Sicherheitssteuerungen im Vergleich - wirautomatisierer

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Sicherheitssteuerungen im Vergleich

Autoren- und Projekt-Team (v.l.): Martin Carls, Projektbetreuer Dieter Hennigs, Ralf Reckewell, Marko Lange und Christoph Meyer-Detring
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Die Sicherheitstechnik wurde bisher oftmals losgelöst vom eigentlichen Prozess betrachtet. Auf Grund einer solchen Sichtweise sollte im Rahmen einer Abschlussarbeit an der Technikerschule Hannover eine imaginäre Anlage mit Sicherheitssteuerungen unterschiedlicher Hersteller bestückt werden. Dabei sollte der Prozess zum Schutz von Mensch, Maschine und Umwelt nicht mit einbezogen werden. Im Verlauf dieser Abschlussarbeit stellte sich heraus, dass der eigentliche Automatisierungsprozess nicht von der Sicherheitstechnik getrennt betrachtet werden kann. Ideal ist ein System das sowohl den Anforderungen der Automatisierungstechnik als auch der Sicherheitstechnik gerecht wird.

Sicherheitssteuerungen an sich sind keine Neuheit auf dem Markt. Dass jedoch mittlerweile alle gängigen Bussysteme durch Protokollerweiterungen ebenfalls „sicher“ gemacht wurden, ist relativ neu. Somit ist es möglich, auch bestehende Anlagen mit Sicherheitssteuerungen nachzurüsten – ohne sie komplett umzubauen und unabhängig davon, ob dort Profibus, Interbus oder AS-Interface eingesetzt wird. Auch der CAN-Bus wurde vom Unternehmen Pilz im Safetybus p sicher gemacht.

