Schneller Transport sicherheitsrelevanter Daten über Ethercat

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Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

Klinkhammer Intralogistics GmbH

COSCOM Computer GmbH

Shining 3D Tech Co., Ltd

Für die Auswertung und Sicherheitslogik werden bereits neben den „großen“ Sicherheitssteuerungen kleine, dezentrale Logikgeräte angeboten, die auf die jeweilige Aufgabe skalierbar sind; unflexible Relaislogik kann damit entfallen. Auch die Antriebstechnik bietet integrierte Sicherheitsfunktionen zum schnellen und kurzzyklischen Stillsetzen des Antriebs und zum sicheren Überwachen von Funktionen wie der sicher begrenzten Geschwindigkeit. Ermöglicht wird die Integration unter anderem durch eine sichere Datenübertragung zwischen den Komponenten. Eine solche sichere Übertragung ist im Safety-over-Ethercat-Protokoll spezifiziert.

Sicherheitslevels durch Normen festgelegt

Die Normenwelt hat sich als Grundvoraussetzung ebenfalls mit den neuen Gegebenheiten auseinandergesetzt und ermöglicht die Bestimmung des Sicherheitslevels auch für softwarebasierte, programmierbare Sicherheitsgeräte (siehe IEC 61508, IEC 62061 und ISO 13849). Die Vorteile sind beeindruckend:

• nahtlose Integration des Sicherheitskonzepts in das Maschinenkonzept,
• keine getrennten Entwicklungswerkzeuge für Standard- und Sicherheitsapplikation,
• einfache Handhabung und Transparenz der Sicherheitsfunktionen,
• sehr gute Diagnosemöglichkeiten der Sicherheitsfunktionen,
• ein Kommunikationssystem für steuerungs- und sicherheitsrelevante Informationen,
• keine Einschränkungen der Performance bezüglich Echtzeit und Determinismus,
• flexible Erweiterungsmöglichkeiten.

Zur Realisierung einer sicheren Datenübertragung für Ethercat ist innerhalb der Ethercat Technology Group (ETG) das Protokoll Safety-over-Ethercat offen gelegt. Bei der Entwicklung dieses Protokolls waren die folgenden Eigenschaften von entscheidender Bedeutung:

• Einhaltung der SIL 3 der IEC 61508,
• sichere und unsichere Informationen auf einem Kommunikationssystem,
• Unabhängigkeit des Protokolls vom Übertragungssystem und -medium,
• Länge der sicheren Prozessdaten vom Protokoll nicht eingeschränkt,
• sehr kurze Framelängen möglich
• keine Einschränkungen bezüglich Übertragungsgeschwindigkeit und Zykluszeit.

Die Einhaltung der Anforderungen nach IEC 61508 SIL 3 ist für einen uneingeschränkten Einsatz im Bereich der industriellen Automatisierung zwingend notwendig. Für das Bussystem bedeutet dies, dass die gefährliche Restfehlerwahrscheinlichkeit < 10-9 pro Stunde eingehalten werden muss. Das entspricht 1% der für den SIL 3 in einem System mit hoher Anforderungsrate geforderten Restfehlerrate von ≥ 10-8 bis < 10-7; die anderen 99% werden für die Sicherheitskomponenten wie Sensoren, sichere Logik und Aktorik gewahrt, die ebenfalls an der Realisierung der Sicherheitsfunktion beteiligt sind. Übrigens bedeutet < 10-9 pro Stunde, dass im ständigen Betrieb zirka 100 000 Jahre lang kein gefährlicher Fehler auftreten darf, der unentdeckt bleibt.

Sichere und unsichere Daten einkanalig auf Ethercat

Ethercat wird als einkanaliges Kommunikationssystem genutzt, um sichere und unsichere Informationen zu übertragen. Das Transportmedium wird dabei als „Black Channel“ betrachtet und dementsprechend nicht in die Sicherheitsbetrachtung einbezogen. In die Ethercat-Prozessdaten wird ein Safety-Frame mit den sicheren Prozessdaten und der notwendigen Datensicherung gepackt. Dieser Container wird in den Geräten auf Applikationsebene sicher ausgewertet (Bilder 2 und 3).

Die Kommunikationsanschaltung bleibt einkanalig. Dies entspricht dem Modell A aus dem Anhang der pre-IEC 617843. Diese derzeit in der Abstimmung befindliche Norm beschreibt Anforderungen an die Übertragung von sicherheitsrelevanten Nachrichten auf industriellen Netzwerken (Bild 4).

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