Sicherheits-Bussysteme Sicherheitsgerichtete Automatisierung mit Safeethernet und Himatrix

Die Entwicklung von Bussystemen für die Kommunikation in der Industrie schreitet voran. Als herstellerneutrales System bietet sich zunehmend Ethernet als Basis für die Kommunikation und für die Integration aller Netzwerkkomponenten an., auch für die sicherheitsgerichtete Automatisierung. Dort bringt die Kombination der Sicherheitssteuerung Himatrix mit dem Sicherheitsbus Safeethernet Flexibilität.

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Bussysteme sind heute aufgrund ihres großen Einsparpotenzials, ihrer Skalierbarkeit und Flexibilität in der gesamten Automatisierungsbranche verbreitet. Auch für die sichere Automatisierung werden aus diesem Grund Bussysteme eingesetzt.

Sicherheitstechnik oft von Standard-Automatisierungsgeräten völlig getrennt

Dabei wird oft das „Konzept der Trennung“ angewendet. Das bedeutet, dass Sicherheitstechnik völlig separat neben den Standard-Automatisierungsgeräten aufgebaut wird. Durch die Trennung lässt sich die Rückwirkungsfreiheit des Standardsystems auf die Sicherheitstechnik einfach garantieren.

Allerdings steigt dadurch der Aufwand bei Planung, Aufbau und Wartung der Anlage. Busvielfalt, unterschiedliche Schnittstellen und hoher Verdrahtungsaufwand herstellerspezifischer Bussysteme sind die Folge und verringern die Flexibilität bei der Planung sowie bei Änderungen und Erweiterungen.

Herkömmliche Feldbusse bringen Nachteile mit sich

Die Nachteile herkömmlicher Feldbuslösungen werden an der typischen Systemstruktur einer dezentralen Automatisierung deutlich (Bild 1). Um die geforderte Reaktionszeit zu erfüllen, wird die Applikation in Teilbereiche unterteilt. Zeitkritische Signale, zum Beispiel Pressenventile, müssen konventionell auf Steuerungen vor Ort verdrahtet werden.

Nicht zeitkritische Signale, beispielsweise Sicherheitstüren, und übergeordnete Signale werden auf Remote-I/O-Module verdrahtet und über einen eigenen Sicherheitsbus an die zentrale Kopfsteuerung weitergeleitet. Der Anschluss der Regel-PCs, der Visualisierung und der HMI-Geräte erfolgt durch ein zusätzlich aufgebautes Ethernet-Netzwerk. Nicht sichere Signale werden über einen Profibus zwischen Standard-Steuerungen übertragen.

Mit dem Einsatz von herstellerneutralen Bussystemen und integrierbarer Sicherheitstechnik kann man diese Nachteile beseitigen. Dabei wird die Rückwirkungsfreiheit durch die technische Lösung garantiert. Durch die Integration entstehen keine Nachteile für die Sicherheit.

Ethernet gilt in der Automatisierung als Netzwerk der Zukunft

Als herstellerneutrales Bussystem gewinnt Ethernet als Basis für die Kommunikation zunehmend an Bedeutung. Ethernet hat sich Mitte der 90er Jahre in der Bürowelt durchgesetzt und inzwischen auch in der Automatisierungstechnik starke Verbreitung gefunden.

Ethernet gilt in der Automatisierungsbranche als das Netzwerk der Zukunft, denn es bietet neue Lösungsmöglichkeiten und enorme Einsparpotenziale. Durch den Einsatz von Ethernet werden bestehende Engpässe der Feldbustechnik gelöst.

Zahlreiche Vorteile durch Ethernet TCP/IP

Ethernet TCP/IP kann mehrere unterschiedliche Protokolle übertragen, die auf einem einzigen Netzwerk gleichzeitig existieren können. Man kann Geräte verschiedener Hersteller in einem Netzwerk benutzen. Programmierung, Visualisierung, Diagnose und sichere Kommunikation sind auf dem Bussystem zeitgleich möglich.

Durch die stetige Weiterentwicklung von Ethernet-Komponenten sind die Zukunftssicherheit und die dazu nötige Migration gewährleistet. Hinzu kommen Vorteile wie eine große Bandbreite, Verfügbarkeit und Flexibilität.

Hima vernetzt bereits seit 1999 Prozessanwendungen über Ethernet

Hima, europäischer Marktführer in der sicherheitsgerichteten Prozessautomatisierung, vernetzt bereits seit 1999 in Prozessanwendungen redundante und fehlertolerante Sicherheitssteuerungen über Ethernet. Mit der Himatrix-Familie werden dabei die Erfahrungen und bewährten Techniken aus der Prozesswelt mit den Anforderungen der Fabrikautomatisierung vereint.

