Flexible Automatisierungslösungen für dezentrale zeitkritische Sicherheitsanwendungen

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1 Flexible Automatisierungslösungen für dezentrale zeitkritische Sicherheitsanwendungen Komplexe Automatisierungsaufgaben werden immer in einzelne Teilbereiche oder Bearbeitungsschritte aufgeteilt. Diese Prozesse erfordern je nach Teilbereich unterschiedliche Reaktionszeiten für die sichere Funktion der Anlage. Aufgrund der bisher stark beschränkten Leistungsfähigkeit der bestehenden sicheren Bussysteme ist die Anzahl der Busteilnehmer und der Umfang der zu übertragenden Daten stark eingeschränkt. Da die erforderliche Reaktionszeit aufgrund der Einschränkungen der Bussysteme nur schwer realisierbar ist, müssen häufig Anschluss und Verarbeitung von zeitkritischen sicheren Funktionen auf der gleichen Steuerung stattfinden. Heute eingeschränkte Leistungsfähigkeit Dies führt zu Systemstrukturen, welche zusätzliche Aufwände in der Planung erfordern. So werden für die sichere Automatisierung schrittweiser Prozesse häufig getrennte Sicherheitskonzepte für die einzelnen Teilbereiche eingesetzt, um die von dem Teilprozess geforderten Anforderungen an die Reaktionszeit zu erfüllen. Für übergeordnete Steuerungsfunktionen ist oft noch eine zusätzliche zentrale Sicherheitssteuerung notwendig. Zusätzliche Aufwände bei Planung und Erweiterung des Sicherheitskonzeptes sind die Folge dieser nur schwer überschaubaren Systemgrenzen und der daraus entstehenden unflexiblen Strukturen. SAFETY CONSULTING PROJEKT- MANAGEMENT HARDWARE Safety Element SOFTWARE SCHULUNG Der Einfluss des Buskonzeptes wird bei der Berechnung der Reaktionszeit (worst case) eines dezentral aufgebauten Sicherheitssystems deutlich (siehe Bild 1). Dabei geht die Buslaufzeit grundsätzlich für die Berechnung der Reaktionszeit dezentraler Systeme mit dem Faktor 4 in die Berechnung ein. Daraus resultiert, dass zukünftige Sicherheitssysteme neben schnellen Steuerungen auch ein schnelles Buskonzept benötigen, um die Anforderungen nach Flexibilität bei gleichzeitiger Reaktionsschnelligkeit zu erfüllen. Mit HIMatrix höchste Flexibilität bei schnellsten Reaktionszeiten SERVICE HIMA Paul Hildebrandt GmbH + Co KG Industrie-Automatisierung Postfach Telefon: ( ) Telefax: ( ) info@hima.com Internet: Seite 1/5

2 Bild 1 Reaktionsprinzip eines dezentralen Systems: Reaktionsprinzip bei einer dezentralen Automatisierungsstruktur mit zentraler Verarbeitung der sicheren Funktion. Lösungen mit gängigen Feldbussen sind hier nur Stand der Technik und bieten nicht das notwendige Zukunftspotenzial für solche Anwendungen. Zukünftig wird daher auch für die sichere Kommunikation Ethernet als Basis verwendet werden, um dieses Problem zu beseitigen. Durch speziell für zeitkritische Automatisierungsaufgaben ausgelegte Sicherheitssysteme wird diese Problematik gelöst. Der Einsatz von schnellen dezentralen Sicherheitssteuerungen in Verbindung mit einer sicheren Kommunikation auf Basis von Ethernet führt zu einem wesentlich leistungsfähigeren Gesamtsystem. Damit verschwinden die bisher bestehenden Systemgrenzen und schaffen Raum für anwendungsorientierte Sicherheitslösungen. SafeEthernet durchbricht bestehende Systemgrenzen Die Gewährleistung der Reaktionszeit ermöglicht flexible Systemstrukturen für die dezentrale Automatisierung. Je nach Anforderung kann die Intelligenz wahlweise zentral oder dezentral auf die Teilnehmer innerhalb des Sicherheitsnetzwerkes verteilt werden. Die Konzentration der intelligenten Verarbeitung in einer zentralen Steuerung oder der Aufbau paralleler Strukturen wird damit überflüssig. Zeitkritische Sicherheitsfunktionen wie Not-Aus-Verriegelung und Schutzgitter-Überwachung können damit mit einem einzigen anlagenweiten Sicherheitssystem realisiert werden (siehe Bild 2). Aufgrund der hohen Performance sind keine weiteren übergeordneten Strukturen mehr notwendig! Wegfall übergeordneter Systemstrukturen Seite 2/5

