Ein gemeinsames Automatisierungsnetzwerk

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1 Ein gemeinsames Automatisierungsnetzwerk Verschmelzung der Sicherheitstechnik mit der Standardautomatisierung Die Einführung der funktionalen Sicherheit hat der zunehmenden Komplexität von Produktionsprozessen und gleichzeitig dem Wunsch nach Kostenoptimierung Rechnung getragen. So sind heute sicherheitsgerichtete Steuerungs- und Bussysteme Stand der Technik. Sie ermöglichen verschiedene Systemarchitekturen und bieten dabei Herstellern, Integratoren und Anwendern unterschiedliche Vorteile. Aber erst eine gesamtheitliche Betrachtung zeigt ihr mögliches Potenzial. Die schnelle Entwicklung in der Automatisierungstechnik hat durch Mikrocontroller, Software und Feldbustechnologie große Fortschritte bei Effizienz und Flexibilität erzielt. Die sicherheitsgerichtete Automatisierungstechnik war bis vor Kurzem durch ihre Abhängigkeit von etablierten Standards bei der Nutzung derartiger Innovationen stark gebremst. So war bis vor 10 Jahren in vielen Bereichen der Fertigungsindustrie die Nutzung von sicherheitsgerichteten Steuerungen fast undenkbar. Angesichts der millionenfachen Bewährung der neuen Technologien stieg jedoch zunehmend die Bereitschaft zu deren Berücksichtigung in den Normen und Standards. Unterstützt wurde das Umdenken durch den internationalen Basis-Standard für funktionale Sicherheit IEC Dieser beschreibt Maßnahmen zur Fehlererkennung und zum Fehlermanagement sowie die Schritte einer systematischen Entwicklung, die auch den Bedürfnissen der sicheren Kommunikation gerecht werden. Damit stand der Entwicklung fehlersicherer Automatisierungs- und Bussysteme nichts mehr im Wege. Unabhängig davon, ob ein proprietärer oder Protokoll-basierender Sicherheitsbus eingesetzt wird, erfolgt der Datenaustausch zwischen sicherheitsgerichteter Steuerung und fehlersicheren Peripheriegeräten nach den Anforderungen der funktionalen Sicherheit. Dabei werden alle zu erwartenden Kommunikationsfehler, wie u. a. bei Verlust, Verdoppelung, Verfälschung von Telegrammen, erkannt und im Zusammenspiel mit den sicheren Komponenten beherrscht. Vom Feldbus zum sicheren Automatisierungsnetzwerk Sicherheitsgerichtete Bussysteme ermöglichen die dezentrale Automatisierung von Sicherheitsfunktionen und erschließen dem Anwender die Vorteile und Optimierungsmöglichkeiten der Standard-Automatisierung auch für die Sicherheit. Dabei geht es nicht nur um die Reduzierung der Verdrahtung, der Komponenten und des Platzbedarfs, sondern auch um bessere Flexibilität in der Planung und Realisierung einer Maschine bzw. des Produktionsprozesses und eine höhere Verfügbarkeit im Betrieb. Was nützen starre Sicherheitseinrichtungen und Abschaltungen, wenn diese in der betrieblichen Praxis überbrückt werden, um etwa die Taktzahl zu erhöhen oder eine Maschine einzurichten? Ein modernes Sicherheitskonzept kann auf den Produktionsprozess und das Handling einer Maschine angepasst werden. Sichere Automatisierungssysteme ermöglichen dabei Seite 1/6 VDMA-INFOTAG PROGRAMMIERBARE SICHERHEIT,

2 die schnelle und kostengünstige Realisierung neuer Sicherheitsfunktionen, die die Wartung, Inbetriebsetzung und Instandhaltung unterstützen und nicht behindern. Bild PROFIsafe: Profisafe ist das erste Sicherheitsprotokoll, das nach der IEC entwickelt und zertifiziert wurde. Das Profil erlaubt den gleichzeitigen Transport von Standard- und sicherheitsgerichteten Daten über ein Feldbussystem. Profibus und Profinet haben als erste offene Feldbusse die Standard- und sicherheitsgerichtete Automatisierungstechnik vereint und erschließen damit dem Anwender ein großes Rationalisierungspotenzial und unzählige neue Funktionen auch für Sicherheitsfunktionen. Zur Realisierung der Sicherheitsfunktionen müssen sichere EA-Baugruppen oder Feldgeräte nur dort platziert werden, wo sie zum Einlesen von sicherheitsgerichteten Signalen und zum sicheren Abschalten oder Stillsetzen von Aktoren benötigt werden. Die Zuordnung von Sensorik und Aktorik, gemäß spezifizierten Sicherheitsfunktionen, erfolgt nicht mehr hardwareverdrahtet, sondern flexibel per Programmierung oder Parametrierung in der Sicherheitsteuerung. Dies ermöglicht die einfache Implementierung der Sicherheitsfunktionen auch in Abhängigkeit von der aktiven Betriebart, Position oder Sicherheitsanforderung. Im Fall einer Anlagenmodifikation, eines Retrofit oder einer Erweiterung lässt sich das Sicherheitskonzept durch programmierte oder parametrierte Schutzfunktionen schnell an das Maschinenkonzept anpassen. Antriebe und Motoren spielen eine Schlüsselrolle in der neuen Sicherheitstechnik. Bisher war die Trennung der Stromzufuhr die einzig mögliche Maßnahme zum sicheren Stillsetzen. Entsprechend schwierig konnte sich wegen des dann undefinierten Maschinen- oder Anlagenzustandes der Wiederanlauf gestalten. Heute ermöglichen in die Antriebssteuerungen integrierte und über den Feldbus ansteuerbare Sicherheitsfunktionen ein wesentlich flexibleres Vorgehen durch Einsatz verschiedener Stopp- und Überwachungsfunktionen, wie z. B. sichere Halt oder sichere reduzierte Geschwindigkeit, ohne die Maschine abschalten zu müssen. Intelligente Sensoren wie z. B. Laserscanner passen optimal zu den sicheren Antrieben: Bei Annäherung von Personen erfolgt zunächst nur eine Produktionsverlangsamung und Warnung, erst bei Eindringen in das Schutzfeld die Abschaltung. Ebenso kann für bewegliche Maschinen oder Maschinenteile das Einleiten der Funktionen in Abhängigkeit ihrer Lage oder Position sicher erfolgen. Seite 2/6 VDMA-INFOTAG PROGRAMMIERBARE SICHERHEIT,

