Matthes, Arbeitssicherheitsjournal 2010, 8
Technik: High-Tech für mehr Maschinensicherheit
Guido Matthes
Maschinensicherheit beginnt bereits bei der Konzeption von Produktionsanlagen. arbeitssicherheit.journal hat für Sie bei den führenden Herstellern von Maschinensteuerungen nachgefragt, mit welchen Sicherheitskonzepten sie die Unversehrtheit von Mitarbeitern gewährleisten und Manipulationen verhindern wollen.
Rein mit der Sicherheit in die Steuerung
Die TwinSAFE-Klemmen von Beckhoff fürs EtherCAT-I/O-System nutzen die hohe Performance von EtherCAT: So lassen sich an die Safety-PLC EL6900 bis zu 128 sicherheitsrelevante Busteilnehmer anschließen. Die in eine Standardreihenklemme integrierte Safety-Lösung lässt sich innerhalb des Busklemmensystems beliebig positionieren. In die Safety-PLC sind 256 Funktionsbausteine integriert, die man, je nach Anwendung, konfigurieren oder programmieren kann.
Die Safety-Technologie TwinSAFE wurde bereits in das Busklemmensystem (K-Bus) integriert und mit der Integration der Safety-Technologie in das EtherCAT-Klemmen-System (E-Bus) wird die hohe Performance von EtherCAT, mit schneller Kommunikation und verbesserter Diagnose, nun auch für die Sicherheitstechnik verfügbar.
Funktionalität im Busklemmenformat
Die Safety-PLC EL6900 ist eine 12 mm breite elektronische Reihenklemme und für Sicherheitsanwendungen bis SIL 3, nach IEC 61508, und EN ISO 13849-1 PL e geeignet. Es lassen sich sicherheitsrelevante Steuerungsaufgaben von Maschinen und Anlagen je nach Anwendung dezentral oder zentral realisieren.
Für den Anschluss der Sicherheitssensoren bzw. -aktoren stehen Digital-Eingangsklemmen (EL1904) für 24 V DC sowie Digital-Ausgangsklemmen (EL2902 2,3 A und EL2904 0,5 A) für 24 V DC zur Verfügung. Die TwinSAFE-Klemmen können an jeder beliebigen Stelle im Klemmensystem oder auch in verteilten I/O-Systemen installiert sein. Die Safety-PLC EL6900 ist auch als Sicherheitssteuerung für die über EtherCAT angebundenen Beckhoff Servoverstärker AX5000 einsetzbar.
Die in die Safety-PLC integrierten Sicherheitsfunktionsbausteine werden entsprechend der zu realisierenden Applikation konfiguriert: Sicherheitsfunktionen wie Not-Aus, Schutztür-Überwachung, Zweihandkontrolle, Muting seriell/parallel, Ventilkontrolle, Rückführkreiskontrolle sowie die typischen Funktionen der Antriebswelt lassen sich anwählen und verknüpfen.
Die Applikationserstellung konfiguriert man entweder im TwinCAT System Manager oder, bei komplexeren Anwendungen, mit der TwinCAT PLC (IEC 61131-3). Sämtliche si-
Matthes: Technik: High-Tech für mehr Maschinensicherheit - Arbeitssicherheitsjournal 2010 Heft 3 - 9<<cherheitsrelevanten Parameter der Safety-PLC stehen in Twin-CAT zur Verfügung und lassen sich in der Standardsteuerung nutzen.
SIL automatisch
Im Servicefall kann die Safety-PLC EL6900 getauscht werden, ohne dass das Programm explizit neu geladen und verifiziert werden muss. Dies erledigt das System automatisch, und auf störungsanfällige Wechselmedien kann man dabei verzichten. Das manuelle Laden bzw. Speichern des Projektes im Servicefall ist daher nicht mehr notwendig.
Etwas Besonderes ist das in TwinCAT integrierte Tool zur Berechnung und Bestimmung des SIL oder PL nach EN IEC 62061 und EN ISO 13849-1. Eine komplizierte Analyse der Sicherheitsapplikation und ein Übertragen dieser Informationen in ein zusätzliches Tool entfallen.
Das TwinSAFE-System nutzt zum sicheren Austausch der Daten das offene Safetyover-EtherCAT-Protokoll. Die sichere Datenübertragung ist auch auf unterschiedlichen Medien möglich: Lichtwellenleiter, Kupferleiter, Funk- oder auch andere Datenstrecken, wie z.B. Datenlichtschranken, sind erlaubt. Safetyover-EtherCAT wurde zur Realisierung einer sicheren Datenübertragung für EtherCAT entwickelt und ist innerhalb der EtherCAT Technology Group (ETG) offengelegt.
Sicherheit flexibel programmieren
SafeLogic, die steuerungsbasierte Sicherheitslösung von Rexroth, ersetzt starr verdrahtete Sicherheitsschaltgeräte durch flexibel programmierbare Sicherheitssoftware. Mit dem durchgängigen Engineering-Framework IndraWorks lässt sich die Verarbeitung von Peripheriesignalen an unterschiedliche Maschinenkonzepte anpassen.
