Wenn das Thema Sicherheit beim Automatisieren mit ins Spiel kommt, denken viele Anwender erst einmal an enorm erhöhten Programmieraufwand und Kostenintensität. Doch das muss nicht sein – Erweiterungen bei der S7-1500-Steuerungsgeneration, mit denen Sicherheitsfunktionen skalierbar und komfortabel programmierbar sind, machen das Engineering sicherheitsgerichteter Automatisierungslösungen einfacher und kosteneffizienter.
Die Autoren Markus Kempf und Ulrich Klaus arbeiten in der Business Unit Industrial Automation Systems im Industry Sector der Siemens AG in Nürnberg.
Integrierte, sicherheitsgerichtete Automatisierungslösungen sind heute Stand der Technik. Deshalb hat Siemens, basierend auf den etablierten Standard-CPUs, die Advanced Controller der aktuellen Steuerungsgeneration Simatic S7-1500 um weitere fehlersichere CPUs (F[ail-safe]-CPUs) ausgebaut und die Funktionalität des Engineering Frameworks TIA Portal erweitert. Damit sind nun fehlersichere Automatisierungslösungen feiner skalierbar und somit kosteneffizienter umzusetzen – auf einheitliche Weise und mit dem vollen Komfort des TIA Portals. So ergänzen etwa die neue CPU 1517F oder CPU 1515F (siehe Kasten Praxis Plus auf der folgenden Seite) das Portfolio im oberen sowie mittleren Leistungsbereich. Grundsätzlich ist es möglich, auch mit diesen F-CPUs zunächst als Standard-CPU in das TIA Portal einzusteigen und erst später, bei Bedarf, die Sicherheit sukzessive umzusetzen. Dazu muss lediglich das Softwarepaket Step 7 Safety Advanced V13 installiert werden.
Visuell unterscheiden sich die F-CPUs gegenüber der Standardversion durch einen gelben Balken und ein Not-Halt-Symbol im Onboard-Display (Bild 2). Der Balken signalisiert nach dem Einschalten, dass es sich um eine fehlersichere CPU handelt und das farbig dargestellte Not-Halt-Symbol zeigt, dass die Sicherheitsfunktion aktiviert ist. Darüber hinaus werden der aktuelle Sicherheitsstatus, die Safety-Signatur und die letzte Änderung am F-Programm angezeigt. So lässt sich auch lokal schnell und ohne Programmiergerät feststellen, ob die richtige Programmversion läuft beziehungsweise gelaufen ist. Wie bei den Standard-Controllern sind Diagnosemeldungen auch bei F-CPUs im Stopp-Betriebszustand abrufbar, was an früheren Controller-Generationen nicht möglich war.
Standard und Sicherheitsfunktionen unter einem Dach
Nach der Erweiterung um Step 7 Safety Advanced V13 können im TIA Portal Standard- und Sicherheitsprogramme (Safety) komfortabler und effizienter erstellt werden. Handling und Grundfunktionalitäten sind identisch, so dass kein zusätzliches Engineering Know-how erforderlich ist. Im TIA Portal sind alle Neuerungen und Vereinfachungen auch hinsichtlich der Sicherheitsfunktionen nutzbar, wie etwa das Bibliothekskonzept und die Drag&Drop-Mechanismen in den verschiedenen Editoren. Alle sicherheitsrelevanten Ressourcen sind in der Netzsicht, der Gerätesicht, im Projektbaum, im Hardware-Katalog und im Sicherheitsprogramm gelb hervorgehoben und sofort als solche erkennbar.
Das übergreifende Bibliothekskonzept unterstützt die zentrale Verwaltung/Änderbarkeit und unternehmensweite Verteilung von fehlersicheren Automatisierungskomponenten einschließlich Sicherheitssignatur. Dadurch lassen sich einmal entwickelte und zertifizierte Einheiten wie Bausteine, Funktionen oder ganze Stationen problemlos mehrfach verwenden, was die Modularisierung und Standardisierung sicherheitsgerichteter Applikationen ermöglicht und deren Validierung vereinfacht.
Alle fehlersicheren Controller der S7-1500 unterstützen die integrierte Systemdiagnose, so dass dieser Part des Steuerungsprogramms nicht explizit programmiert werden muss. Die Meldungen über einen Drahtbruch oder Kurzschluss oder einen Diskrepanzfehler werden im TIA Portal, auf dem HMI, über den Webserver und auf dem Display der Controller im Klartext einheitlich dargestellt. Aufgrund des feingranularen Anzeigekonzepts kann im Fehlerfall der betreffende Kanal sofort erkannt und exakt zugeordnet werden. Dies reduziert Stillstandzeiten und erhöht die Anlagenverfügbarkeit.
Beschleunigtes Engineering durch neue Kompiliermöglichkeit
Das Safety-Advanced-Paket enthält eine Bibliothek vorgefertigter, TÜV-zertifizierter Sicherheitsbausteine für sicherheitsgerichtete Aufgaben wie etwa sichere Türzuhaltung, Zwei-Hand-Bedienung oder Not-Halt. Zentrales Werkzeug zur Organisation und Verwaltung aller sicherheitsrelevanten Einstellungen ist der Safety Administrator Editor (SAE). Erweiterten Schutz vor Manipulationen bietet eine zusätzliche Passwort-Abfrage für den Zugriff auf die F-Konfiguration und das F-Programm.
