infodirect ein Service von IEE Lösungskonzept Profibus Safety, Stefan Schaan, Gruppenleiter im Produktmanagement für F/H-Systeme und CBA Simatic Safety Integrated: Pressensicherheit aus einem Guss Die von Siemens entwickelte Automatisierungslösung setzt auf die Verarbeitung fehlersicherer und nicht-fehlersicherer Signale auf einem Controller und über einen Bus sowie auf gemischte, exakt an die Aufgabe angepasste dezentrale Peripherie. Die drei Controller der Anlage sind fehlersicher miteinander gekoppelt. Das Engineering-Tool beinhaltet vom TÜV zertifizierte Pressensicherheitsbausteine und wird wie das Standardsystem gehandhabt, was langwieriges Umlernen erspart. Siemens Automation and Drives bietet mit dem Sicherheitsprogramm Simatic Safety Integrated seit Jahren schon ein durchgängiges Spektrum aufeinander abgestimmter fehlersicherer Komponenten, zugeschnitten für die Bereiche Prozessautomatisierung und Fabrikautomatisierung. Von performanten Controllern für einfache bis anspruchsvollste Aufgaben über dezentrale Steuerungsperipherie bis hin zu sicherheitsgerichteter Aktorik und Sensorik. Verbindende Klammer sind die Feldbussysteme Profibus DP bzw. Profinet und der fehlersichere Signalaustausch über das von der PNO entwickelte Profisafe-Profil. Das optionale Engineeringpaket für fehlersichere Komponenten ist voll eingebunden in die Step 7-Plattform und setzt auf die in der Fabrikautomatisierung etablierten Sprachen FUP (Funktionsplan) und KOP (Kontaktplan). Sämtliche Komponenten erfüllen die aktuellen Sicherheitsnormen wie IEC 61508 (bis SIL3), EN 954-1 (bis Kat.4), die relevanten US-Normen NFPA 79-2002, NFPA 85, UL 1998, UL 508 und UL 991 sowie die Pressennormen EN 692, EN 693 und EN 12622. Sie sind außerdem vom TÜV zertifiziert. Hard- und Software für alle Aufgaben Aus diesem Spektrum hat Siemens an die unterschiedlich anspruchsvollen Aufgaben der Anlage angepasste Controller ausgewählt. Als übergeordnete Master- oder Liniensteuerung fungiert eine für den oberen Leistungsbereich konzipierte Simatic S7-400F mit CPU 416F-2 und einer Kombi-Schnittstelle für MPI/Profibus DP sowie einer weiteren für Profibus DP. Profinet-Funktionalität lässt sich bei Bedarf einfach mit dem Kommunikationsprozessor CP 443-1 Advanced realisieren. Das High-End- Gerät ermöglicht auch Mehrprozessorbetrieb und kann über 1000 digitale fehlersichere Ein-/Ausgänge handhaben. In der Aufgabenstellung sammelt und verarbeitet diese CPU sämtliche Prozessdaten der Linie, steuert auch die Extruderanlage sowie die drei Handlingroboter und bietet noch hinreichend Reserven
infodirect ein Service von IEE für zukünftige Erweiterungen, wie zum Beispiel die Anbindung an ein überlagertes Leitsystem. Die Anforderungen der beiden Pressen DYU 3000 und PO 100 decken Controller der Baureihe Simatic S7-300 kostenoptimiert ab, wobei der Anwender mit den CPUs 317F-2DP und später der 317F-2PN/DP die Wahl hat zwischen einer Profibus- und einer Profinet-Variante. Mit beiden lassen sich über 500 digitale fehlersichere Ein- /Ausgänge steuern. Sicherheitsgerichtete digitale Aktoren und Sensoren im Feld sind über das modulare dezentrale Peripheriesystem ET 200S angebunden. Das feingranulare System ist in Schutzart IP20 ausgeführt und bietet ein Eingangsmodul 4/8 F-DI DC 24V für den wahlweisen Anschluss von vier zweikanaligen Eingängen gemäß SIL3/Kat.4 oder acht einkanaligen Eingängen nach SIL2. Das Ausgabemodul 4 F-DO DC 24V/2A kann vier P-M-schaltende Ausgänge gemäß SIL3/Kat.4 und zum Beispiel auch Muting-Anzeigen mit bis zu zwei Ampere direkt ansteuern, was den Hardwareeinsatz reduziert. Zum Konfigurieren der Hardware und Programmieren des sicherheitsgerichteten Teils der Applikation wird das Standardsystem Step 7 einfach um das Optionspaket Simatic Distributed Safety erweitert. Darin enthalten sind vom TÜV-zertifizierte Funktionsbausteine und Programmierbeispiele unter anderem für die hier relevanten Aufgaben Not-Halt/Not-Aus, Zweihand-Steuerung, Muting, Schütztür-Überwachung und Feedback-Kontrolle. Darüber hinaus hat Siemens mit dem Optionspaket Simatic S7-F/P spezielle Pressensicherheitsbausteine entwickelt, womit alle sicherheitsrelevanten Pressenfunktionen schnell, einfach und in vertrauter Weise umzusetzen sind. Typisches