Der sichere Datenaustausch zwischen den einzelnen Sicherheitssteuerungen zur Anlagenverkettung erfolgt ebenfalls über Sercos safety und den C2C Transportmechanismus von Sercos III. Die antriebsintegrierte Sicherheitstechnik von IndraDrive lässt sich für interpolierende Antriebe über Sercos III in das Netzwerk einbinden.
Antriebe im Positioniersatzbetrieb können auch über Profibus DP und zukünftig über Sercos IO eingebunden werden. Entsprechend der Anforderung an die Sicherheitsintegrität stehen von Rexroth Inline SIL 2 und SIL 3 SafetyIO-Module zur Verfügung, um die Sicherheitssignale einzulesen und auszugeben. Unabhängig davon lassen sich die E/A-Module an Sercos, Profibus und am Lokalbus betreiben.
Sicherheit gleich in den Antrieb
SafeMotion, die antriebsbasierte Sicherheitslösung ist weit mehr als nur das „sichere Stillsetzen“ von Maschinen und Anlagen. Vielmehr lassen sich damit sichere Maschinenkonzepte realisieren. Die Technik ermöglicht den gefahrlosen Zugang zum Prozess und erhöht die Verfügbarkeit durch Wegfall von Stillstandszeiten.
Zu den antriebsinternen Sicherheitsfunktionen gehören: Sichere Anlaufsperre (Stoppkategorie 0), sichere Drehmomentfreischaltung der Antriebe, sicherer Halt (Stoppkategorie 1) und sicher überwachtes Stillsetzen (steuerungs- oder antriebsgeführt mit sicherer Drehmomentfreischaltung der Antriebe).
Weiterhin gibt es die Funktionen: sicherer Betriebshalt (Stoppkategorie 2), sicher überwachtes Stillsetzen mit sicher überwachtem Stillstand bei geregeltem Drehmoment, sicher reduzierte Geschwindigkeit und bei gegebener Zustimmung wird im Sonderbetrieb eine sicher reduzierte Geschwindigkeit überwacht.
Sicher im System
Zusätzlich zur sicheren Bewegung wird eine sichere Drehrichtung (links, rechts) überwacht, einhergehend mit einem sicheren Absolutlagebereich. Unabhängig von der Betriebsart wird die Maximalgeschwindigkeit sicher überwacht und bei gegebener Zustimmung gibt es im Sonderbetrieb ein sicher begrenztes Schrittmaß. Dazu gehört die sichere Überwachung der Verzögerungsrampe beim Stillsetzen und ein sicheres Brems- sowie Haltesystem steuert und überwacht zwei unabhängige Bremsen. Fast schon selbstverständlich ist eine sichere Schutztürzuhaltung, die erst öffnet, wenn alle Antriebe einer Schutzzone im sicheren Zustand sind.
Safeethernet als Ansatz direkt in der Anlage
Für die sicherheitsgerichtete Automatisierung bzw. Vernetzung hat Hima bereits vor zehn Jahren das Safeethernet-Protokoll entwickelt. Es basiert auf Standard-Ethernet-Technologie (IEEE 802.3) und hat eine Reihe sicherer Eigenschaften. Z.B. ist es TÜV/BG-zertifiziert bis SIL3, gleichzeitig überträgt es Daten mit 100 Mbit/s. Dies ermöglicht sehr kurze Reaktionszeiten innerhalb der geforderten Sicherheitszeit.
Das Protokoll hat keine Beschränkung hinsichtlich der räumlichen Entfernung, da es Standard-Ethernet-Komponenten und Funktionalitäten nutzt. Es lassen sich bis zu 64 Systeme je Ethernet-Segment vernetzen und es gibt die bekannten intelligenten, diversitären Redundanz-Konzepte. Somit ist es voll industrietauglich und hat neben der maximalen Sicherheit und Zuverlässigkeit folgende Vorteile:
- 1.
Durch die Ethernet-Netzwerktechnik sind die Systeme flexibel bei der Anpassung an die jeweiligen Applikationsanforderungen sowohl bei der Planung als auch bei Inbetriebnahme,
- 2.
Es lassen sich eine Vielzahl von Übertragungsmedien von Kupfer, ISDN/DSL, LWL bis hin zu Satelliten und natürlich wireless-Anwendungen verwenden,
- 3.
Man kann unterschiedliche Netzwerktopologie wie Linien-, Baum-, Stern- und Ringstrukturen realisieren und das ermöglicht auch die vertikale Integration und Transparenz über alle Ebenen.
