MIL-STD-1553:n soveltaminen teollisuuden turva-automaatioon

Abstract

Nykyaikaisessa teollisessa tuotannossa prosessien, koneiden ja yksittäisten laitteiden riskejä voidaan vähentää monin tavoin. Huolellisen automaatiojärjestelmän suunnittelun jälkeen turva-automaatio on eräs tärkeimmistä menetelmistä toiminnallisen turvallisuuden varmistamisessa. Käyttöautomaatiosta erillinen turva-automaatio pyrkii estämään prosessin tai järjestelmän joutumisen vaaralliseen tilaan. Viimeisen vuosikymmenen aikana turva-automaatio on käyttöautomaation tapaan siirtymässä väyläpohjaiseksi. Kriittiset anturi- ja toimilaitesignaalit kulkevat yhä enenevässä määrin digitaalisissa kenttäväylissä -- eli turvaväylissä. MIL-STD-1553 on Yhdysvaltain puolustushallinnon 1970-luvulla kehittämä aikajakoinen sarjaväylä erityisesti sotilasilmailun tarpeisiin. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää koelaitteisto, jolla voitiin selvittää MIL-STD-1553-väylän soveltuvuutta teollisuuden turvaväyläksi. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin yleiskäyttöinen väyläliityntämoduuli, hajautettu IO-yksikkö sekä väyläohjainlaite. Lisäksi laitteille kehitettiin monipuoliset ohjelmistot. Koelaitteiston suorituskykyä mitattiin vasteaikojen ja välityskyvyn avulla. Mittausten perusteella työssä toteutettu laitteisto on suorituskykynsä puolesta jopa kaksisataa kertaa nopeampi yleisimpiin kaupallisiin turvaväyliin verrattuna. Luotettavuuden osalta kymmeniä vuosia avioniikassa, avaruustekniikassa ja muussa korkean luotettavuuden elektroniikassa käytetty MIL-STD-1553 on ylivertainen, joten se soveltuisi erinomaisesti turvaväyläksi kriittisiin automaatiojärjestelmiin. Teknologian laajamittaisen teollisen hyödyntämisen esteenä ovat kuitenkin toistaiseksi korkeat kustannukset sekä tiukka kilpailutilanne nykyisten turvaväylästandardien välillä. /Kir10

In modern industrial manufacturing, the risks of processes, machines and single devices can be reduced in many ways. Safety automation is after careful planning one of the most important procedures in ensuring functional safety. The basic automation system is separate from safety automation, which tries to prevent the process or system from getting into a dangerous state. During the last decade, safety automation has been moving away from the centralized control model towards distributed solutions. Critical sensor and actuator signals are more and more transferred over digital fieldbuses or to be more precise, over safety buses. MIL-STD-1553 is a military standard published by the United States Department of Defense in the 1970s. It is a time division multiplexed serial data bus that is especially designed for military avionics. The research goal of this thesis was to design a test set-up, which was used to find out if MIL-STD-1553 is suitable for being a safety bus in industrial automation systems. A generic bus interface module, distributed IO device and bus controller device were designed and implemented during the thesis process. Additionally, a versatile software was written for the devices. The performance of the test set-up was measured by using response time and throughput as metrics. According to the performance measurements, MIL-STD-1553 based test set-up is up to two hundred times faster than common commercial safety automation solutions. As for reliability, MIL-STD-1553 has been used in avionics, space systems and other high reliability electronics for many decades and thus it is a superior alternative for critical systems. However, the tight competition situation of the safety automation market and high expenses prevent the wider use of the technology in industrial automation.