Modulare Sicherheitssysteme mit mehreren Controllern
Safety für die Maschinen von morgen
Ein wesentlicher Teil der Visionen von Industrie 4.0 sind Produktionsanlagen, die sich dynamisch an veränderliche Produktionserfordernisse anpassen. Voraussetzung dafür ist ein modularer Aufbau von Maschinen, Robotern und Fördereinrichtungen, da sich die Zusammenstellung während des Betriebes manchmal bedarfsweise ändert. Das bringt neue Herausforderungen an die funktionale Sicherheit zum Schutz von Mensch und Maschine mit sich.
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGMit modularem Aufbau von Hard- und Software, durchdachten Features für das Zusammenwirken mehrerer Safety Controller sowie komfortabler, grafischer Programmierumgebung bietet das S-Dias-Safety-System von Sigmatek eine Basis für die Funktionale Sicherheit 4.0. "Herkömmliche, starre Sicherheitskonzepte sind eine bedeutende Hürde auf dem Weg zur viel diskutierten Industrie 4.0", sagt Alexander Melkus, Head of Sales von Sigmatek. "Das Konzept einer hochflexiblen Fertigung mit intelligenten Produktionsmitteln, die ihre Konfiguration selbsttätig dem veränderten Bedarf anpassen, stellt neue Herausforderungen an deren funktionale Sicherheit.
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Bild: Sigmatek GmbH & Co KGEine Frage der Logik
Der andere Aspekt ist die Frage der Logik, mit der sich die sicherheitsgerichtete Sensorik auswerten und die Anlage in einen ungefährlichen Zustand bringen lässt. Sie steuert das Maschinenverhalten in sicherheitsrelevanten Sonderfällen und ist daher Teil des gesamten Steuerungskonzeptes. Dennoch behandeln sie viele Maschinenhersteller und Automatisierer historisch bedingt auch heute noch oft getrennt. "In vielen Fällen hat das Sicherheitsrelais heute noch seine Berechtigung", kommentiert Franz Aschl, Innovationsmanagement bei Sigmatek "Je komplexer Maschinen oder Anlagen werden, desto größer ist jedoch die Sinnhaftigkeit einer Sicherheitssteuerung mit Datentransport über Ethernet." Deshalb ist auf diesem Gebiet seit rund einem Jahrzehnt ein Trend zu beobachten: weg von hart verdrahteten Lösungen hin zu busintegrierten, programmierbaren Sicherheitssystemen. Sie bieten vor allem den Vorteil der einfacheren Verkabelung, da die sicheren Signale über größere Entfernungen den vorhandenen Systembus mitbenutzen. Zudem entfällt die früher oft benötigte doppelte Verdrahtung der Sicherheitssensorik, da die funktionsgerichtete Steuereinheit deren aktuellen Zustand über den gemeinsamen Bus abfragt und durch Anpassung des Steuerverhaltens und der Visualisierung, aber auch durch Kommunikation nach außen reagiert.
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGModularität ermöglichen
Die Vereinfachung der Verkabelung wirkt sich vor allem bei modular aufgebauten Maschinen aus. Ausgerüstet mit einem Safety Controller und sicheren Ein- und Ausgangsmodulen, lassen sie sich mit nur einer Kabelverbindung für den Systembus auch sicherheitstechnisch nahtlos integrieren. Mindestens ebenso wichtig ist die Programmierbarkeit, denn sie erlaubt das Bewältigen der steigenden Komplexität auf unterschiedlichen Gebieten. "Auf Basis der Signale aus unterschiedlichen Sensoren ermöglicht eine frei programmierbare Sicherheitssteuerung verschiedene sichere und halbautomatische Betriebsmodi für den Einrichtungsbetrieb oder für Wartungs- und Reinigungstätigkeiten," erklärt Aschl. Dass der Umstieg auf busbasierte, programmierbare Sicherheitssteuerungen zögerlicher erfolgt als erwartet, hat mehrere Gründe. Einer davon ist, dass Maschinen immer häufiger nicht allein arbeiten, sondern in Kombination z.B. mit Robotern oder Handhabungsgeräten, mit denen sie sicherheitstechnisch nach Möglichkeit eine Einheit bilden. Hier stellt die Vielfalt der Bussysteme eine Hürde für die Umsetzung integrierter Sicherheitssteuerungen dar. Zwar nutzen busintegrierte Sicherheitssteuerungen in der Regel das Black-Channel-Prinzip für die Datenübertragung und sind daher vom Protokoll des verwendeten Bussystems unabhängig. Ihre Datenformate sind jedoch unterschiedlich. Deshalb war es bis vor Kurzem gängige Praxis, Maschinen, Roboter und Handhabungsgeräte sicherheitstechnisch nur über Kontakte zu verbinden. Das verhindert allerdings den Austausch von Informationen als wesentliche Voraussetzung für Industrie 4.0. "An dieser Front ist Licht zu sehen, z.B. in den Euromap-Empfehlungen 78 und 79 des europäischen Komitees der Hersteller von Kunststoff- und Gummimaschinen für eine elektrische Schnittstelle zwischen Spritzgießmaschinen und externen Sicherheitseinrichtungen bzw. eine herstellerübergreifende Schnittstelle zwischen Spritzgießmaschinen und Robotern", erklärt Aschl. "Das ist ein erster Schritt in Richtung OPC UA als Kommunikationsstandard für den Informationsaustausch zwischen zusammenarbeitenden sicheren Einheiten."