Sicher und wirtschaftlich
Dadurch, das man sichere und nicht sichere Daten in ein (bestehendes) Standard-Ethernet-Netzwerk integrieren kann – und das ohne Einschränkung der Sicherheit – lassen sich z.B. auch Standard-Ethernet-Komponenten beliebiger Hersteller verwenden. Wie bei Ethernetzwerken üblich, stellen Redundanzkonzepte unterbrechungsfreien Anlagenbetrieb auch bei Ausfall einer Kommunikationsstrecke sicher. Der Zugriff von jedem Netzwerk-Teilnehmer auf jeden anderen Netzwerk-Teilnehmer ermöglicht zentrale Programmierung, Diagnose und Visualisierung und eine schrittweise Inbetriebnahme. Auch der Aufbau wirtschaftlicher Fernwartungskonzepte ist möglich.
Die sicherheitsgerichteten Steuerungen und Remote-I/O-Module der Himatrix-Serie von Hima wurden für Anwendungen mit wenigen E/A Punkten und speziell für vernetzte und zeitkritische Applikationen entwickelt.
Die Kombination aus schneller Sicherheitssteuerung und dem schnellen Sicherheitsbus Safeethernet ist die Basis für eine Vielzahl effizienter Sicherheitslösungen. Durch die Leistungsfähigkeit, Kompaktheit und einfache Montage kann man Lösungen, die bisher mit Relaistechnik ausgeführt wurden, nun auch mit Steuerungstechnik realisieren. Der Hersteller sieht im Vergleich zu Lösungen mit herkömmlichen Steuerungen bei der sicherheitsgerichteten Vernetzung über Safeethernet deutliche Performance- und Flexibilitätsvorteile.
Die Highlights in Kurzform: Zertifiziert bis SIL3, Kat. 4 und Ple, große Auswahl an kompakten Steuerungen und Remote I/O Modulen, Reaktionszeit ? 20 ms, Zykluszeit für 1 K Programm ca. 0,02 ms, sicherheitsgerichtete Vernetzung mit 100 MBit/s auf Standard-Ethernet, Nutzung sämtlicher Ethernet-Funktionalitäten für sicherheitskritische Applikationen, integrierter Switch für unterschiedliche Netzwerktopologien (Linie, Baum, Stern) und Ringstrukturen, Kommunikation über Safeethernet, Profibus-DP Master & Slave, OPC, Modbus RTU und TCP Master & Slave, Send & Receive TCP, EtherNet/IP, Interbus Master, CUT, Einsatz in Ex-Zone 2, Drag&Drop-Programmierung mit ELOP II Factory/SILworX, Zertifizierte Funktionsbausteine, Zertifiziert IEC 61508, IEC 61131, IEC 61511, IEC 62061, EN 50156, EN 954, EN 54, NFPA, NFPA 72, ATEX.
Sicherheitstechnik integrieren, Kosten sparen
Safety Integrated ist für Siemens Automation die konsequente Umsetzung von Sicherheitstechnik im Sinne von Totally Integrated Automation. Das heißt einerseits, dass sicherheitstechnische Funktionen direkt in die Standardprodukte integriert werden und andererseits, dass diese Funktionen durchgängig in die Standardautomatisierung eingebunden sind. Das birgt vielfältige Vorteile für Maschinenhersteller und Anlagenbetreiber, vor allem in wirtschaftlicher Hinsicht. Denn ein stimmiges Gesamtsystem aus Sicherheitstechnik und Standardautomatisierung verringert Stillstandszeiten und erhöht die Verfügbarkeit.
Safety Integrated erleichtert zudem das Umrüsten und Modernisieren. Bestehende Maschinen und Anlagen lassen sich durch flexible, modular erweiterbare Konzepte wirtschaftlicher auf den neuesten Stand der Technik hochrüsten, entsprechend der gültigen Normen. Die Lösung von Siemens Automation ist somit ein Sicherheitskonzept, das sich nahtlos in die Standardautomatisierung integrieren lässt und die entsprechende Produktpalette dafür bereit hält.
Sicherheit komplett
Von der Sensorik über die Auswerteeinrichtungen bis hin zum sicheren Stillsetzen der Maschinen – die Produktgruppen Simatic FS Sicherheitssensoren, Simatic und Sinumerik, Simotion, Masterdrives sowie Simodrive aus dem Safety-Integrated-Programm ermöglichen eine maximale und durchgängige Sicherheit. Der Hersteller sieht einen eindeutigen Trend: weg von der Einzellösung, hin zur durchgängigen Gesamtlösung. Das gilt nicht nur für die Sicherheitsebene allein, sondern bezieht auch die Standardkomponenten einer Anlage mit ihren Programmier- und Projektierwerkzeugen mit ein. Eine Anforderung, die Safety Integrated erfüllt.
Das Sicherheitskonzept eignet sich für den Bereich der Maschinensicherheit in der Fertigungsindustrie genauso wie für zugeschnittene Lösungen in der Prozessindustrie. Auch die Integration von Standard- und Sicherheitskomponenten in das Leitsystem Simatic PCS 7 ist möglich, genauso wie für Bereiche mit Explosionsgefährdung sowie für große Datenmengen, Sensor-Aktor-Konzentrationen oder umfangreiche Diagnosedaten.