Hohe Flexibilität und Wirtschaftlichkeit

DER AUTOR Alex Dusdal, M.Sc. ist Mitarbeiter im Geschäftsbereich Control Systems bei Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont

Das Palladium Stage Theater befindet sich inmitten des SI-Centrums, Stuttgarts größtem Musical- und Freizeitcenter. In dem 1997 errichteten Gebäude finden über 1800 Zuschauer Platz. Mit mehr als 4800 m² Fläche zählt das Theater zu den größten Bühnen in Deutschland. Als 2013 eine Modernisierung der sicherheitsgerichteten Funktionen der Automatisierungstechnik anstand, überzeugte die vom Ingenieurbüro Michael Heiser ausgearbeitete Lösung auf Basis der Komponenten von Phoenix Contact. Das Konzept zeichnet sich zum einen durch eine hohe Flexibilität aus, da die modularen I/O-Stationen aus dem Inline-Automatisierungsbaukasten bei Bedarf einfach um weitere Standard- und Funktionsmodule ergänzt werden können. Der Ansatz erweist sich zum anderen als wirtschaftlich, da durch Nutzung der SafetyBridge-Technology keine Sicherheitssteuerung notwendig ist.

Laut Versammlungsstätten-Verordnung VStättV muss ein Theater-Betreiber die Bühne als möglichen Brandabschnitt durch einen eisernen Vorhang vom Zuschauerraum trennen. Dabei handelt es sich um eine feuerbeständige Schutzeinrichtung, die durch ihr hohes Eigengewicht in maximal 30 s heruntergefahren sein muss. Neben dem eisernen Vorhang umfassen die Sicherheitseinrichtungen der Stuttgarter Bühne auch zwei Rauchabzugshauben, die jeweils über dem Zuschauerraum sowie der Bühne angebracht sind.

Ziel der Automatisierungslösung ist die zuverlässige Funktionsweise der beschriebenen Sicherheitseinrichtungen, die Performance Level d erfüllen müssen. Zu diesem Zweck wurde eine Risikobeurteilung gemäß EN ISO 13849-1 durchgeführt, die als harmonisierte Norm zur Umsetzung der Maschinenrichtlinie auf europäischer Ebene verabschiedet worden ist. Konkret fungiert die EN ISO 13849-1 als Norm für die Auslegung sicherheitsgerichteter Steuerungen im Umfeld der Maschinenrichtlinie. Der für das Palladium Stage Theater ermittelte Performance Level d entspricht der zweithöchsten Anforderungsstufe an das zu nutzende Steuerungssystem. Zur Realisierung dieser Sicherheitsanforderungen verwenden Michael Heiser und sein Team SafetyBridge-Module und weitere Klemmen aus dem Inline-Automatisierungsbaukasten zum Einsammeln der I/O-Signale sowie zwei Kleinsteuerungen ILC 171 ETH 2TX, wobei alle Komponenten Bestandteil des Easy-Automation-Portfolios sind.

Als Kernelement der Automatisierungslösungen verteilen sich die Steuerungen auf zwei Einbauorte – einen größeren Schaltschrank neben einem Hydraulikpumpen-Aggregat sowie einen kleineren Verteilerkasten auf dem Dachboden des Bühnenraums. Die beiden Controller sind über eine Ethernet-Leitung miteinander verbunden und tauschen via Modbus/TCP Daten aus. Die applikative Umsetzung der Kommunikation zwischen beiden Geräten erfolgt mit Hilfe von Modbus/TCP-Funktionsbausteinen in der Engineering-Software PC Worx. Dabei dient eine SPS als Modbus/TCP-Client, während der andere Controller die Aufgaben eines Servers übernimmt. Die Automatisierungslösung sieht ferner den Einsatz einer USV der Produktfamilie Quint von Phoenix Contact vor. Die Parameterdaten der USV lassen sich über ihre RS232-Schnittstelle vom ILC 171 ETH 2TX auslesen, sodass beispielsweise ein Austausch der Stützakkus erst zum tatsächlichen Lebensende der Akkus veranlasst werden muss.

Die Besonderheit der SafetyBridge-Technology liegt darin, dass die Datenpakete über ein Standard-Busprotokoll übertragen werden können. Bei der Technologie handelt es sich somit nicht nur um eine steuerungs- sondern auch um eine netzwerkunabhängige Sicherheitslösung. Im Palladium Stage Theater findet der Austausch der sicherheitsgerichteten Datenpakete also über eine Standard-Ethernet-Leitung und das Modbus/TCP-Protokoll statt. Dies ist möglich, weil das eigentliche SafetyBridge-Protokoll einem Standard-Busprotokoll wie Modbus oder Profinet überlagert wird. Die beiden Kleinsteuerungen übernehmen keine sicherheitsgerichteten Aufgaben, sondern werden nur als Kommunikationsmedium genutzt.

Für die Inline-Controller stellen sich die Daten der SafetyBridge-Module wie gewöhnliche I/O-Daten dar. Daher werden sie nicht als Safety-Daten erkannt und verarbeitet, sondern lediglich von einem Controller zur anderen SPS kopiert. Die Verarbeitung der kompletten Sicherheitsfunktionen führen die SafetyBridge-Module mit ihrer internen Logik aus. Die Parametrierung der SafetyBridge-I/O-Module und die Erstellung der internen Sicherheitslogik erfolgen mit dem Engineering-Tool Safeconf.

Treten ein Spannungsausfall oder die Unterbrechung der Ethernet-Verbindung auf, ist ein sicherer Zustand gefordert. In diesem Fall wird der eiserne Vorhang heruntergefahren und die beiden Rauchabzugshauben im Bühnen- und Zuschauerraum werden geöffnet. Hydraulikzylinder sorgen für das Aus- respektive Einfahren der Schutzvorrichtungen. Ein Pumpenaggregat regelt den Speicherdruck zum Halten der Rauchabzugshauben von Zeit zu Zeit nach. Die Kolbenstange des großen Hydraulikzylinders des eisernen Vorhangs bewegt sich horizontal. Durch mehrere Umlenkrollen wird die Kraftrichtung dann vertikal auf den eisernen Vorhang übertragen.

Während sich der eiserne Vorhang durch die Gewichtskraft von mehr als 10 t innerhalb von maximal 30 s senken lässt, müssen die beiden Rauchabzugshauben gegen ihr Eigengewicht hochgefahren werden. Für die große Rauchabzugshaube über der Bühne bringen die zwei hydraulischen Zylinder eine resultierende Kraft von mehr als 107.800 N auf. Das ist nur mit Hilfe von größeren Druckspeicherbehältern möglich. Wenn das System in den sicheren Zustand versetzt wird, fahren die Ventile der Druckspeicherbehälter in ihre sichere Stellung und geben den Druck in die Zylinder ab, damit die Rauchabzugshaube durch die Kolben hochgefahren wird. ge

Der ILC 171 ETH 2TX, der über zwei Ethernet-Ports verfügt, gehört zu den Inline-Controllern der 100er Leistungsklasse. Diese Kleinsteuerungen bilden den Kern des Automatisierungssystems Easy Automation von Phoenix Contact. Damit steht dem Anwender eine komplette Lösung für die wirtschaftliche Automa- tion von kleinen und mittleren Applikationen zur Verfügung. Sollen funktional sichere Anwendungen umgesetzt werden, lässt sich dies mit den SafetyBridge-Modulen des Inline-Automatisierungsbaukastens realisieren. Die Verarbeitung der Sicherheitsfunktionen findet direkt in den SafetyBridge-Modulen statt.