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGMaschinensicherheit für Industrie 4.0
Um sich für die Herausforderungen der Industrie 4.0 zu eignen, muss die Sicherheitstechnik noch zu mehr in der Lage sein. Es ist erforderlich, dass sie bedarfsgerechte Veränderungen der Konfiguration modularer oder unterschiedlicher Maschinen innerhalb einer Zelle zulässt, etwa durch An- oder Abmelden einzelner Einheiten während des Betriebes. Ebenfalls wichtig ist die Möglichkeit, kabellos verbundene Geräte sicher zu integrieren, und die Fähigkeit, mit den damit verbundenen Sonderfällen zurechtzukommen. Darüber hinaus wird es zunehmend wichtiger, auch nachträglich Veränderungen der Gesamtkonfiguration vorzunehmen, ohne für die Anpassung der Sicherheitstechnik einen zu großen Aufwand zu treiben. "Maschinen und Anlagen für die intelligente Fabrik mit der geforderten funktionalen Sicherheit zu versehen, wird auch künftig die Aufgabe und in der Verantwortung des Maschinenherstellers bleiben", sagt Melkus. "Allerdings betrachtet Sigmatek bereits seit vielen Jahren die Sicherheitstechnik als integralen Teil seiner Automatisierungslösungen und stellt seinen Kunden daher Produkte, Werkzeuge und Knowhow zur Verfügung, mit denen sie die technische Umsetzung leichter bewältigen."
Miniaturisierung unterstützt Modularität
Die Safety-Lösung von Sigmatek ermöglicht es Maschinenherstellern, den aktuellen Sicherheitsnormen (SIL CL3, PL e, Kat. 4) entsprechende Automatisierungssysteme zu realisieren. "Auf mehreren Ebenen unterstützt es die Ausstattung zukunftsgerichteter, modularer und flexibler Maschinen für Industrie 4.0 mit Systemen für die funktionale Sicherheit", sagt Aschl. "Das beginnt bei der kleinen Bauform der Controller und I/O-Module." Die Übertragung der Daten zwischen mehreren Safety Controllern mittels Black Channel über TCP/IP ermöglicht es, kaskadierte Stand-Alone-Architekturen zu realisieren. Die modulare Sicherheitslösung für die Hutschiene besteht aus dem Safety Controller, der die Applikation überwacht bzw. steuert, und Modulen mit sicheren Ein- und Ausgängen, z.B. einem für die Auswertung von Drehgebersignalen. Die Kommunikation dazwischen erfolgt über den Systembus bzw. bei dezentralem Aufbau der Anlage über Varan oder Ethernet. Dabei sind unterschiedliche Topologien und Aufbauvarianten möglich. Mit Ausnahme des doppelt breiten Relais-Ausgangsmoduls messen alle Safety-Module der Produktfamilie 12,5x104x72mm.
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGSafety Controller kaskadieren
Das erleichtert ebenso wie eine alternative schaltschrankferne Montagemöglichkeit die sicherheitstechnische Ausstattung auch kleiner optionaler Maschinenmodule. Die sicheren I/O-Module und Antriebe lassen sich von einem zentralen Safety Controller ansprechen. Eine wesentlich weitergehende Modularität bringt jedoch die Ausstattung jeder Einheit mit einer eigenen Sicherheitssteuerung. Mit seiner schlanken Bauform und der Möglichkeit, Daten zwischen mehreren Safety Controllern auszutauschen, unterstützt das CPU-Modul SCP 111 den voll modularen Aufbau und die flexible Konfiguration komplexer Maschinen.
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGKooperation Gelb-Grau
Der Datenaustausch zwischen den Safety Controllern erfolgt einfach in Form von Schnittstellenvariablen über Netzwerk-Frames. Dabei ist jede Safety-CPU bei Bedarf in der Lage, auf die Daten der anderen zuzugreifen, sodass das System die Möglichkeit hat, auf Signale aus Sensoren ohne Zeitverlust in jedem betroffenen Teilsystem und auch übergreifend zu reagieren. Das Safety-System lässt sich zwar auch standalone einsetzen, bringt jedoch voll integriert in eine Automatisierungslösung einen größeren Nutzen. Einer der Gründe dafür ist die Möglichkeit des einfachen Datenaustausches mit der funktionsgerichteten CPU. Der Austausch erfolgt nach demselben Prinzip wie diejenige zwischen zwei Safety Controllern. Darüber hinaus greifen sowohl sichere als auch funktionsgerichtete CPUs auf die Signale aus den jeweils anderen Modulen zu, um auf dieser Basis schnell steuernd einzugreifen, und das bei Bedarf auch mit komplexen Reaktionen.
