Modulare Sicherheitstechnik

Zwei Erweiterungen der Sicherheits-Steuerung Flexi Soft ermöglichen die Vernetzung modularer Maschinenelemente sowie eine Kaskadierung von Sicherheitsschaltern und -Sensoren.Sick

Zwei Anforderungen gaben den Anstoß zur Technologieerweiterung. Erstens: Modulare Maschinenelemente, die jeweils mit einer eigenen Sicherheitssteuerung versehen sind, auf einfache Weise sicher zu vernetzen. Zielsetzung war es, die sicheren Steuerungen von getrennt gefertigten Maschinenmodulen am späteren Aufstellungsort mit möglichst geringem Zeit- und Arbeitsaufwand zusammenzuführen – am besten ohne Adressierung. Das heißt: Komponenten miteinander verbinden, per Teach bestätigen und fertig.

Die zweite Anforderung thematisiert die wirtschaftliche Integration sicherer Schalter und Sensoren in ein Maschinenmodul. Kosten für Schalteingänge und Verkabelung sollen eingespart werden. Gleichzeitig gilt es, die Forderung nach intelli­genten Diagnosemöglichkeiten auch bei kaskadierten Schaltern und Sensoren zu erfüllen – natürlich unter Beibehaltung des höchsten Sicherheitsniveaus: Performance Level PL e. Die beiden Anforderungen hat Sick in zwei Lösungskonzepte für die Sicherheitssteuerung Flexi Soft umgesetzt: Flexi Line und Flexi Loop.

Flexi Loop erlaubt das Kaskadieren von ­sicheren Schaltern und Sensoren innerhalb eines Maschinenmoduls.Sick

Sicherheitsgerichtete Vernetzung wird flexibel

Verteilte Maschinen oder Maschinenteile sind spätestens bei der Inbetriebnahme beim Endkunden miteinander zu kombinieren und zu vernetzen. Die Sicherheitsfunktionen eines Maschinenelements müssen, wenn relevant, auch für andere Maschinenelemente zur Verfügung stehen, damit zum Beispiel bei einem Not-Halt in einem Modul auch andere, in der Regel die benachbarten Maschinenmodule, abschalten. Zudem gilt es, die sicherheitsgerichteten Signale innerhalb des Maschinenverbunds bidirektional weiterzuleiten, zu verarbeiten und auszuwerten. Mit dem Interface Flexi Line für die Safety-­Steuerung Flexi Soft wurde dazu eine einfache und effiziente Möglichkeit geschaffen, um modulare Maschinenelemente zu verbinden. Diese Funktionalität ist standardmäßig im Flexi-Soft-Hauptmodul enthalten. Es werden also keine Zusatzmodule benötigt. Die Hauptmodule der einzelnen Flexi-Soft-Stationen müssen lediglich über das Flexi-Line-Interface miteinander verbunden werden. Über die Schnittstelle können bis zu 32 Sicherheitssteuerungen sicher vernetzt und die Sicherheitsfunktionen über mehrere Maschinen verkettet werden – bei Bedarf auch schrittweise mit dem Ausbau einer Anlage. Der Anlagenbetreiber definiert einmalig sein benötigtes Prozessabbild, um die Sicherheitsapplikation für die gesamte Anlage zu lösen.

Auf dieses Prozessabbild greifen die Safety-Steuerungen der Anlagenmodule zu und entnehmen die benötigten Daten, um entsprechend zu reagieren, oder sie aktualisieren die relevanten Daten in diesem Abbild. Dieses Konzept hat verschiedene Vorteile: Abhängig vom Fortschritt der Fertigung, bei der Inbetriebnahme aber auch bei einer produktionsbedingten Anlagenumrüstung, lassen sich einzelne Module in Betrieb nehmen oder einzelne Maschinenelemente nachträglich in den Gesamtverbund integrieren. Und das funktioniert ganz ohne Adressierung: Das Entfernen oder Hinzufügen sowie Ändern der Reihenfolge von Safety-Stationen erfolgt mittels einfacher Teach-Funktionen. Bei der Vernetzung sind Leitungslängen bis zu 1.000 m zwischen den einzelnen Steuerungssystemen realisierbar – ideal also für Anlagen, deren Elemente räumlich getrennt aufgestellt sind. Das gesamte Abbild der Kommunikationsprozesse, etwa zur nachfolgenden oder vorhergehenden Station, sowie der Datenaustausch der Steuerungen kann einmalig in der Projektierungssoftware Flexi Soft Designer definiert werden. Dadurch muss eine Station nicht alle Signale verarbeiten und auswerten. Für Wartungszwecke lassen sich Anlagenteile zudem sicherheits- und steuerungstechnisch aus dem Maschinenverbund herauslösen, ohne die Analge stillsetzen zu müssen. Das verringert den Aufwand in verketteten Anlagen.

