Funktion und Sicherheit in einer Steuerung

DER AUTOR Arndt Christ ist Leiter Customer Support bei der Pilz GmbH & Co. KG in Ostfildern.

Im Rahmen von Automatisierungskonzepten, die eine enge Interaktion zwischen Mensch und Maschine ermöglichen, nimmt die Bedeutung der sicheren Automatisierungstechnik zu. Je nach Maschine und gefordertem Sicherheitskonzept – und abhängig von der vorgeschriebenen Risikobeurteilung – entsteht zunächst ein spezielles Anforderungsprofil. Das reicht von einer Stand-alone-Struktur – als standardisierbares Sicherheitssystem, anpassbar an jede bestehende Maschinensteuerung – bis hin zu einem System, das einheitlich sowohl die Aufgabenstellungen der Sicherheits- als auch der Automatisierungsfunktionen abdeckt. Entscheidend ist die Interaktion zwischen Mensch und Maschine – und damit verbundenen die gesetzlichen Anforderungen.

Eine erste und wichtige Grundlage ist, während der Konstruktion anhand der Risikobeurteilung nach der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG den erforderlichen Perfomance Level (PL) nach EN ISO 13849-1 zu ermitteln und die Betriebs- und Bedienanforderungen im Sicherheitskonzept und -design der Maschine im Vorhinein festzulegen. Bei der Auswahl der Sicherheitssteuerungen und der verbundenen Komponenten muss daher darauf geachtet werden, dass diese dem geforderten Sicherheitslevel entsprechen beziehungsweise den in den jeweiligen Ländern spezifischen Normen und Richtlinien.

Bestimmende Größe für die Auswahl des passenden Sicherheitssystems ist dann auch der Funktionsumfang der Anlage. So haben beispielsweise Einzelmaschinen gegenüber verketteten Maschinen naturgemäß weniger Sicherheitsfunktionen – und benötigen keine übergeordnete Sicherheitsfunktion wie etwa eine Sicherheitsbereichsabschaltung. Für diesen Anwendungsfall eignen sich insbesondere konfigurierbare Steuerungssysteme. Ein klassisches Anwendungsgebiet ist der Serienmaschinenbau. Dort sind die Hersteller häufig gezwungen, vorgegebene oder länderspezifische Maschinensteuerungen zu verwenden. Auch müssen immer wieder geringfügige Änderungen am Automatisierungskonzept umgesetzt werden. Offenheit ist daher ein Muss. Da beispielsweise konfigurierbare Steuerungssysteme wie das PNOZmulti von Pilz alle gängigen Feldbus- und Ethernet-basierenden Kommunikationssysteme unterstützen, können Maschinenbetreiber ihre individuell passende Betriebssteuerung wählen – und brauchen sich über die Anbindung der Sicherheit keine Gedanken zu machen. Aus dieser Standardisierung der Sicherheit ziehen sowohl Hersteller als auch Anwender einen Nutzen; sowohl im Betrieb als auch bei der Fehlersuche, der Konstruktion der Maschinen und der Schulung.

Eine der Stärken der konfigurierbaren Steuerungssysteme des Typs PNOZmulti ist dabei deren einfache Handhabung. Statt von Hand zu verdrahten, erstellt der Anwender sein Sicherheitsprogramm schnell und einfach mit dem Softwaretool PNOZmulti Configurator und den dort hinterlegten zertifizierten Funktionsbausteinen für sicherheitstechnische Funktionen. Gegenüber konventionell verdrahteten Lösungen sparen Anwender so Zeit und Kosten bei Planung, Projektierung, Inbetriebnahme, Diagnose und Wartung. Die konfigurierbaren Steuerungssysteme sind darüber hinaus leistungsfähig genug, um an kleineren Maschinen die komplette Maschinensteuerung zu übernehmen. Der Maschinenbauer kann so durch den Verzicht auf ein zusätzliches Steuerungssystem Einsparungen in vielen verschiedenen Bereichen erzielen, angefangen von den Hardwarekosten über den Platz im Schaltschrank bis hin zu den Beschaffungs- und Bevorratungskosten.

Sicherheit ist zudem immer häufiger nicht mehr nur durch statische Ereignisse wie etwa das Betätigen einer Not-Halt-Einrichtung oder das Öffnen einer Schutztür geprägt, sondern die Steuerung muss in der Lage sein, auf vielschichtige Zustände oder die Ergebnisse komplexer Berechnungen zu reagieren.

In Zukunft werden deswegen dynamische Sicherheitskonzepte wie beispielsweise unterschiedliche Betriebsarten oder Drehmomentüberwachung in Abhängigkeit von der Position einer oder mehrerer Achsen weiter Einzug in die Steuerungsarchitektur halten. Das erfordert umfangreichere Beziehungen zu den einzelnen Elementen innerhalb der gesamten Prozesskette. Maschinendaten – gleich ob für Automation oder Sicherheit – müssen gemeinsam verarbeitet werden.

