%. Si osserva che sul campo l’utilizzo del sistema tradizionale comporta un risparmio di circa il 33%, in quanto nel sistema AS-i è necessario collegare ogni sensore ad un modulo sicuro, del costo di circa 50 €. Tuttavia il sistema AS-i risulta complessivamente più economico, soprattutto per la riduzione dei costi per le unità di intervento e di cablaggio. Anche se le unità di intervento AS-i (monitor di sicurezza) sono più costose di quelle tradizionali, il loro numero risulta ridotto e quindi il costo complessivo è comunque inferiore.

Si passa infatti dall’impiego di 3 moduli 3TK28, 1 modulo di espansione e 6 centraline con muting, all’impiego di soli 4 monitor di sicurezza, con un risparmio assoluto per la realizzazione del quadro di circa 800 €. I costi di manodopera risultano complessivamente ridotti del 60%, mentre il costo dei cavi è inferiore del 38% Anche in questo caso, benché il cavo AS-i sia molto più costoso di quello tradizionale, il tipo di collegamento permesso dalla tecnologia AS-i permette una riduzione tale della quantità di filo impiegata da compensare il maggiore costo unitario. In tabella 4.5 venivano riportati i costi da sostenere per avviare l’impiego di tecnologia AS-i. Il costo complessivo era di circa 1000€, senza tener conto di eventuali sconti. Come si vede dai risultati definitivi, un tale costo viene compensato già al primo impiego del sistema AS-i. Tenendo conto che la Gaiotto realizza in un anno una decina di impianti del tipo qui analizzato, è evidente che questi costi preliminari sono del tutto giustificati.

4.4.4 Osservazioni Il sistema AS-i si è rivelato più conveniente anche per una serie di vantaggi dei quali è impossibile dare una valutazione precisa in termini economici.

• Come spiegato al capitolo 3, l’impianto preso in considerazione è suscettibile di variazioni di configurazione a seconda delle specifiche del cliente finale. Il sistema AS-i risulta molto più elastico e adatto a modifiche di quello tradizionale. In particolare: modifiche alla logica di intervento avvengono solo a livello di software e non comportano modifiche di cablaggio; aggiunte di sensori o pulsantiere sul campo sono realizzabili senza aggiunta di cavi e non comportano la modifica dell’indirizzamento dei moduli già presenti.

• Operazioni di diagnostica e rilevamento guasti risultano semplificate: il

software AS-i MON dispone di una funzione di diagnostica che individua in tempo reale lo stato di ogni modulo collegato al sistema; individuare un guasto sul campo è semplice in quanto il cavo da controllare è uno solo.

• Il sistema AS-i permette di gestire contemporaneamente segnali sicuri e

di processo sulla stessa rete. Di conseguenza anche in questo caso sarebbe possibile studiare una soluzione AS-i che integri il sistema di sicurezza e il controllo dei processi di presse e robot, soluzione questa che comporterebbe quasi certamente un ulteriore vantaggio economico.

• La realizzazione degli schemi elettrici dell’impianto con cablaggio

tradizionale è alquanto onerosa. Il sistema AS-i, che prevede l’utilizzo di

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un solo cavo AS-i e dell’alimentazione ausiliaria, consente di ridurre enormemente i tempi per la realizzazione degli schemi elettrici di ogni progetto.

Questi vantaggi, concreti anche se difficilmente quantificabili in termini economici, rafforzano la convenienza della soluzione AS-i e spesso, soprattutto quando il valore dell’impianto è rilevante, sono già sufficienti a giustificarne la scelta.

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Conclusioni I risultati ottenuti confermano la convenienza della tecnologia AS-interface e suggeriscono la possibilità di estenderne l’utilizzo anche alla parte di automazione riguardante il processo. Un possibile sviluppo di questo lavoro è quindi uno studio tecnico ed economico sull’applicazione di AS-interface all’intero impianto. Inoltre uno studio di tipo statistico su un maggior numero di impianti, concentrato esclusivamente sull’aspetto economico dell’applicazione, metterebbe in risalto il variare del vantaggio ottenuto dall’utilizzo del sistema AS-i al variare del campo di impiego. Bisogna infine notare che solo di recente il mercato italiano ha cominciato a manifestare interesse per l’applicazione della tecnologia AS-i alla sicurezza. L’utilizzo di componenti con elettronica programmabile nell’ambito della sicurezza è stato finora tendenzialmente evitato, in quanto questi erano fino a poco tempo fa oggettivamente meno affidabili dei componenti esclusivamente elettromeccanici. Per questo motivo la direttiva macchine EN 60204 del 1998 non ne prende in considerazione l’impiego. Tuttavia la recente ratifica della norma sullo stato dell’arte EN 61508 “Sicurezza funzionale dei sistemi elettrici/elettronici/elettronico programmabili legati alla sicurezza” afferma l’ormai ottimo grado di sicurezza offerto da questo tipo di soluzioni. L'applicazione proposta è stata quindi un’occasione per evidenziare i vantaggi di un sistema di sicurezza elettronico, in risposta ad un sempre maggiore interesse dei clienti. Siemens S.p.A. registra da alcuni anni a questa parte un costante incremento delle vendite di componenti AS-interface.

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