Carl Henning, Profibus and Profinet International (PI).
Comunicação IWLAN Fail-Safe controla as "Máquinas Voadoras" de Leonardo Da Vinci no parque de diversões do Europe-Park
As máquinas voadoras construídas de acordo com os projetos imaginados por Leonardo Da Vinci séculos atrás, são algumas das recentes atrações do maior parque de diversões da Alemanha, em Rust nos arredores de Freiburg. A tecnologia de Automação Industrial com Industrial Wireless Local Area Network (IWLAN) e o protocolo Profinet com o perfil PROFISafe proporcionam a segurança requerida para o "voo panorâmico" guiado por trilhos. Leonardo Da Vinci ficaria impressionado!
Apesar de ter vivido séculos à frente de seu tempo, Leonardo Da Vinci não teria imaginado isso nem mesmo em seus sonhos mais loucos: Várias de suas máquinas voadoras, aceleradas pelos passageiros usando seus pés e guiadas por tecnologia Wireless Fail-Safe, voando sobre a paisagem Italiana no Europe-Park. Como ele poderia imaginar isso? Afinal, não havia eletricidade, nenhuma Rede Wireless, nenhum Europe-Park, nenhuma ETF Ride Systems e nem a Siemens na época em que viveu Leonardo Da Vinci; todos esses são os componentes envolvidos nessa história de sucesso.
Interação ao longo da rota de voo
O maior sonho de Leonardo era poder voar. Uma de suas ideias sobre esse assunto, a máquina voadora de parafuso aéreo, é um precursor dos helicópteros dos dias atuais. Essa invenção se tornou agora uma realidade no Europe-Park – com a atração familiar “Volo Da Vinci” (Figura 1). A jornada começa e termina no estúdio de Da Vinci, onde o mestre cumprimenta os visitantes pessoalmente e onde se pode admirar uma coleção interativa de seus modelos e projetos. Os visitantes embarcam nas gôndolas projetadas na forma de uma máquina voadora de parafuso e iniciam o "voo panorâmico" guiado por trilhos de 300 metros a uma altitude de sete metros sobre a seção Italiana e Alemã do parque. Como não há motores para a propulsão, os passageiros têm que usar suas pernas para ajudar na propulsão da máquina voadora. Uma gôndola tem capacidade para quatro passageiros: Aqueles que pedalam mais rápido viajam com velocidade maior. Dependendo da força da pedalada, a velocidade básica de 0,6 m/s é continuamente aumentada ou reduzida para se manter na faixa de 1,2 m/s a 1,8 m/s. Aqui surge o problema da segurança: Como podemos evitar colisões e danos materiais ou pessoais em todos os cenários possíveis?
Automação e Wireless Fail-Safe
Esse agradável passeio foi idealizado pela ETF Ride Systems de Nederweert, Holanda. A rota do voo é quase completamente automatizada com tecnologia Siemens. O conceito de automação e segurança foi desenvolvido em cooperação com o operador do parque, o fabricante, e a German Technical Inspectorate, TÜV.
O controle principal é executado por um PLC Simatic S7-300F Fail-Safe com porta de comunicação Profinet, localizado no painel de controle central da sala de monitoramento da Atração. Ele se comunica com os controladores e inversores Simatic ET 200S instalados nas gôndolas através de uma rede Wireless Fail-Safe. Além disso, diferentes Access Points ao longo do caminho são conectados ao controlador principal por meio de um switch gerenciável, criando-se dessa forma o backbone da rede de comunicação da Atração. Diversos segmentos de rede Wireless Fail-Safe são posicionados ao longo de todo o caminho da Atração. Esses segmentos são compostos por cabos RCoax que emitem sinais de rádio em um raio de ação definido para minimizar possíveis interferências.
Figura 2: Caixa de controle instalada na gôndola incluindo PLC, Inversores de Frequência Fail-Safe (à direita) e Client IWLAN, comunicação Fail-Safe Profinet.
Figura 3: Antenas proporcionam comunicação wireless contínua, mesmo nas transições dos segmentos. A função Rapid Roaming possibilita tempos de transferência menores do que 16 milissegundos entre os Access Points.
Seus correspondentes nas caixas de controle das gôndolas são os Clients IWLAN (Figura 2) com antenas omnidirecionais que percorrem ao longo do cabo RCoax. Os segmentos Wireless estão sempre operacionais, e o Client IWLAN seleciona automaticamente e sem interrupção o segmento com melhor sinal. Isso garante comunicação ininterrupta, mesmo durante as transições de segmentos ou quando a gôndola passa pelo desvio (Figura 3) na estação.