Die kompakten und modularen sicherheitsgerichteten Steuerungen der Himatrix-Serie wurden auf Basis der Hima Safety Technology speziell für die zeitkritischen Anforderungen der Fabrikautomatisierung konzipiert (Bild 3). Alle Sicherheitssteuerungen der Himatrix-Familie zeichnen sich durch eine hohe Prozessorleistung aus. Damit sind Zykluszeiten von ≤ 10 ms auch in der vollen Ausbaustufe möglich.

Alle Himatrix-Systeme sind nach IEC 61508, IEC 61511, EN 954, EN 61000 und NFPA zertifiziert. Das umfangreiche Hardwareangebot und die sichere Datenübertragung ermöglichen die Anpassung an geplante oder vorhandene Anlagenstrukturen.

Sicherheitsgerichtete Vernetzung über Safeethernet

Die sicherheitsgerichtete Vernetzung der Himatrix-Systeme erfolgt über Safeethernet. Mit dieser auf Ethernet basierenden Kommunikation können sichere Daten schnell und flexibel zwischen allen Teilnehmern ausgetauscht werden. Durch den Einsatz von Safeethernet zur Übertragung der sicheren Daten werden gleichzeitig die Probleme der fehlenden Integrationsfähigkeit und Performance aktueller Sicherheits-Feldbusse gelöst.

Safeethernet wurde bereits 1997 entwickelt und wird seitdem erfolgreich für den Aufbau sicherheitsgerichteter vernetzter Applikationen eingesetzt. Die Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Ethernet fungiert als Gesamtlösung und ist damit ein Netzwerk für die sichere und nicht sichere Datenübertragung,
• Reduzierung der notwendigen Bussysteme und Schnittstellen,
• Kostenvorteil durch Einsparung von Feldbuslösungen,
• Durchgängige Datentransparenz von der Leitebene bis zur Feldebene über ein Netzwerk,
• Zugang zu allen Daten von jedem Netzwerk-Teilnehmer aus,
• zentrale Programmierung, Diagnose oder Visualisierung,
• Übertragung sicherheitsgerichteter Daten mit 100 Mbit/s,
• definierte, kurze Reaktionszeit,
• Keine Beschränkung hinsichtlich der Anzahl der Busteilnehmer und der räumlichen Entfernung,
• Flexibilität bei Planung, Änderung und Erweiterung,
• Standard-Netzwerktechnik beliebiger Hersteller einsetzbar,
• Möglichkeit eines redundanten Aufbaus.

Die Verwendung von Safeethernet bringt weiterhin einen großen Vorteil gegenüber anderen Bussystemen in Bezug auf die damit erreichbare Reaktionszeit des Gesamtsystems mit sich. Die Gewährleistung der erforderlichen Reaktionszeit ermöglicht flexible Systemstrukturen für eine dezentrale Automatisierung.

Safeethernet beschränkt die Zahl der sicheren Teilnehmer nicht

Dabei besteht keine Beschränkung für die Anzahl der sicheren Teilnehmer im Netzwerk und den Umfang der zu übertragenden sicheren Daten, um die erforderliche Reaktionszeit zu erreichen. Ein schnelleres Gesamtsystem erhöht die Produktivität. Die minimierte Reaktionszeit des sicheren Systems erlaubt eine gesteigerte Produktionsgeschwindigkeit und ermöglicht die Minimierung der notwendigen Schutzbereiche. Die Kommunikationszeit wird somit zu einem wesentlichen Bestandteil des gesamten Sicherheitskonzeptes.

Für die sichere Kommunikation wird Standard-Ethernet- oder Fast-Ethernet-Netzwerktechnik verwendet. Das zertifizierte Protokoll Safe-ethernet gewährleistet die Sicherheit der Übertragung. Damit können auch Netzwerk-Komponenten beliebiger Hersteller eingesetzt und alle Vorteile von Ethernet voll ausgenutzt werden. Zum Beispiel ist auch der Einsatz von herkömmlichen LWL-Konvertern, Wireless-LAN und Router-Technik ohne Einschränkung der Sicherheit möglich.

Übertragung von sicherheitsgerichteten Daten mit Safeethernet

Mit Safeethernet können über jedes Ethernet- und Fast-Ethernet-Netzwerk nach IEEE 802.3 sicherheitsgerichtete Daten übertragen werden. Auch ein dualer Betrieb von nicht sicherheitsgerichteten Systemen ist am gleichen Netzwerk ohne Einschränkung der Sicherheit möglich. Safeethernet ist nach der Sicherheitsnorm der Industrieautomatisierung IEC 61508 bis SIL 3 und der EN 954 bis Kat. 4 zerfiziert.