Beispiel ist der Baustein FB10 MODE_SEL (Chart 7), der alle für eine Betriebsartenauswahl aus bis zu acht Möglichkeiten erforderlichen Verknüpfungen übersichtlich zur Verfügung stellt. Das Optionspaket bietet weit mehr als die für diese Aufgabe erforderlichen Bausteine, die allesamt von der Prüf- und Zertifizierungsstelle des Fachausschusses Maschinenbau, Hebezeuge, Hütten- und Walzwerksanlagen (MHHW), Düsseldorf, zertifiziert sind. Wirtschaftlichkeit im Visier Mit der genannten Hard- und Software sind vier grundsätzliche Steuerungsarchitekturen möglich (Chart 8). Von der klassischen Festverdrahtung her bekannt ist die konsequente Trennung fehlersicherer und nicht-fehlersicherer Komponenten, mit eigenständigen Steuerungen, Ein-/Ausgabebaugruppen und Bussen für jeden der beiden Teile, die auf der Steuerungsebene miteinander kommunizieren. Eine Reduzierung des Installationsaufwandes im Vergleich zu dieser Lösung bedeutet die Nutzung eines gemeinsamen Busses für alle Komponenten, wobei die Steuerungen und die Ein-/Ausgabebaugruppen weiterhin getrennt sind. Ebenfalls möglich ist der Einsatz einer gemeinsamen Steuerung für den fehlersicheren und den nicht-fehlersicheren Teil bei getrennter Ein-/Ausgabe- und Bustechnik. Die von Siemens letztendlich gewählte Architektur setzt auf eine
infodirect ein Service von IEE gemeinsame Steuerung und einen gemeinsamen Bus, über den sowohl fehlersichere als auch nicht-fehlersichere Signale der gemischt auf einer Normprofilschiene montierten Ein-/Ausgabebaugruppen verarbeitet werden können. Damit ergibt sich das in Chart 9 gezeigte Steuerungskonzept, das eine sehr flexible Auslegung ermöglicht. Das bevorzugte Konzept Eine Steuerung, ein Bus reduziert den Hardwareeinsatz, den Verdrahtungsaufwand sowie Einbauräume im Schaltschrank und damit die Gesamtkosten gegenüber den anderen Konzepten deutlich. Auch bei Konstruktion, Inbetriebsetzung und Instandhaltung muss nur auf die technischen Eigenschaften eines Bussystems hinsichtlich Materialauswahl, Installation und Diagnose Rücksicht genommen werden. Die Performance der eingesetzten Steuerungen ist an das wirklich notwendige Mengengerüst und an die Anforderungen der Aufgabe angepasst. Eine einheitliche Plattform für die Projektierung und Programmierung aller eingesetzten Controller vereinfacht das Engineering, die durchgängige Datenhaltung und Kommunikation das Projekthandling. Für die fehlersichere Kopplung der drei Steuerungen sind bewährte Standard-DP-DP-Koppler einsetzbar und somit keine zusätzlichen Interfaces zwischen Sicherheits- und Standardbus bzw. Sicherheits- und Standardsteuerung erforderlich. Das hält Busstruktur wie Software einfach und ermöglicht durchgängige Diagnose ohne zusätzlichen Aufwand. Dank der einfachen Kopplung können die einzelnen Zellen der Anlage auch unabhängig voneinander aufgebaut, separat in Betrieb genommen und bei Bedarf einfach nachträglich erweitert werden. Auch die Peripherie ist modular aufgebaut, so dass nur dort fehlersichere Ein-/Ausgabebaugruppen eingesetzt werden, wo diese nötig sind. Nicht sicherheitsrelevante Funktionen werden über kostengünstigere Standard- Baugruppen realisiert. Die einzelnen Teilnehmer oder Gruppen davon könnten über mehrere, getrennt abgesicherte 24V-Einspeisungen versorgt werden, so dass es bei Sicherungsauslösung nur bestimmte Bereiche betroffen sind und so die Verfügbarkeit nicht betroffener Anlagenteile noch gewährleistet ist. Sicherheit im gemischten Doppel Chart 13 zeigt exemplarisch für die gesamte Anwendung den gemischten Aufbau der ersten ET 200S-Station der Presse DYU 3000 im Detail. Außen vor, weil direkt über Profibus DP mit der Steuerung verbunden, bleibt der Siguard Laserscanner zur Überwachung des begehbaren Presseninnenraums. Das spart fehlersichere Eingänge und macht die integrierten Diagnosefähigkeiten des Laserscanners ohne Zusatzaufwand nutzbar. Das Gerät muss dazu nur in der HW-Konfig gesetzt und konfiguriert werden. Nach dem Interfacemodul IM151-1 und einem Powermodul folgen fünf digitale fehlersichere Eingabebaugruppen (4/8 F-DI), woran neben dem Betriebsartenwahlschalter die Not-Halt-Taster an den vier Seiten der Presse, zwei weitere an Hydraulikklemmkasten und Bedienpult, vier Quittierungstaster (mit Sicherheitsfunktion), die Überwachung der Stößelhochhaltung vorne und hinten
