Einfach integriert – Safety mit an Bord

DER AUTOR Martin Bauer ist Produktmanager Automation bei der Omron Electronics GmbH in Langenfeld www.industrial.omron.de

Die Vorteile softwarebasierender Sicherheitssysteme liegen auf der Hand: Der Systementwurf ist nicht mehr in die zwei Schritte ‚Zeichnen‘ und ‚Verdrahten‘ aufgeteilt (da in der Software bereits die komplette Funktion festgelegt wird) und die integrierte Entwicklungsumgebung unterstützt den Evaluierungsprozess der Safety-Applikation mit zahlreichen Simulations- und Testmöglichkeiten. Ein weiteres Plus ergibt sich bei der Inbetriebnahme: Sollten Änderungen erforderlich sein, lassen sich diese leicht über die Software ausführen, ohne dass in die häufig sehr komplexe Funktionsverdrahtung der Sicherheitsauswertegeräte eingegriffen werden muss. Darüber hinaus kann einmal gewonnenes Know-how im wahrsten Sinne des Wortes kopiert werden und alle nötigen Dokumentationen erstellt das Softwaretool automatisch. Nicht zuletzt wird der Funktionsstand eindeutig definiert, wo hingegen eine Manipulation der Verdrahtung nach Auslieferung der Anlage nie ausgeschlossen werden kann.

Als weitere Bausteine der Automatisierungsplattform Sysmac stellte Omron deswegen zur SPS IPC Drives erstmals den programmierbaren Safety-Controller Sysmac NX und die dazugehörigen Module mit sicheren Ein- und Ausgängen vor. Sie fügen sich nahtlos in das Gesamtkonzept des All-in-one-Maschinencontrollers Sysmac NJ ein, zusammen mit Motion Control, Ablaufsteuerung und Bildverarbeitung. Auf diese Weise profitiert der Anwender neben der einheitlichen Kommunikation über EtherCAT vor allem von der durchgängigen Programmierung des Gesamtsystems mit dem integrierten Softwaretool Sysmac Studio. In der Entwicklungsumgebung steht zudem jetzt ein völlig neuer Funktionsblockeditor zur Verfügung, der die Implementierung der Sicherheitsfunktionen in das Steuerungssystem der gesamten Maschine erleichtert.

Durch die Integration der Maschinensicherheit (Safety) in eine einheitliche Entwicklungsumgebung werden Systementwurf, Einrichtung und Wartung erheblich vereinfacht. Denn die Programmierung sowohl der Safety-Controller Sysmac NX als auch der Standard-Controller Sysmac NJ erfolgt nun mit derselben Entwicklungsumgebung (entsprechend IEC 61131-3). Dadurch, dass die Safety-Variablen automatisch in das Ablaufprogramm des Standard-Controllers integriert sind, lassen sich Anwendungen noch schneller und einfacher erstellen.

Für die Programmierung der Safety-Anwendung steht ein Baukasten-System mit 46 verschiedenen, nach PLCopen Safety zertifizierten Funktionsbausteinen zur Verfügung. Darunter befinden sich solche für Basisfunktionen wie Äquivalenz und Antivalenz sowie auch Bausteine für eine sichere Zweihandbedienung und die Auswertung von Sicherheitslichtgittern mit diversen Muting-Varianten. Auf diese Weise lassen sich in dem neuen graphischen Funktionsblockeditor selbst komplexe Sicherheitsanwendungen einfach und übersichtlich erstellen. Zumal die Automatisierungsplattform Sysmac ein sehr offenes System ist, das die Einarbeitungszeit reduziert und den Know-how-Transfer zwischen den unterschiedlichen Automatisierungslösungen am Markt vereinfacht.

Durchgängigkeit und Offenheit sind auch bei der Kommunikation gewährleistet. Der Safety-Controller kommuniziert mit den Safety-E/A-Modulen über das EtherCAT-Protokoll FSoE (Fail Safe over EtherCAT). Controller und E/A-Module lassen sich so an beliebiger Stelle innerhalb des EtherCAT-Netzwerks einsetzen. Sichere und nicht sichere Baugruppen können dabei gemischt betrieben werden und Änderungen der physischen Anordnung der Safety-E/A-Module im System ziehen keine neue Zertifizierung der Safety-Applikation nach sich. Zudem werden keine zusätzlichen Anforderungen an EtherCAT-Koppler oder an die Netzwerk-Infrastruktur gestellt – das legt die Basis für flexible und leistungsfähige Sicherheitsanwendungen.

Das Funktionsprinzip von Safety over EtherCAT basiert auf dem sogenannten Black-Channel-Konzept. Dabei werden die funktionalen Sicherheitsdaten und die nicht sicherheitsbezogenen Daten in ein gemeinsames Kommunikationssystem eingebettet. Der gewünschte Sicherheits-Integritätslevel wird über den implementierten Protokollmechanismus erzielt. Die Wahrscheinlichkeit eines nicht erkannten Fehlers liegt bei FSoE bei einem in 100.000 Jahren.

In dieser Architektur führt der Standardcontroller die nicht-sicheren Steuerungsaufgaben und die Masterfunktion für das EtherCAT-Netzwerk aus, während der Safety-Controller die Sicherheitslogik übernimmt. Sichere Signale werden über das FSoE-Protokoll transportiert, während gleichzeitig die nicht-sicheren Signale mittels Standard-EtherCAT (CoE – CAN over EtherCAT) ausgetauscht werden. Demzufolge kann der NJ-Controller Daten, die aus den Sicherheits-E/A-Modulen stammen, überwachen und verwenden.

Der Sysmac-Safety-Controller erfüllt die höchsten Sicherheitsanforderungen bis PLe und Kategorie 4 gemäß DIN EN ISO 13849-1 sowie SIL 3 gemäß IEC 61508. Das skalierbare System bietet Controller-Baugruppen für maximal 256 oder 1024 Safety-Funktionen, wobei bis zu 128 Safety-E/A-Module in einer Sicherheitsapplikation eingesetzt werden können.

Eingebunden ist der Safety-Controller in eine komplett neue E/A-Baureihe mit über 70 verschiedenen digitalen und analogen Baugruppen. Das Highlight der neuen NX-Baureihe ist die verwendete NsynX-Technologie, die Eingänge mit hochgenauem Zeitstempel einlesen und Ausgänge mit einer Genauigkeit im Nanosekundenbereich schalten kann. Die NsynX-Technologie basiert auf der ‚Distributed-Clocks-Funktionalität‘ von EtherCAT, die für eine einheitliche Zeitbasis in allen EtherCAT-Teilnehmern sorgt.

Für den Datenaustausch zwischen den einzelnen E/A-Scheiben und dem Koppler hat Omron zudem eine neue High-Speed-Kommunikation mit einer Datenrate von 3 Gb/s entwickelt. Die so mögliche hohe Präzision der NX-Geräte trägt zusammen mit der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit des NJ-Maschinencontrollers zu einem höheren Durchsatz und höherer Produktqualität bei.