Der Trend geht dahin, dass Automatisierungs- und Sicherheitsfunktionen eine gemeinsame Steuerungsarchitektur verwenden – oder dass die beiden bislang getrennten Bereiche funktional sogar miteinander verschmelzen. Gerade bei verteilten Anlagen setzen sich gemischte Aufbauten durch, um beispielsweise Verkabelungsaufwand und Schnittstellenprobleme zu minimieren.

Wie groß die Synergien bei Visualisierung und Diagnose, Service- und Wartungsarbeiten bis hin zum Engineering sein können, wenn funktionale und sichere Anteile einer Maschinensteuerung gemeinsam betrachtet werden, zeigen die Steuerungen PSSuniversal PLC von Pilz. Da sie vollwertige speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind, können Anwender wählen, ob sie mit den standardisierten Editoren nach EN/IEC 61131-3 für Automatisierungs- und Sicherheitsaufgaben programmieren oder mit dem Programm-Editor PASmulti, der die Konfigurationsphilosophie des PNOZmulti Configurator fortsetzt, konfigurieren. In allen genannten Editoren bietet Pilz eine Vielzahl sicherer, zertifizierter Funktionsbausteine.

PSSuniversal PLC sind als ‚Allrounder‘ Steuerungen im Automatisierungssystem PSS 4000 von Pilz. Hinzu kommt PSSuniversal multi – einsetzbar als Stand-alone-Steuerung oder vernetzt im Systemverbund mit PSSuniversal PLC, PSSuniversal I/O und Netzwerkkomponenten. Beide setzen die Philosophie der konfigurierbaren Sicherheitssysteme fort; der Anwender kann mit ihnen sowohl lokale Sicherheitsfunktionen realisieren als auch Standard-Peripheriesignale aufnehmen und weiterleiten.

Die zentrale Idee des PSS 4000 ist die Verschmelzung von Automation und Sicherheit. Prozess- oder Steuerungsdaten, Fail-safe-Daten und Diagnoseinformationen werden über das auf Ethernet basierende SafetyNET p ausgetauscht und synchronisiert. Damit spielt es für die Steuerungsfunktion keine Rolle, wo der zugehörige Programmteil abgearbeitet wird. Statt einer zentralen Steuerung steht dem Anwender ein zur Laufzeit verteiltes Anwenderprogramm in einem zentralen Projekt zur Verfügung. Darüber werden alle Netzteilnehmer konfiguriert, programmiert und diagnostiziert. Der Anwender behält also für alle Steuerungsaufgaben eine zentrale Sicht auf verteilte Systeme. Wenn die Intelligenz in die Maschinenteile verteilt wird, zeigen sich die Vorteile in einer höheren Verfügbarkeit durch lokale Fehlerreaktionen sowie einer höheren Produktivität infolge kürzerer Reaktionszeiten des Gesamtsystems. Die Aufteilung in kleinere Maschinenmodule führt zudem zu einer besseren Skalierbarkeit.

Mit solchen Multi-Master-Automatisierungsstrukturen entstehen weitgehend autarke Zellensteuerungen, die untereinander im Verbund agieren können. PSS 4000 ermöglicht es also, den mechatronischen Ansatz auch auf die Steuerungsebene zu übertragen – zugleich ein wichtiger Schritt in Richtung Industrie 4.0. Anlagen lassen sich in übersichtliche, selbstständig arbeitende Einheiten zerlegen. Aufwände für Engineering, Inbetriebnahme und Wartung werden deutlich reduziert.

Wenn mechatronisch gedacht und konzipiert wird, können beispielsweise System- und Hardwareentwicklung parallel stattfinden. Bislang wird mit der Software-Entwicklung erst begonnen, wenn feststeht, wie eine Maschine aussehen soll. Änderungen oder erweiterte Aufgabenstellungen sind nachträglich nur sehr aufwändig zu realisieren, da das bis dahin geschriebene Programm direkt auf die Hardware zugreift. Auch der Grad der Standardisierbarkeit von Teilen von Maschinen und Anlagen steigt, so dass sich diese flexibel und schnell auf veränderte Kundenwünsche anpassen lassen. Damit hat die Zukunft der Automatisierung bereits begonnen. co

Hannover Messe: 9-D17

Safety-Anforderungen limitieren die Leistungsfähigkeit einer Maschine, wenn sie erst nachträglich betrachtet werden. Konstrukteure, die bereits zu Beginn der Produktentwicklung konsequent die Anforderungen berücksichtigen, können damit vor allem die Verfügbarkeit erhöhen. Ein wichtiges Kriterium bei der Wahl der richtigen Steuerungstechnik ist dabei die Möglichkeit, den Controller zu konfigurieren. Nur so erhält der Anwender die erforderliche Flexibilität.