Integration Sicherheitstechnik Pro und Kontra. Dipl.-Ing. Jürgen Tiekötter

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1 Integration Sicherheitstechnik Pro und Kontra Dipl.-Ing. Jürgen Tiekötter

2 Gliederung Einleitung Wesentliche Entscheidungskriterien Abläufe im Sicherheitssystem Gruppierung von Sicherheitssystemen Integration / Trennung Vor- und Nachteile Entscheidungshilfe Zusammenfassung Folie 2

3 Integration ein modernes Schlagwort Integrierte Sicherheitstechnik Trennung zwischen Sicherheitssystem und Basissystem SIS und BPCS als Einheit SIS BPCS Folie 3

4 Integrierte Sicherheitstechnik - Ja oder nein? BPCS SIS Proprietäre Busse Hybride Bussysteme E VDE 0810/ IEC61511 Wie entscheide ich mich NE97 Prozessfehlertoleranzzeit Lifecycle- Management Schutzeinrichtung VDE 0803/ IEC61508 Fehlerreaktionszeit Fehlererkennungszeit Rückwirkungsfreiheit Das Chaos der Begriffe behindert den Blick auf das Wesentliche! Folie 4

5 Wesentliche Entscheidungskriterien Kosten Integrierte Sicherheitstechnik Trennung SIS und BPCS Technische Kriterien Personelle und Organisatorische Kriterien Folie 5

6 PLT-Schutzeinrichtungen Prozessgröße PLT- Schutzeinrichtung Vermeidung von Personenschäden, Umweltschäden, größeren Sachschäden, ernster Gefahr gem. Störfall V Nichtbestimmungsgemäßer Betrieb Unzulässiger Fehlbereich andere Schutzeinrichtung spricht an PLT- Schutzeinrichtung spricht an Grenzwert der Schutzeinrichtung PLT- Überwachungseinrichtung PLT- Betriebseinrichtung Vermeidung des Ansprechens von Schutzeinrichtungen Erhöhte Aufmerksamkeit erforderlich Produktrelevante Aufgaben - Messen - Steuern - Regeln Bestimmungsgemäßer Betrieb Zulässiger Fehlbereich Gutbereich PLT- Über wachungseinrichtung spricht an Grenzwert der Überwachungseinrichtung Zeit Quelle: VDI/VDE2180, Blatt 1 Ampelbild Folie 6

7 PLT-Schutzeinrichtungen Unzulässiger Fehlbereich Fehlererkennungszeit Auslösezeit Zeit Wirksamwerden der Schutzmaßnahme Auch Zeit für interne Selbstüberwachung (je nach Hersteller auch Fehlersicherheitszeit) Schaltzeiten von Kontakten, Magnetventilen, Ventilschaltzeiten Reaktion der Anlage auf die Auslösung Grenzwert der Schutzeinrichtung Prozessfehlertoleranzzeit Zeit Folie 7

8 Fehlererkennungszeit in der SSPS Programmabbild Eingang Zykluszeit Programmabbild Ausgang 1. Zyklus 2. Zyklus PAE Logik abarbeiten A = 1 PAA PAE Logik abarbeiten A = 0 PAA Signalumschlag (1 0) an E 1 & E 1 E Fehlererkennungszeit des Systems z.b. 1s & E 1 E Signalumschlag (1 0) an A Folie 8

9 Abläufe innnerhalb eines SSPS-Zyklus Bussystem mit Remote I/O CPU Aufruf Betriebssystem Interne Testzyklen HW-Treiber PAE Logik PAA Zykluszeit Folie 9

10 Signalfluss bei SSPS mit BUS E/A-Baugruppe (mit CPU) BUS-Anschaltbaugruppen (mit CPU) Eingang Rückwandbus der Remote I/O Anschaltung Anschaltung PAE SSPS Logik Zeit Folie 10

11 Signalfluss bei SSPS mit BUS BUS-Anschaltbaugruppen (mit CPU) E/A-Baugruppe (mit CPU) Anschaltung Rückwandbus der Remote I/O Ausgang Logik SSPS PAA Anschaltung Zeit Folie 11

12 VPS (E-E) E) SIS Sensorik VPS (E-E) BPCS Aktorik Meldungen rückwirkungsfrei entkoppelt (Hardware) Folie 12

13 SSPS (PES) SIS Sensorik E-Karte SSPS (PES) A-Karte C O M BPCS Aktorik rückwirkungsfrei entkoppelt Folie 13

14 SIS mit mehreren SSPSen (proprietärer rer Bus) SIS Sensorik Sensorik Remote I/O BUS-Anschaltung E-Karte SSPS 2 C O M C O M SSPS 1 C O M BPCS BUS-Anschaltung A-Karte Remote I/O Aktorik schneller proprietärer Bus Aktorik rückwirkungsfrei entkoppelt Folie 14

15 SIS mit mehreren SSPSen (Safe Ethernet) SIS Sensorik Remote I/O BUS-Anschaltung SSPS 2 BUS-Anschaltung C O M schneller Hybridbus (Safe Ethernet) Remote I/O C O M BUS-Anschaltung SSPS 1 BUS-Anschaltung Remote I/O Aktorik C O M rückwirkungsfrei entkoppelt BPCS Folie 15

16 SIS mit mehreren SSPSen (ProfiSafe) SIS Sensorik Remote I/O BUS-Anschaltung SSPS 2 BUS-Anschaltung C O M schneller Hybridbus (ProfiSafe) Remote I/O C O M BUS-Anschaltung SSPS 1 BUS-Anschaltung Remote I/O Aktorik C O M rückwirkungsfrei entkoppelt BPCS Folie 16