infodirect ein Service von IEE sowie zwei Lichtschranken angebunden sind. Potenzialgetrennt davon steuert eine digitale fehlersichere Ausgabebaugruppe (4 F-DO) die sicherheitsrelevanten Anzeigen für die Stößelhochhaltungen sowie für die Muting-Lampen direkt an. Über nicht-fehlersichere Standard-Ein-/Ausgabebaugruppen in die ET 200S-Station integriert sind acht Standard Muting-Sensoren und die Anzeigen für Presse Ein, Presse Aus und Presse quit. Dazu muss kein neuer Teilnehmer am Profibus eingerichtet werden, was Konstruktions- und Inbetriebsetzungskosten reduziert, und der Einfachheit zugute kommt. Auf diese Weise konnten auch alle anderen Aufgaben und Stationen der gesamten Applikation im kostengünstigeren Mischbetrieb umgesetzt werden. Wie einfach und komfortabel sich die sicherheitsgerichteten Funktionen mit Hilfe von Simatic Distributed Safety und der zertifizierten Pressensicherheitsbausteine konfigurieren und programmieren lassen, zeigt Chart 14 am Beispiel eines zweikanaligen Sensors für die Not-Aus-Funktion. Der Anwender wählt dazu lediglich die zutreffenden Parameter wie 2v2-Auswertung, Zweikanalsensor und die Diskrepanzzeit für den Sensor aus und aktiviert den Kanal per Mausklick. Das Programmieren im Kontaktplan (alternativ im Funktionsplan) reduziert sich auf die Auswahl des Funktionsbausteines aus der zertifizierten Bausteinbibliothek und dem Einsetzen des Kontaktes im Zweig des Bausteins. Zuvor zweikanalig parametrierte Sensoren müssen hier nur noch einkanalig weiterprogrammiert werden. Nicht sicherheitsrelevante Ein-/Ausgangssignale, etwa für die Reset-Funktion, hebt das System automatisch farblich hervor. Zusatzfunktionen für noch effizienteren Betrieb Nicht im Pflichtenheft dieser Applikation, aber von vielen Kunden in der Praxis explizit gefordert wird ein Diagnose-Repeater (Chart 15) für schnelle Fehlersuche bzw. kontinuierliche Prozessoptimierung. Pressen können starken Vibrationen unterliegen, so dass trotz sehr robuster Bussysteme mechanisches Losrütteln von Verbindungen nicht völlig ausgeschlossen werden kann. Hier kann sich die physikalische Online-Überwachung des Profibus-Stranges durchaus auszahlen. Der Diagnose-Repeater ermittelt die Topologie der angeschlossenen Segmente und speichert sie im internen Diagnosespeicher ab. Bei Störungen übermittelt das Gerät automatisch eine Norm-Diagnosemeldung an den Busmaster mit Angaben zum betroffenen Bussegment, zur Entfernung des Fehlerorts in Metern zwischen zwei Teilnehmern und vom Repeater, sowie der Fehlerart. Erkannt werden unter anderem (auch sporadische) Leitungsfehler wie Leitungsbruch A oder B, Kurzschluss der Signalleitungen gegen Schirm sowie fehlende oder zuviel eingelegte Busabschlusswiderstände. Die Fehlermeldungen sind vollständig in die Simatic- Systemdiagnose eingebunden und werden in Step 7 bzw. COM Profibus grafisch angezeigt. Noch einfacher und flexibler lässt sich die gesamte Applikation aufbauen, wenn (Ende des Jahres) statt der Kommunikation über Profibus durchgängig Profinet und
infodirect ein Service von IEE damit Echtzeit-Ethernet-Funktionalität zur Verfügung stehen wird. Neben der Möglichkeit von schnellen Up- und Downloads größerer Datenmengen z.b. bei komplexen Geräten wie dem Laserscanner ist auch die Ferndiagnose von Geräten über das Netzwerk eine mögliche Zusatzfunktion. Die jetzt noch nötigen DP-DP- Koppler zur Verknüpfung mehrerer Steuerungen werden dann durch die, ohnehin vorhandenen Switches funktionell ersetzt. In der Praxis bewährt Die hier aufgezeigten Vorteile von Simatic Safety Integrated sind nicht nur graue Theorie, sondern längst in verschiedenen realen Anwendungen unter Beweis gestellt. Einige Bespiele aus verschiedenen Bereichen und Märkten finden sich auf Chart 17 und 18. Der Aufgabenstellung ähnlich, sind die Tiefziehpressen der S. Dunkes GmbH, womit in der Praxis bei einer Anwendung mit jeweils 24 fehlersicheren Ein- und Ausgängen sowie 128 digitalen Eingängen und 84 digitalen Ausgängen auf der nicht-fehlersicheren Seite durchschnittliche Gesamtzykluszeiten von 9 bis 10 ms gemessen und bestätigt wurden (Chart 17). Auf die im Artikel referenzierten Abbildungen, finden Sie in den Vortragsfolien.