Die Versorgungs- und Kommunikationsstrecke zwischen einzelnen Knoten darf bis zu 30 m betragen, so dass ein Loop im Vollausbau bis zu 960 m lang sein kann.Sick

Sensor/Aktor-Kaskaden reduzieren Aufwand

Mit Flexi Loop will Sick die Reihenschaltung sicherer machen. Bei konventioneller Verdrahtung werden diverse Fehler nicht aufgedeckt, weil durch die Reihenschaltung Folgefehler maskiert ausgeblendet werden. Dies verhindert Flexi Loop durch das Überwachen jedes einzelnen Sensors. Während aus sicherheitstechnischer Sicht der Performance Level bei konventioneller Verdrahtung mit mehreren Sensoren auf PL d oder c sinkt, erfüllt die Aktor/Sensor-Kaskadierung mit Flexi Loop die Anforderungen des Performance Level e nach DIN EN ISO 13849-1 – der den Einsatz geeigneter Geräte vorausgesetzt. Auch reduziert sich die Reaktionszeit des Gesamtsystems, da sich die Ansprechzeiten von Sensoren im Gegensatz zur diskreten Verdrahtung nicht addieren.

Mit dem dezentralen Integrationskonzept können im Rahmen einer Flexi-Soft-Steuerungslösung bis zu acht Sensorkaskaden mit jeweils 32 zweikanaligen Sicherheitsschaltern und Sicherheitssensoren angebunden werden. Technisch und wirtschaftlich interessant ist dies zum Beispiel für Verpackungsmaschinen oder Anlagen in der Elektronik- und Solarkomponenten-Produktion. Diese haben in der Regel eine Vielzahl zu überwachender Türen, Schutzklappen und Abdeckungen, Not-Aus-Taster sowie sichere Sensoren zur Überwachung mechanisch nicht-abgeschirmter Maschinenöffnungen. All diese Schalter und Sensoren separat zu integrieren, ist teuer. Die Kaskadierung spart diese Kosten nahezu vollständig ein, da der gesamte Loop lediglich einen sicheren Schalteingang benötigt und ungeschirmte Standardkabel (fünfadrig) mit Standard-M12-Steckverbinder verwendet werden.

Zur Reihenschaltung und Anbindung an verschiedene Erweiterungsmodule der Sicher­heitssteuerung stehen Anschlussknoten sowohl für elektromechanische Sicherheitsschalter als auch für Sicherheitssensoren mit OSSD-Ausgangsschaltelementen (Out-put Signal Switching ­Device) zur Verfügung. Die Versorgungs- und Kommunikationsstrecke zwischen den einzelnen Knoten darf bis zu 30 m betragen, sodass ein Loop im Vollausbau bis zu 960 m lang sein kann. Um die Planung der Kaskade oder die Berechnung des Energieverbrauchs zu vereinfachen, kann die gesamte Schleife in Segmente eingeteilt und separat betrachtet werden. Im Betrieb liefern die Knoten zudem wichtige Diagnoseinformationen. Darüber lässt sich eindeutig identifizieren, welcher Schalter oder Sensor eine Störung meldet und welche Fehlerart zugrundeliegt. Das verkürzt Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten und damit Dauer und Kosten eines Maschinenstillstands.

Über das Flexi-Line-Interface, das standardmäßig im Flexi-Soft-Hauptmodul enthalten ist, lassen sich bis zu 32 Stationen sicher vernetzen und Sicherheitsfunktionen über mehrere Maschinen verketten.Sick

Das Wettbewerbsumfeld

Im Markt gibt es verschiedene Optionen für die sicherheitsgerichtete Kaskadierung. Einige erfordern spezielle Anschlusskabel, ein Gateway-Modul und eine aufwendige Adressierung der Sensoren. Andere Ansätze funktionieren nur mit zweikanaligen OSSD-Sensoren – und die Diagnosefunktion benötigt eine diskrete Verdrahtung. Wieder andere Konzepte sind proprietär.

Diese Nachteile vermeidet Flexi Loop: Die Integration ist ohne Gateway über ein ungeschirmtes Standardkabel möglich, das auch die kompletten Diagnose­informationen – wer hat geschaltet und warum? – überträgt. Es können elektromechanische und magnetische Sicherheitsschalter, Sicherheitssensoren mit OSSD sowie Taster, Lampen und Zuhaltungen eingesetzt und dabei gleichzeitig mit Energie versorgt werden. Außerdem lassen sich sowohl sichere Sensoren (Eingänge) als auch Standardsensoren (Eingänge) und Standardaktoren (Ausgänge) auswerten. Schließlich ist das System offen für sicherheitsgerichtete Schalter und Sensoren sämtlicher Hersteller. Somit bleibt die Beschaffungsunabhängigkeit des Maschinenbauers wie auch des Endkunden erhalten. Per Plug and Play funktioniert das System mit Schaltern von Sick, die mit ihren M12-Steckern und der passenden Pin-Belegung Flexi Loop bereits unterstützen.

Für beide Technologien sind die weiteren Entwicklungsschritte vorgezeichnet. Für Flexi Loop wird es intelligentes Diagnose­zubehör geben, das die Verdrahtung und Anschlussprüfung bei der Inbetriebnahme vereinfacht und im Betrieb vor Ort den Betriebszustand wie auch Fehlermeldungen visualisiert. Darüber hinaus bleibt die Kaskadierung nicht auf die eine Safety-­Steuerung beschränkt: Die Entwicklung eines Flexi-Loop-Masterknotens für die Sicherheitssteuerung Flexi Classic (per Codierschalter konfigurierbar) läuft bereits auf Hochtouren.

(sk)