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGUnabhängig vom Netzwerktyp
Der sichere Datentransport erfolgt im Safety-System ein- oder zweikanalig über das Netzwerk. Dabei lässt sich das Echtzeit-Ethernet Varan nutzen, durch die Anwendung des Black-Channel-Prinzips aber auch jedes andere Ethernet. Während Systeme für die Maschinensicherheit eine nicht-ansprechbare Komponente üblicherweise als Schutzverletzung interpretieren und entsprechend reagieren, bietet S-DIAS die Möglichkeit, Systemteile an- und abzumelden. "Das bildet nicht nur die Grundvoraussetzung für eine flexible Rekonfiguration von Maschinen während des Betriebes, wie sie zur Umsetzung der Ideen von Industrie 4.0 erforderlich ist", erklärt Aschl. "Das ermöglicht auch den sicheren Umgang mit Systemteilen oder Teilsystemen, die kabellos - etwa per WLAN - verbunden sind." Dabei sind im Sicherheitssystem viele Eventualitäten zu berücksichtigen, z.B. dass ein Gerät außerhalb der Funkreichweite gerät.
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGFrei und ungebunden im Betrieb
Die Fähigkeiten des Systems nutzend, bietet Sigmatek das kabellose WLAN-Handbediengerät HGW 1031 demnächst auch mit Nothalttaste, Zustimmtaster und Schlüsselschalter an. "Gilt es, eine Maschine oder Anlage direkt über ein mobiles Panel zu steuern, ist die Integration einer Nothaltfunktion wichtig", sagt Aschl. "Immerhin hat ein Maschinenführer die Möglichkeit, sich mit dem Gerät in der Hand recht weit vom nächsten fix an der Maschine installierten Taster zu entfernen."
Safety-Engineering mit Klasse(n)
Mit dem Engineeringtool Lasal führte Sigmatek im Bereich der Steuerungstechnik bereits vor über 16 Jahren die objektorientierte Programmierung mit grafischer Darstellung ein. Im grafischen Editor des Lasal Safety Designers lassen sich die Funktionsblöcke sowie Ein- und Ausgänge durch Drag&Drop als grafische Einheiten aus dem Projektbaum zuordnen. Innerhalb eines Projektes können die Sicherheitsfunktionen komfortabel auf mehrere Netzwerke aufgeteilt werden. Die Bibliothek stellt Funktionsblöcke angelehnt an PLCopen, wie Emergency Stop, Two Hand Control oder Guard Locking, zur Verfügung. Durch die baukastenartige Verwendung vorgefertigter Klassenstrukturen, die wie die Komponenten TÜV-zertifiziert sind, lassen sich Fehlerquellen vermeiden und der Programmier- und Schulungsaufwand reduziert sich. Selbst komplexe Safety-Systeme lassen sich so ohne umfangreiche Programmierkenntnisse entwickeln.
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Der andere Aspekt ist die Frage der Logik, mit der sich die sicherheitsgerichtete Sensorik auswerten und die Anlage in einen ungefährlichen Zustand bringen lässt. Sie steuert das Maschinenverhalten in sicherheitsrelevanten Sonderfällen und ist daher Teil des gesamten Steuerungskonzeptes. Dennoch behandeln sie viele Maschinenhersteller und Automatisierer historisch bedingt auch heute noch oft getrennt. "In vielen Fällen hat das Sicherheitsrelais heute noch seine Berechtigung", kommentiert Franz Aschl, Innovationsmanagement bei Sigmatek "Je komplexer Maschinen oder Anlagen werden, desto größer ist jedoch die Sinnhaftigkeit einer Sicherheitssteuerung mit Datentransport über Ethernet." Deshalb ist auf diesem Gebiet seit rund einem Jahrzehnt ein Trend zu beobachten: weg von hart verdrahteten Lösungen hin zu busintegrierten, programmierbaren Sicherheitssystemen. Sie bieten vor allem den Vorteil der einfacheren Verkabelung, da die sicheren Signale über größere Entfernungen den vorhandenen Systembus mitbenutzen. Zudem entfällt die früher oft benötigte doppelte Verdrahtung der Sicherheitssensorik, da die funktionsgerichtete Steuereinheit deren aktuellen Zustand über den gemeinsamen Bus abfragt und durch Anpassung des Steuerverhaltens und der Visualisierung, aber auch durch Kommunikation nach außen reagiert.
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Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN SPS-Special 2016 - 11.11.16.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