Weil alle Automatisierungskomponenten in einem Netzwerk integriert sind, besteht eine durchgängige Datentransparenz von der Leit- bis zur Feldebene. Auf diese Weise ist eine zentrale Programmierung, Diagnose oder Visualisierung über ein Netzwerk möglich. Aufwändige Schnittstellen sowie Stillstandszeiten werden reduziert bzw. minimiert.

Durch die Einsparung des separaten Sicherheitsbusses entfallen die Kosten für dessen Planung, Installation und Wartung. Von diesen Systemvorteilen profitiert der Anwender während der gesamten Lebensdauer seiner Anlage: bei Planung, Projektierung, Installation, Inbetriebnahme, Wartung und Erweiterung.

Austausch der sicheren Signale in das bestehende Ethernet-Netzwerk integriert

Die Darstellung der Systemstruktur mit Himatrix verdeutlicht die Vorteile hinsichtlich der Flexibilität (Bild 2). Um maximale Sicherheit und schnellste Reaktionszeiten zu erreichen, löst Hima die verteilte Applikation dezentral und ohne separaten Sicherheitsbus. Der Austausch der sicheren Signale wird in das bestehende Ethernet-Netzwerk integriert. Alle sicheren Signale – zeitkritische und nicht zeitkritische – werden über Remote-I/O-Module eingelesen und über das gleiche Ethernet/Safeethernet-Netzwerk an die Himatrix-Steuerungen verteilt.

Die übergeordnete SPS entfällt, die konventionelle Verdrahtung wird auf ein Minimum reduziert. Sicherheitssteuerungen, die vor Ort nicht zwangsläufig notwendig sind, können in den Schaltschränken durch Remote-I/O-Module ersetzt werden. Die Verarbeitung der Signale erfolgt dann durch eine beliebig im Netz vorhandene Himatrix-Steuerung.

Daimler-Chrysler setzt in seinem Düsseldorfer Werk Hima-Sicherheitssteuerungen ein. Ausschlaggebend für diese Entscheidung war die Tatsache, dass die Himatrix-Systeme über Safeethernet vernetzt werden. Sie lassen sich dadurch einfach in das bestehende Produktionskonzept des „Sprinter“-Werkes integrieren. Die zukunftsorientierte Ethernet-Technik der Himatrix-Steuerungen bietet Daimler-Chrysler Düsseldorf die Möglichkeit, die bestehende Ethernet-Infrastruktur auch im Sicherheitsbereich für die Feldkommunikation zu nutzen und damit eine teure Parallelverkabelung zu vermeiden.

Abschaltung von Gefahrenbereichen

Die Himatrix-Systeme werden im Rohbaubereich der neuesten Generation des Sprinters eingesetzt und übernehmen die sicherheitsgerichtete Überwachung und Abschaltung von Gefahrenbereichen, zum Beispiel im Bereich der Fördertechnik und der Roboter-Zellen. Insgesamt kommen rund 1200 Geräte von Hima zum Einsatz, darunter ungefähr 200 Sicherheits-SPS und 1000 Remote-I/O-Module. Die Systeme verarbeiten sicherheitstechnisch rund 8000 Eingangssignale (Schutztüren, Lichtgitter, Scanner, Rolltore) sowie rund 3000 Ausgangssignale (Roboter, Antriebe).

In Düsseldorf kommen sieben zertifizierte Funktionsbausteine zur Programmierung der Himatrix-Systeme für die Anwendungen Sicherheitsinitiator, Zweihandbediengerät, Not-Aus-Schalter, Schutztür, Rückmeldekontakte, Lichtgitter/Licht-scanner und Muting zum Einsatz. Die Funktionsbausteine sind nach IEC 61508/EN 954 TÜV-zertifiziert und sind bis Kat. 4/SIL 3 einsetzbar. Eine Überprüfung der Funktionalität seitens des Anwenders ist nicht mehr notwendig. Zeit- und Kostenersparnis bei der Programmierung und Inbetriebnahme sind die Folge.

Mit Ethernet und integrierbarer Sicherheitstechnik stehen offene, leistungs- und kommunikationsstarke Sicherheitslösungen zur Verfügung. Durch die stetige Weiterentwicklung der Ethernettechnik sind moderne, zukunftsorientierte Steuerungskonzepte realisierbar.

Die Systemgrenzen bei sicherheitsgerichteten Automatisierungskonzepten verschwinden und schaffen so Raum für anwendungsorientierte Sicherheitslösungen. Daraus ergibt sich Potenzial für die Steigerung der Produktivität und die Senkung der Gesamtkosten. MM

Dipl.-Ing. Thomas Janzer ist Produktmanager für Engineering-Software bei der Hima Paul Hildebrandt GmbH + Co KG

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