Das System legt nach der Auswahl einer fehlersicheren CPU bei der Hardwarekonfiguration (Bild 3) im Hintergrund automatisch die erforderlichen F-Programmstrukturen (FOB_1, Main_Safety, Main_Safety_DB, …) an und führt mit erheblich weniger Mausklicks beziehungsweise Bedienereingaben als bisher zur eigentlichen Programmierung. Programmiert wird in den Sprachen F-KOP und F-FUP (Bild 4). Im SAE können neben der maximalen Zykluszeit auch Warngrenzen definiert werden, bei deren Erreichen zur Laufzeit auf dem Onboard-Display automatisch eine Meldung generiert wird. Visualisiert werden die kürzeste, aktuelle und längste Zykluszeit und eventuelle Überschreitungen, was insbesondere bei Inbetriebnahmen nützlich ist.
Delta-Compile und Delta-Download heißen zwei neue Möglichkeiten des Kompilierens und Herunterladens, was nur die tatsächlichen Veränderungen in Programmen betrifft. Diese Unterschiede werden erkannt und selektiv übersetzt beziehungsweise geladen. Das beschleunigt deutlich das Engineering und wiederum ganz besonders Inbetriebnahmen, bei denen häufige kleinere Anpassungen gang und gäbe sind.
Neu ist zudem die sogenannte funktionale Signatur. Diese erspart erneute Abnahmen bei einfachen Änderungen. Spezielle Algorithmen erkennen, ob Änderungen nur formaler oder funktionaler Art sind und behandeln diese entsprechend. Sind beispielsweise nur die Bezeichnungen in Sicherheitsbausteinen verändert worden, was bisher immer eine neue Signatur erfordert hat, so bleibt diese jetzt unverändert. Wird aber die Überwachungszeit verändert, bedeutet dies eine funktionale Änderung am Sicherheitsprogramm und die Signatur ändert sich.
Verteilte Sicherheitsaufgaben mit im Fokus
Mit der Erweiterung des Portfolios im oberen und mittleren Leistungsbereich hat Siemens die Skalierbarkeit sicherheitsgerichteter Automatisierungslösungen deutlich verbessert. Zudem wird der Fokus auch auf den unteren Leistungsbereich gelegt: Sukzessive werden weitere CPUs das Portfolio nach unten erweitern. Darüber hinaus wird es fehlersichere Distributed Controller in der Aufbautechnik des dezentralen Peripheriesystems Simatic ET200SP geben, womit verteilte Sicherheitsaufgaben noch einfacher und kosteneffizienter umsetzbar sein werden.
Hinzu kommen weitere Innovationen für STEP 7 Safety Advanced – darunter ein automatisch geführtes ‚ChangeLog‘, das im Hintergrund dokumentiert, wer wann was am Sicherheitsprogramm verändert hat. Diese Traceability (Rückverfolgbarkeit) ist umso wichtiger, je mehr Programmierer an einem Projekt arbeiten. Erweitert wurden auch die Möglichkeiten beim Testen sicherheitsgerichteter Programme in der Simulationsumgebung S7-PLCSIM. So können künftig komplette Sicherheitsketten, vom fehlersicheren Eingang bis zum fehlersicheren Ausgang, abgebildet und simuliert werden. co
PRAXIS PLUS
- Die CPU 1515F ist konzipiert für Standardanwendungen und fehlersichere Applikationen mit mittleren bis hohen Anforderungen an den Programmumfang und die Bearbeitungsgeschwindigkeit – Bit-Performanz 30 ns. Sie unterstützt den dezentralen Aufbau über Profinet IO mit Profisafe.
- Noch höhere Ansprüche erfüllt die CPU 1517F. Sie zielt ab auf Standardanwendungen und fehlersichere Applikationen mit sehr hohen Anforderungen an den Programmumfang, die Bearbeitungsgeschwindigkeit – Bit-Performanz 2 ns – und in punkto Vernetzung. Damit sind dezentrale Strukturen über Profinet IO und Profibus DP mit Profisafe realisierbar. Eine zusätzliche Profinet-Schnittstelle mit separater IP-Adresse ermöglicht die einfache Trennung von Netzwerken.
Hinsichtlich Abmessungen, Performanz und Mengengerüst sind die F-CPUs baugleich mit der entsprechenden Standard-CPU. Um den üblicherweise komplexeren Sicherheitsprogrammen gerecht zu werden, ist der Arbeitsspeicher für den Programmcode aber zirka 50 % größer. Alle fehlersicheren Controller der Simatic S7-1500 sind zertifiziert nach der IEC 61508 (2nd Edition) für die funktionale Sicherheit. Sie sind zugelassen für den Einsatz in sicherheitsgerichteten Applikationen bis SIL 3 nach IEC 62061 und PL e nach ISO 13849-1.
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