Safety Cascading for Drives over Ethernet

Abstract

The thesis is made for ABB Drives and is trying to come up with a concept of a safety function for present products: safety cascading. The cascades are seen as useful, but certain insufficiencies has been found in the present safety cascading implementation method in ABB products. This thesis strives to build a concept of a more robust and efficient product that widens the use cases while integrating the cascades to Ethernet with control network and PC tool communication. The thesis also presents functional safety software development in the form of the IEC standards - practices needed for safety integrity validation. The basic life cycle model and practices are presented and documentation, configuration and functional safety management are explained. Requirements engineering is applied and technical and application requirements are established. Previous design choices made Ethernet a natural medium for the new concept, so three safety protocols with their corresponding black channels are considered: PROFIsafe, openSAFETY and Safety-over-EtherCAT. After studying the protocols and network structure options, they are reflected against the requirements. This leads to one option, MODBUS with openSAFETY, which are chosen through elimination to be the best fit for the safety cascading. Finally, the thesis presents a concept for safety cascading over Ethernet based on the chosen protocol, including an example of the cyclic message Ethernet frame.

Tämä diplomityö on tehty ABB Drivesille ja tavoittelee luomaan uuden konseptin nykyiseen tuotteeseen, turvakaskadin. Kaskadit nähdään hyödyllisinä, mutta niiden implementoinnissa ABB tuotteissa on huomattu vajaavaisuuksia. Tämä työ pyrkii luomaan konseptin vakaammasta ja tehokkaammasta tuotteesta, joka lisää käyttökohteita ja integroi sen samaan Ethernet kaapeliin ohjaus- ja työkaluliikenteen kanssa. Diplomityö esittelee myös toiminnallisen turvallisuuden kehitystä IEC standardien muodossa ja niiden esittelemiä käytäntöjä turvallisuustasojen validointiin. Perinteiset elinkaarimallit, käytäntöjä ja dokumentaatio-, konfiguraatio- ja toiminnallisen turvallisuuden hallintamenetelmät esitellään. Vaatimusmäärittelystä tehdään tutkimus, jonka perusteella päädytään tuotteen teknisiin- ja sovellusvaatimuksiin. Olemassa olevien tuotteiden ratkaisut johtivat lopputulemaan, että kaskadit kannattaa toteuttaa Ethernetin yli, joten kolme turvaprotokollaa valittiin vertailtavaksi: PROFIsafe, openSAFETY ja Safety-over-EtherCAT. Näitä tuotteita ja mahdollisia verkkostruktuureita vertaillaan esiteltyihin vaatimuksiin. Tämän vertailun perusteella päästää eliminoinnin kautta lopulliseen valintaan, MODBUS ja openSAFETY -protokolliin, jotka sopivat kaskadiin parhaiten. Lopuksi diplomityö esittelee konseptin turvakaskaditoiminnosta Ethernetin yli ja esittelee valitun protokollan mukaisen Ethernet viestin.