3 Die Integration dieser Funktionen erlaubt die bessere Koordination von Standardund Sicherheitsteil und damit eine einfachere Handhabung. Über die Busanschaltung auslesbare integrierte Diagnosen und Prozesszustände lassen sich einfach am Engineering- oder Bediensystem zur Anzeige bringen. Dies unterstützt somit Inbetriebsetzung, Wartung und den laufenden Betrieb im Vergleich zu klassischen Sicherheitsschaltgeräten, mit fester Verdrahtung. Weiterhin sind der Verteilung der Intelligenz sind keine Grenzen gesetzt, sofern die sicheren Steuerungssysteme den sicherheitsgerichteten Datenaustausch über das Netzwerk unterstützen. Dies gilt besonders für größere oder modulare Maschinen. Sicherheitsfunktionen sind oft nicht auf den Wirkbereich einer Maschinensteuerung begrenzt. Zu dem können diese sich je nach Betriebsart auf Teile oder das gesamte Produktionssystem erstrecken. Hierzu müssen die Steuerungen in der Lage sein, sicherheitsgerichtete Signale über das Netzwerk fehlersicher auszutauschen zu können. Systemarchitekturen Fehlersichere Steuerungen und Bussysteme bieten verschiedene Möglichkeiten, die Sicherheit in der Automatisierung zu realisieren. Dabei spielt die sichere Kommunikation eine wichtige Rolle, ob sicherheitsrelevante Daten nur auf einem proprietären oder auch auf dem Standardbussystem übertragen werden können. Die klassische Variante ist die strikte bauliche Trennung der Sicherheit von der Standardautomatisierung. Innovative Varianten integrieren jedoch das Sicherheitssystem in die Automatisierung. Dies kann von einem gemeinsam genutzten Netzwerk bis hin zu einem insgesamt sicher ausgelegten Automatisierungssystem reichen. Unabhängig von der Verteilung der Intelligenz auf ein zentrales oder dezentrales Steuerungssystem kann man zwischen drei abgestuften Systemsarchitekturen unterscheiden. Die Architekturen bieten verschiedene Vorteile für Hersteller, Integratoren und Betreiber von Maschinen. Trennung der Sicherheits- von der Standardautomation Bild Systemarchitektur 1 Klassische Trennung von Automatisierung und Sicherheit bietet die herstellerunabhängige Wahl des Sicherheits- und Standardsystems. Beide Systeme können unabhängig von einander behandelt werden. Seite 3/6 VDMA-INFOTAG PROGRAMMIERBARE SICHERHEIT,