3 Bild 2 Flexible dezentrale Automatisierung mit HIMatrix: Flexible anlagenorientierte Systemstrukturen mit HIMatrix. Durch den Wegfall der Systemgrenzen kann sich die Planung auf den zu steuernden Prozess konzentrieren. Dies führt zu optimalen Automatisierungslösungen. Gleichzeitig erhöht das schnellere Gesamtsystem die Produktivität bei weniger Platzbedarf durch verringerte Schutzbereiche. Mit dem Einsatz dezentraler intelligenter Steuerungen kann zusätzlich die Anlagenverfügbarkeit schrittweiser Prozesse wie z. B. Pressenstraßen oder Gussverarbeitung wesentlich erhöht werden. Eine Störung des Netzwerkes oder einzelner Teilnehmer wirkt sich damit nur auf begrenzte Teilbereiche des Prozesses aus. Gleichzeitig werden die Kosten für die Verdrahtung und das Schaltschrankvolumen reduziert. Kostenoptimierung durch dezentrale intelligente Steuerungskonzepte Der Datenaustausch aller Teilnehmer über das Netzwerk ist dabei frei konfigurierbar. Dies erhöht die Flexibilität bei Änderungen in der Planungsphase und zukünftigen Erweiterungen des Systems. Sichere und nicht sichere Datenübertragung können parallel auf einem Standard Ethernet Netzwerk übertragen werden. Daraus resultieren weitere Vorteile wie Einsparung von Parallel-Verdrahtung und Verlegung verschiedener Netzwerke sowie ein einheitliches Vernetzungskonzept in der gesamten Anlage. Seite 3/5

4 Die Programmierung der verteilten Intelligenz ist zentral von jedem beliebigen Netzwerkknoten oder via Datenfernübertragung (Teleservice) möglich. Das dezentrale System kann so Anlagenweit über das bestehende Ethernet Netzwerk komfortabel und übersichtlich programmiert, konfiguriert und überwacht werden. Von diesen Systemvorteilen profitiert der Anwender während der gesamten Lebensdauer seiner Anlage: Bei Planung, Projektierung, Installation, Inbetriebnahme, Wartung und Erweiterung der Anlage. Programmier-Tool nach IEC zertifiziert Alle Sicherheitssteuerungen der HIMatrix Familie zeichnen sich durch ihre hohe Prozessorleistung aus. Damit sind Zykluszeiten von kleiner gleich 10ms auch in der vollen Ausbaustufe möglich (bzw. für 1k Programm ca. 0,02ms). Werden diese Steuerungen noch über die auf Ethernet basierende sichere Kommunikation SafeEthernet vernetzt, können sichere Daten schnell und flexibel zwischen allen Teilnehmern ausgetauscht werden. Durch die Verwendung von SafeEthernet entsteht ein großer Vorteil gegenüber anderen sicheren Bussystemen in Bezug auf die damit erreichbare Reaktionszeit des Gesamtsystems. Aus diesem Grund können mit HIMatrix Systemen auch schnelle zeitkritische Anwendungen mit einer dezentralen Struktur gelöst werden. Dabei besteht keine Restriktion an die Anzahl der sicheren Teilnehmer im Netzwerk und den Umfang der zu übertragenden sicheren Daten um die erforderliche Reaktionszeit zu erfüllen. Ein separates Sicherheitsnetzwerk ist hierfür nicht notwendig. Durch einstellbare Netzwerkprofile, kann SafeEthernet über jedes Ethernet- und FastEthernet-Netzwerk nach IEEE802.3 sicherheitsgerichtet Daten zwischen den zertifizierten HIMA Systemen austauschen. Auf einem Standard Ethernet-Netzwerk werden so sichere und nicht sichere Daten parallel übertragen. Damit ist ein dualer Betrieb von nicht sicherheitsgerichteten Systemen am gleichen Netzwerk ohne Einschränkung der Sicherheit möglich. Die HIMatrix Sicherheitslösung ist schon nach der zukünftigen Sicherheitsnorm der Industrieautomatisierung IEC61508 bis SIL 3, der noch bestehenden DIN bis AK 6 und der EN954 bis Kat.4 zertifiziert. Seite 4/5

5 Die Kommunikation der sicheren Systeme zur Leitebene oder Visualisierung erfolgt über das Ethernet-Protokoll OPC. Der Datenaustausch zwischen sicheren und nicht sicheren Systemen in der Steuerungsebene (Querkommunikation) kann über einen Feldbus realisiert werden. Der Einsatz der Programmiersoftware ELOP-II Factory ist von jedem beliebigen Netzwerkknoten oder via Datenfernübertragung (Teleservice) möglich. Mit ihr können Anlagenweit über das bestehende Ethernet Netzwerk alle dezentralen Sicherheitssteuerungen programmiert, konfiguriert und überwacht werden. Das zertifizierte Betriebssystem der HIMatrix Systemfamilie enthält eine sichere Benutzerverwaltung (Security-Tool). Damit ist der Zugriffsschutz von nicht autorisierten Personen oder Systemen gewährleistet. Die Vorteile der mit HIMatrix möglichen Automatisierungsstrukturen werden bereits bei der Herstellung von Guss Fahrwerkteilen der GOLF V Plattform bei ThyssenKruppRautenbachCastings GmbH unter Beweis gestellt. Dort wird das HIMatrix System für die Realisierung der übergeordneten Sicherheitsfunktionen einer schrittweisen Bearbeitung eingesetzt. Als Systemstruktur wurde aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit ein dezentrales Netzwerk mit zentraler Verarbeitung der sicheren Funktion ausgewählt. Die sichere Kommunikation wird in das bestehende Ethernet Netzwerk integriert. Auf diese Weise werden die notwendigen Bussysteme auf ein gemeinsames Ethernet Netzwerk minimiert. Dieses Netzwerk dient gleichzeitig zur Übertragung normaler und sicherer Daten per OPC und SafeEthernet, sowie zur Programmierung und Fernwartung der angeschlossenen HIMatrix Steuerungen über eine DSL Anbindung. Security Management HIMatrix Steuerungen im Einsatz Seite 5/5