A posição das gôndolas é detectada por transpoders ao longo da rota e transmitida para o controlador central via Profinet sobre Wireless Fail-Safe. Esse controlador central verifica de forma segura os valores de plausibilidade de, monitora os espaçamentos mínimos especificados e inicia os procedimentos de segurança previstos no protocolo Profinet e PROFIsafe, se necessário for. A velocidade máxima e a direção do percurso também são monitoradas centralmente. Fontes de alimentação SITOP Siemens garantem alimentação elétrica confiável aos equipamentos de controle.
iFeatures para transferências mais rápidas e segurança contínua
O recurso iPCF dos Access Points e Clients IWLAN é um requisito importante para comunicações consistentes em tempo real através de redes Wireless Fail-Safe. Essa iFeature é uma função projetada especificamente para uso industrial – derivada de uma função presente em Access Points comerciais – Point Coordination Function [1]. O iPCF possibilita a transferência contínua dos Clients IWLAN de um Access Point para outro Access Point dentro de um intervalo de 16 milissegundos. Isso é uma funcionalidade mais do que suficiente para o sistema de controle, considerando-se as velocidades máximas das gôndolas. O protocolo Profinet em conjunto com o perfil PROFISafe e o controlador de segurança desaceleram as gôndolas se elas não mantiverem o espaçamento mínimo ou param as gôndolas completamente caso elas excedam certa distância de segurança, por exemplo, quando uma gôndola falha, evitando danos materiais ou pessoais. Isso significa que todo o sistema satisfaz os requisitos Safety Integrity Level SIL3 de acordo com a norma IEC 61508 conforme prescrito pela TÜV.
A rede Wireless Fail-Safe descrita proporciona uma conexão confiável entre o controlador principal e os controladores instalados nas gôndolas. Estes consistem de módulos Profinet na forma de I/O remotos com capacidade de executar funções Fail-Safe, devido à CPU de processamento disponíveis em tais módulos. A função Profinet I-device proporciona uma fácil integração e uma comunicação determinística entre os controladores (central e distribuídos), o que significa que cada controlador nas gôndolas pode ser um controlador Profinet I/O ou um dispositivo Profinet I/O simultaneamente, mesmo operando funções Fail-Safe. As gôndolas são tracionadas e, quando necessário, são paradas de forma segura através dos inversores de frequência instalados em cada gôndola. Os inversores são conectados aos motores que impulsionam os chassis e também o movimento do rotor em espiral.
Entre outras funções, o inversor de frequência Fail-Safe implementa as funções de segurança Safe Torque Off, STO, e Safe Stop 1, SS1. Isso significa que os mecanismos de segurança requeridos também podem ser implementados localmente caso a comunicação IWLAN vier a falhar. A função STO impede de forma segura e puramente eletrônica uma partida da gôndola quando os passageiros estão embarcando ou desembarcando. A função de segurança SS1 monitora a parada da gôndola quando a distancia de segurança entre gôndolas não é observada – tudo sem encoder no motor ou outros tipos de encoders, portanto de forma muito econômica.
A parada segura usualmente é iniciada pelo controlador central. Se uma gôndola falhar, todas as outras gôndolas automaticamente são paradas pelo controlador central. Se a rede Wireless Fail-Safe falhar – o que não aconteceu até agora – os controladores das gôndolas param automaticamente cada uma delas. No caso de queda de energia elétrica dos sistemas de controle, freios são aplicados automaticamente nas gôndolas.
O fornecedor do sistema de automação também instalou uma IHM Touch-Screen na cabine do condutor – a sala de controle da Atração – conectado via Profinet com todos os sistemas de controle. Isto significa que os estados operacionais e as posições das gôndolas são exibidos durante a operação da Atração. Através da IHM é possível selecionar e mover gôndolas individualmente para um destino específico, por exemplo, para a posição de manutenção, utilizando rotas e sistemas de desvio.
Sem problemas desde o início
“Desde que comissionamos o Volo Da Vinci no verão passado, a operação da Atração, baseado em Wireless Fail-Safe no Europe-Park tem sido melhor e mais estável do que havíamos previsto inicialmente”, diz Markus Spoth, chefe da engenharia elétrica. “Até agora, não ocorreu uma única falha desde o start-up que pudesse ser atribuída à tecnologia Wireless Fail-Safe e ao Profinet”, continua Spoth, “Mesmo nas mais altas temperaturas externas no verão, nos dias frios no outono ou nas baixas temperaturas do inverno. Estamos muito satisfeitos com a solução final e sua implementação”. No entanto, caso ocorra uma falha no sistema de automação, a infraestrutura da rede Wireless Fail-Safe e Profinet permite um rápido acesso e um diagnóstico por meio do Simatic STEP 7 ou dos Servidores Web dos sistemas de controle. Além disso, há a opção de verificar o status da infraestrutura de rede ou enviar um alarme automaticamente, por exemplo, quando algum equipamento da rede entrar em falha. Os dispositivos Profinet da Atração estão integrados nas redes dos controladores e têm endereços IPs próprios. Isso significa que são possíveis acessos remotos e gerenciamento baseado na Web, através de canais VPN seguros, de forma que qualquer problema em potencial possa ser rapidamente corrigido com a ajuda do fabricante holandês dos sistemas ETF Ride.
Figura 4: O conceito de automação para comunicação Wireless Fail Safe, desenvolvida em cooperação com todas as partes envolvidas se baseia na abrangência dos produtos da Siemens usando Profinet, PROFIsafe e redes Wireless.