17 Integriertes System (SIS und BPCS) SIS SIS-Sensorik BPCS BPCS-Sensorik Remote I/O BUS-Anschaltung BUS-Anschaltung Remote I/O Rückwirkungsfreie Konvertierungsbausteine SIS-Aktorik BPCS-Aktorik Folie 17

18 Fehlererkennungszeiten SIS-Gruppen Hardwarelösung (VPS) Proprietäre Busse und/oder SSPS (für MB geeignet) Hybridbus und/oder SSPS (für VT geeignet) Integriertes System (SIS und BPCS als Einheit) 0 100ms 500ms 1s Einfluss durch Busstruktur und Programmstruktur (Qualifikation des Programmierers oder zeitliche Belastung durch Berechnungen, Auslegung als hochverfügbares System kann zu Lasten der Fehlererkennungszeit gehen.) Folie 18

19 Integration - Vorteile alles aus einer Hand (von einem Hersteller) keine Schnittstellenprobleme gleiche Technik, keine separate Spezialhardware Hardware-Engineering einfacher realisierbar auf einem Engineeringtool ist die gesamte Logik/Funktion erstellbar, erkennbar und änderbar (Zugriffsberechtigung vorausgesetzt) Folie 19

20 Integration - Vorteile Engineeringaufwand geringer als bei Trennung Vorsicht: spezielles Know-how und Erfahrung für SIS- Engineering notwendig Schrittkettenprogrammierung einfacher machbar, weil kein doppelter Aufbau in BPCS und SIS Schnelle Programmänderungen Einfache Fehlersuche durch übersichtliche Darstellung in einem Engineering-Tool (komfortable Querverweise) Folie 20

21 Integration - Nachteile Sicherheitsmanagement nach IEC61511 aufwendig System von Verfahrens- und Arbeitsanweisungen für den Lifecycle aufwendig Zugriffsberechtigungen (Passwortschutz) Differenzläufe regeln (BPCS und SIS) Datensicherung regeln lange Fehlererkennungszeit schränkt die sicherheitstechnische Verwendbarkeit ein speziell geschultes Personal notwendig Planung / Programmierung Änderungen am Busstrang können zu unverhofften Verfügbarkeitsproblemen führen Folie 21

22 Trennung - Vorteile Sicherheitsmanagement nach IEC61511 einfacher eindeutige Zuordnung Prüfung SW, HW, Funktion erstmalig und wiederkehrend Änderungen unbewusste Fehlprogrammierung des SIS unwahrscheinlich Folie 22

23 Trennung - Nachteil Separate Hersteller SIS - BPCS Spezialhardware notwendig Hardwareengineering aufwendig Höhere Kosten als bei integriertem System Separates Schulungsprogramm für Programmierer Komplexe Fehlersuche bei Störungen fehlende Übersichtlichkeit Folie 23

24 Entscheidungsfindung Integration Sicherheitstechnik Frage: Verwende ich integrierte Sicherheitstechnik? VT oder Maschinenbau? MB getrenntes System VT Interdisziplinäre Zeitbetrachtung der Prozessfehlertoleranzzeit Wie lang darf Fehlererkennungszeit maximal sein? ca. 500ms < ca. 500ms nein Eignung des vorausgewählten Systems prüfen durch Berechnung der Fehlererkennungszeit (Busstruktur, Logik, Berechnungen) Fehlererkennungszeit Unterschreitung der max. Fehlererkennungszeit? ja getrenntes System möglich integriertes System möglich Folie 24

25 Zusammenfassung Abgesehen von Kosten und personellen und organisatorischen Randbedingungen: Das entscheidende Kriterium für den Einsatz Integrierter Sicherheitstechnik ist, ob die Fehlererkennungszeit des Systems den sicherheitstechnischen Anforderungen der Anlage genügt. Interdisziplinäre Zeitbetrachtung notwendig! Folie 25

26 Vielen Dank! Haben Sie noch Fragen? Folie 26

27 Struktur der Software (nach pren ) 1) Software (SW) Anwender-SW System-SW Standard- Funktionsbausteine (nur Paramentrierung) Anlagen-spezifische SW (individuell programmiert) Compiler/ Interpreter Test-SW (zur Fehlerkennung) Funktionale SW Betriebssystem Folie 27

28 ISO-Modell Safety- Protokollzellen 7 Application layer Anwendungsfunktionen Backup Read/Write Start/Stop File Transfer 2 Data link layer 1 Physical-layer Zugriffsverfahren Gesicherte Übertragung Physik der Übertragungsstrecke CRC-Check CSMA/CD Token Koax/Triaxkabel LWL-Kabel 2-Draht-Leitung Folie 28

29 Sicherheit am Hybridbus (z.b. ProfiSafe) Safety Eingang Safety Control Safety Ausgang Standard- I /O Safety- Protokollteil im Layer 7 Safety- Protokollteil im Layer 7 Safety- Protokollteil im Layer 7 Standard Control Standard-Layer 1-7: Elektronik, Zugriffsverfahren, Kabel, etc sind nicht sicherheitsrelevant Nicht sicherheitsgerichtete Funktionen des BPCS Sicherheitsteil des Hybrid-BUS: Sicherheitsgerichtetes Kommunikationssystem: Adressierung, Watch Dog Timers, Lfd. Nummer, Signatur, etc. Sicherheitsrelevant, aber nicht Teil des BUS-Profils: Safety I/O und Sicherheitsfunktionen Folie 29

30 S7-400F/FH Prüfung der Software-Ebenen Backup Zeitüberwachung / Diversität anstelle von struktureller Redundanz Operatoren A, B Operation C Ausgang UND Diversitäre Operatoren Codierung /A, /B ODER Diversitäre Operation Vergleich D = /C F-Stop wenn D /C Diversitärer Ausgang Zeitüberwachung Zeit Folie 30

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