4 Nahe zur klassischen Sicherheitsrelaistechnik werden sicherheitsgerichtete und Standardkomponenten funktional und baulich getrennt installiert. Die eigenständigen Steuerungen und deren Peripheriegeräte sind jeweils einem separaten Bussystem zugeordnet. Die Vorzüge dieser Variante liegen in der funktionellen und baulichen Trennung der Sicherheit und in der herstellerunabhängigen Wahl des Sicherheits- und Standardsystems. Beide Systeme können unabhängig voneinander behandelt werden. Zum Austausch gemeinsam genutzter Daten, wie z. B. für Diagnose oder Prozesssignale, müssen zugehörige Schnittstellen vorhanden sein und die Daten entsprechend aufbereitet werden. Sicherheits- und Standardautomatisierung auf einem Bus Sicherheits- und Standardkomponenten werden funktional voneinander getrennt installiert. Die eigenständigen Steuerungen, Peripheriebaugruppen und Feldgeräte sind über ein gemeinsames Bussystem vernetzt. Das bedeutet, sichere sowie nichtsichere Ein- und Ausgangssignale werden über eine Busleitung übertragen. Auch in dieser Architektur ist eine bauliche Trennung der Sicherheits- und Standardkomponenten möglich und somit die unabhängige Wahl und Behandlung des Sicherheits- und des Standardsystems. Die Nutzung des gemeinsamen Netzwerkes bietet den Vorteil, das Komponenten, Installation und Aufwendungen für das separate Bussystem nicht mehr notwendig sind. Gleichfalls kann auf Schnittstellen zum Austausch gemeinsam genutzter Signale verzichtet werden, wenn die Kommunikation über die vorhandenen Busschnittstellen erfolgt. Die Verwendung eines gemeinsamen Bussystems erleichtert den Zugriff auf Prozesssignale und Diagnosen der dezentralen Peripheriegeräte. Bild Systemarchitektur 2: Automatisierung und Sicherheit getrennt an einem Bussystem ermöglicht die herstellerunabhängige Wahl beider Systeme bei reduzierten Aufwendungen für die Kommunikation. Seite 4/6 VDMA-INFOTAG PROGRAMMIERBARE SICHERHEIT,

5 Ein Sicherheits- und Standardautomatisierungssystem Diese Architektur basiert auf der Integration der Sicherheit in das Automatisierungssystem. Standardautomatisierung und Sicherheit sind funktional getrennt. Auf einer Steuerung werden sowohl Prozess- als auch Sicherheitsfunktionen ausgeführt. Fehlersichere und Standardperipheriebaugruppen können im selben konstruktiven Aufbau gemeinsam betrieben werde, d. h. sowohl in den Stationen als auch am gleichen Bussystem. Die Nutzung eines gemeinsamen Netzwerkes in Kombination mit einem durchgängigen Automatisierungssystem bietet das größte Einsparungspotenzial für Hardwarekomponenten, Verdrahtung und Einbauplatz. Die Möglichkeit, auf einem Busteilnehmer Standardautomatisierung und Sicherheit in Kombination zu betreiben, verringert zudem die Anzahl der notwendigen dezentralen Stationen, Busanschaltungen und Baugruppen. Fehlersichere Baugruppen werden nur dort eingesetzt, wo sie zur Überwachung und Ausführung der Sicherheitsfunktionen notwendig sind. Nicht sicherheitsrelevante Signale wie Bedien-, Betriebssignale etc. können an Standardbaugruppen angeschlossen werden. Eine einheitliche Plattform für Projektierung und Programmierung, durchgängige Datenhaltung und Kommunikation vereinfachen das Engineering der Sicherheitsfunktionen und erleichtert die Koordination zwischen Standard- und Sicherheitsfunktionen, inklusive der Diagnose und Visualisierung. Die Koexistenz von zwei unterschiedlichen Technologien mit all den Nachteilen wie spezieller Schulung bzw. Training, zusätzlicher Installation, Ersatzteilhaltung, Integrationsproblemen, unterschiedlichem Engineering etc. bleibt dem Anwender erspart. Bild Systemarchitektur 3: Ein gemeinsames Bussystem in Kombination mit einem durchgängigen Automatisierungssystem bietet das größte Einsparungspotenzial und vereinfacht zu dem das Engineering für Sicherheit und Standard. Seite 5/6 VDMA-INFOTAG PROGRAMMIERBARE SICHERHEIT,

6 Sichere Investition Neben allen bisher genannten, strukturorientierten Entscheidungskriterien sollte ein weiterer Punkt nicht unerwähnt bleiben: Für den Anwender ist es wichtig, dass er seine Investition in eine zukunftssichere Automatisierungs- und Netzwerktechnologie tätigt. Dabei können Protokoll-basierende Sicherheitsbusse die richtige Wahl sein, da diese auf Grund des Black-Channel-Prinzips keine Einschränkung für die Automatisierung haben. Technische Weiterentwicklungen, wie Ethernet, WLAN etc. können auch für die sichere Automatisierung genutzt werden. Die aktuelle Änderung der Normenlage weckt bei vielen Maschinenherstellern und Betreibern von Maschinen das Bewusstsein, ihr bisheriges Sicherheitskonzept zu überprüfen. Eine Neuausrichtung hin zu einem intelligenten Konzept kann ihnen neue Marktchancen bieten und bisherige Wettbewerbsvorteile sichern. Bild Safety Integrated: Safety Integrated ist die konsequente Umsetzung von Sicherheitstechnik im Sinne von Totally Integrated Automation. Sicherheitstechnische Funktionen sind direkt in die Standardprodukte integriert und bieten durchgängige sowie komfortable Einbindung in die Standardautomatisierung. Das birgt vielfältige Vorteile für Maschinenhersteller wie Anlagenbetreiber. Vor allem in wirtschaftlicher Hinsicht Siemens AG Martin Gottwald Gleiwitzer Straße Nürnberg GERMANY Seite 6/6 VDMA-INFOTAG PROGRAMMIERBARE SICHERHEIT,

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