Der Trend in der Automatisierungstechnik zeigt eindeutig in Richtung Industrial Ethernet. Und auch hier spielt die Implementierung von Sicherheitstechnik eine entscheidende Rolle. Hima hat sich bereits mit safe-ethernet am Markt positioniert. Mit Profisafe on Profinet hat Siemens eine entsprechende Lösung auf Industrial-Ethernet-Basis realisiert, wie sie auf der diesjährigen Hannover Messe zu sehen war. Phoenix Contact bietet diese Lösung mit ihrem Profinet Safety an. Die beiden letztgenannten wurden im Zuge dieser Abschlussarbeit jedoch nicht weiter untersucht.
Entwickler von Maschinen müssen sich bei der Festlegung der Ausrüstung ihrer Anlagen zwischen zwei Lösungen entscheiden: zum einem für ein integriertes Konzept mit Koexistenz von Standard- und Sicherheitstechnik in einem System, zum anderem für die Trennung der Standard- und Sicherheitstechnik. Im Zweifelsfall stehen dem Anlagen- bauer die Lösungsanbieter mit Rat zur Seite.
Vier Systeme im Vergleich
Im Rahmen der Technikerabschlussarbeit wurden unterschiedlicher Sicherheitssteuerungssysteme im Bereich der Automatisierungstechnik verglichen – und dabei Kriterien wie die Hard- und Softwarekonfiguration und die Programmierung berücksichtigt. Untesucht wurden:
  • Profisafe von Siemens für die Prozess- und Sicherheitssteuerung,
  • Safetybus p von Pilz,
  • safeethernet von Hima,
  • Interbus-Safety von Phoenix Contact.
Bei dem Laboraufbau der Siemens-Konfiguration wurde sowohl die Steuerung der Sicherheitsfunktionen als auch die eigentliche Prozesssteuerung mit einer CPU realisiert. Somit hat man in der Anlage ein durchgängiges Konzept basierend auf einem Bussystem für die standard- und sicherheitsgerichtete Kommunikation, einer CPU, einer dezentralen Peripherie und einem Engineeringtool. Dieses Konzept bietet dem Anwender vielfältige Vorteile, und zwar schon bei der Konfiguration: weniger Verdrahtungsaufwand, geringerer Platzbedarf und eine ausgereifte Step7-Diagnose, d.h. eine schnellere Inbetriebnahme. Diese Vorteile der Durchgängigkeit bietet Phoenix Contact durch das Interbus-Safety-System auf Interbus-Basis an. Die untersuchte Interbus-Safety-Steuerung ist in der Versuchsanordnung als Anschaltbaugruppe mit integrierter Sicherheitstechnik für die S7-400 konzipiert.
Die Entwicklung hat dazu geführt, dass sich auch Sicherheitsspezialisten wie Hima und Pilz zunehmend mit der Anbindung an die Standard-Prozesssteuerung beschäftigen, um diesen Vorteil nur eines Bussystems im Feld bieten zu können. Hima bietet die Möglichkeit, sich in jedes bestehendes Netzwerk mit Ethernet einzuklinken, ohne zusätzliche Hardware zu benötigen. Es können somit systemübergreifende Strukturen geschaffen werden. Für die Untersuchung wurden die Sicherheitsteuerungen von Hima und Pilz über Profibus mit der SPS S7-300 als Standardsteuerung verbunden.
Programmierung
Das Standard-Engineeringtool von Siemens ist Simatic Step7. Durch das Add-on Distributed Safety ist man in der Lage, sein Sicherheitssystem zu projektieren und zu programmieren. Der Anwender findet sich auch bei der Erstellung des Sicherheitsprogramms in der gewohnten Step7-Arbeitsumgebung wieder. Unter Berücksichtigung der einschlägigen Sicherheitsvorschriften stehen ihm in einer Bibliothek kostenlose, zertifizierte Sicherheitsbausteine zur Verfügung. Das Sicherheitsprogramm kann aber auch ohne großen Einarbeitungsaufwand frei programmiert werden.
Die Programmierung und Konfiguration mit PSS Winpro von Pilz ist der Vorgehensweise von Step7 sehr ähnlich. Für die Programmierung jeglicher Sicherheitsanwendungen werden kostenpflichtige zertifizierte Bausteine angeboten, die lediglich zu parametrieren bzw. zu verschalten sind. Auf diese Weise wird das Einhalten der Vorschriften für die Sicherheitsfunktionen leicht gemacht. Die Verknüpfungsergebnisse (VKE) der Bausteine können je nach Anforderung der Applikation weiterverknüpft werden. Wie Step7 stellt auch PSS Winpro zu Diagnosezwecken die Option der dynamischen Programmanzeige zur Verfügung. Ein Auslesen der Fehlerstacks der einzelnen Hardwarekomponenten zum Auffinden von Verdrahtungsfehlern sowie defekter Bauteile (z.B. Erdschluss an einem Not-Aus-Taster) ist ebenfalls möglich.
Die Programmiersoftware Elop II Factory von Hima bietet eine komplett graphische Oberfläche und wird nach IEC 61131-3 programmiert. Frei definierbare Variablen und parametrierbare zertifizierte Bausteine mit integrierter Diagnoseausgabe erleichtern bei dynamischer Programmanzeige die Fehlersuche.
Ebenfalls nach IEC 61131-3 gestaltet sich die Programmierung mit Safetyprog von Phoenix Contact frei graphisch und durchgängig durch das Einbinden in das Automatisierungssystem PCWorx. Sie beinhaltet auch den Konfigurator Config+ für das Bussystem mit Integration der E/A-Daten in die Standardsteuerung. Zur Diagnose greift Phoenix Contact auf das Diag+-Programm des Standard-Interbus-Systems zurück, das sich auf Grund seiner Einfachheit und der Visualisierungsfunktionen bewährt hat sowie lediglich durch die Eigenschaften der sicheren Komponenten und Funktionen ergänzt wurde. Das sichere Applikationsprogramm wird separat zur Standardsteuerung bearbeitet. Als sichere Zustimmsteuerung stimmt sie den Ausgängen der Standardsteuerung zu, ohne die Zykluszeit wesentlich zu verlängern.
Die graphische Programmieroberfläche in Verbindung mit parametrierbaren Bausteinen für die Sicherheitsfunktionen erleichtert den Ein- und Umstieg in die Programmierung der Systeme von Hima und Phoenix Contact. Die Phoenix-Contact-Sicherheitsbausteine sind PLCopen konform entwickelt worden und funktional in das Diagnosesystem Diag+ mit einbezogen. Kann die Durchgängigkeit eines Systems in einer Anlage nicht realisiert werden, da für den Prozess bereits z.B. CAN-Bus oder Devicenet verwendet wird oder werden soll, so bietet Pilz auch hier die Möglichkeit der Anbindung seiner Sicherheitssteuerungen.
Die Verwendung vorhandener zertifizierter Bausteine zur Realisierung von Sicherheitsfunktionen soll zur Erleichterung der Programmierung beitragen. Sie entbinden den Programmierer jedoch nicht von der Verantwortung für die korrekte Funktion des erstellten Programms. Die richtige Programmierung setzt hinreichende Kenntnisse in Bezug auf die Maschinenrichtlinien, die zugehörigen Normen, die Anforderungen der ermittelten Sicherheitskategorie sowie des zu automatisierenden Prozesses der Anlage voraus.
Fazit
Durch die Erkenntnisse der Abschlussarbeit ist eine Entscheidung für eines der vorgestellten Systeme ohne eine Betrachtung der Standard-Automatisierungstechnik nicht zu treffen, da die Vorteile der Durchgängigkeit eines Bussystems in einer Anlage unübersehbar sind. Daraus resultiert eine erhebliche Kostenreduzierung:
  • Engineeringkosten: Minimierung der Produktschulungen für Mitarbeiter, da Kenntnisse der Projektierung und Programmierung aus der Standard-Automatisierungstechnik bereits vorhanden sind und dadurch eine Reduzierung der Engineeringdauer möglich wird.
  • Hard- und Softwarekosten: Reduzierung der Hard- und Softwarekosten durch Minimierung der benötigten Komponenten bzw. durch Benutzung von Software-Add-ons.
  • Installationskosten: Reduzierung des Verdrahtungsaufwands durch Minimierung der benötigten Komponenten, aber auch durch die Verwendung eines Bussystems.
  • Platzbedarf: Weniger Komponenten beanspruchen weniger Platz in der Anlage.
  • Instandsetzung: Einarbeitungskosten des Service-Personals können minimiert werden, da auch hier Kenntnisse aus der Standard-Automatisierungstechnik vorhanden sind. Somit ist eine Verkürzung der Fehlerdiagnose bzw. eine Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit gegeben.
Eine zukunftsweisende Ausrichtung von neuen Anlagen ist ein ebenso wichtiger Punkt bei der Entscheidungsfindung. Hier bietet Industrial Ethernet eine zukunftsgerichtete und zukunftssichere Basis und ist somit ein weiteres Entscheidungskriterium.
Technikerschule Hannover eA 508
Hima eA 509
Phoenix Contact eA 510
Pilz eA 511
Siemens eA 512

eA-INFO-TIPP
Informationen zu weiteren an der Technikerschule Hannover durchge-führten Abschlussarbeiten, wie die jüngst fertig gestellte Dokumenta- tion zum „Betrieb der flexiblen Ferti-gungsanlage (FFA) mit Interbus und Safetybus p“, finden Sie unter:

Informationen zu weiteren an der Technikerschule Hannover durchgeführten Abschlussarbeiten, wie die jüngst fertig gestellte Dokumentation zum „Betrieb der flexiblen Fertigungsanlage (FFA) mit Interbus und Safetybus p“, sind hier verlinkt.
Details zum Angebot der Technikerschule Hannover gibt es ebenfalls via Internet.
Das Produktspektrum beschreibt Hima u.a. in seiner „Kundenwelt“.
Phoenix Contact informiert über die hier verknüpfte Website.
Pilz beschreibt hier sein Produktportfolio.
Siemens verdeutlicht über diesen Link das Produkt- und Lösungsspektrum des Bereich Automation and Drives.

praxis plus
Durch die Erkenntnisse der Technikerabschlussarbeit ist eine Entscheidung für eines der vorgestellten Systeme ohne eine Betrachtung der Standard-Automatisierungstechnik nicht zu treffen, da die Vorteile, d.h. Kostenreduzierung durch die Durchgängigkeit eines Bussystems in einer Anlage unübersehbar sind. Hinzu kommt die zukunftsweisende Ausrichtung von neuen Anlagen als ebenso wichtiger Punkt bei der Entscheidungsfindung. Hier bietet Industrial Ethernet eine zukunftsgerichtete und zukunftssichere Basis und ist somit ein weiteres Entscheidungskriterium.
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