28.03.2022 – Kategorie: Hardware & IT

Funktionale Sicherheit: So gelingt die Implementierung

Funktionale SicherheitQuelle: Juice Flair/shutterstoc

Der Bedarf an funktionaler Sicherheit steigt nicht nur in industriellen Umgebungen. SIL-zertifizierte Komponenten können die Entwicklung von Systemen ebenso ­ vereinfachen wie die richtige Wahl sicherheitskritischer Sensoren.

Funktionale Sicherheit hat sich zu einem wesentlichen Bestandteil der Entwicklung von Automotive-, Industrie- und Konsumprodukten gemausert. In Fertigung und Produktion hat sich die Anzahl der elektronisch geregelten Systeme deutlich erhöht, um die Effizienz zu steigern. Industrie 4.0 und das industrielle Internet der Dinge tragen dazu bei, moderne Fabriken effizienter und produktiver zu machen. Auch der Einsatz von Industrierobotern und jüngst von kollaborierenden Robotern (Cobots) hat den Bedarf nach funktionalen Sicherheitssystemen erhöht.

Funktionale Sicherheit: Ein Muss

In der Industrie ist funktionale Sicherheit heute obligatorisch. Sie schützt Mitarbeiter vor gefährlichen Situationen und verwendet einen formalen und umfassenden Ansatz, um potenzielle Gefahrensituationen zu identifizieren und zu analysieren. Für jeden potenziellen Fehler werden die Folgen und Auswirkungen auf die Sicherheit der Nutzer durch das Sicherheitsintegritätslevel (SIL) angegeben. Dieses gibt beispielsweise an, wie schnell eine Maschine oder ein System Schutzfunktionen einsetzt, um einen Unfall zu vermeiden oder abzuschwächen.

Für verschiedene Arten von Industriemaschinen gibt unterschiedliche Normen; die meisten jedoch beziehen sich auf die international anerkannte IEC 61508 für elektrische, elektromechanische und elektronisch betriebene Maschinen. Darüber hinaus gelten einige Normen zur funktionalen Sicherheit für bestimmte Maschinen, etwa für solche mit drehzahlvariablen Antrieben, speicherprogrammierbaren Steuerungen und auch für Industrie­roboter sowie Cobots.

Im Mittelpunkt jedes funktionalen Sicher­heitssystems stehen zwei wesent­liche Konzepte: Sicherheitsfunktionen und Sicherheitsintegrität.

Funktionale Sicherheit
Funktionelles Blockdiagramm des Millimeterwellen-Radar-SoCs IWR6843. Bild: Texas Instruments

Sicherheitsfunktion und -integrität

Sicherheitsfunktionen verhindern Verletzungen oder gar Todesfälle. In der Regel wird die Funktion heute durch einen Sensor und einen Steuerschaltkreis in den vorhandenen elektronischen Systemen erreicht, aber oft kommen auch einfache mechanische Verriegelungen oder Tore zum Einsatz, um die Funktion zweifelsfrei zu erfüllen.

Die Sicherheitsintegrität definiert den Grad des Eingriffs, der erforderlich ist, um das Risiko einer Verletzung oder eines Todesfalls auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren. Die IEC 61508 definiert drei verschiedene Leistungslevel der Sicherheitsintegrität: SIL 1 bis SIL 3. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein gefährliches Ereignis häufiger auftritt, wirkt sich auf das SIL aus.

Funktionale Sicherheit der Embedded-Industriesteuerung

Embedded-Systeme sind das Herzstück jedes industriellen Steuerungssystems. Neben den Rechnerkomponenten müssen auch Sensoren, Energiemanagement und periphere Schnittstellen als potenzielle Fehlerquellen betrachtet werden, die ein zufälliges sicherheitsrelevantes Ereignis verursachen können. Um die Anforderungen an die funktionale Sicherheit zu erfüllen, integrieren bereits Halbleiter- und Sensorhersteller heute Selbstdiagnoseroutinen in ihre Geräte, mit denen die Steuerung über einen Fehler informiert werden kann. Diese kann dann beispielsweise den Betrieb der Anlage stoppen und diese in einen sicheren Zustand versetzen.

Entwickler von Steuerungssystemen können also mit der Wahl von Komponenten mit integrierten zertifizierten Sicherheitsfunktionen erheblichen Entwicklungsaufwand einsparen.

Bild: Texas Instruments

Funktionsminderungen erkennen

Wie schnell kann der Sensor auf eine Bewegung reagieren, wenn beispielsweise eine Person durch ein sich schließendes Rolltor geht? Ist die Erkennung zuverlässig und wiederholbar? Erfasst der Bewegungssensor den gesamten relevanten Bereich lückenlos? Herrschen hohe Temperaturen und Luftfeuchtigkeit und ist der Sensor auf diese Umgebung ausgelegt und arbeitet weiterhin korrekt?

Bei Rolltoren werden in der Regel Sicherheitslichtvorhänge und Lichtschranken verwendet. Das Entwicklerteam solche einer Rolltorlösung sollte jedoch alle potenziellen betrieblichen Anforderungen prüfen. Hat ein hier eiungesetzter Bewegungssensor beispielsweise ein relativ enges Sichtfeld und verrutscht etwa durch Vibrationen, so, dass er die Szene eben nicht mehr ordnungsgemäß erfasst, dann fällt seine Fehlfunktion unter Umständen gar nicht auf.

Eine kamerabasierte Schutzvorrichtung, die Bildverarbeitung und KI nutzt, bietet einen größeren Erfassungsbereich und kann Personen und Objekt sowie deren Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung ermitteln. Allerdings ist auch hier (wie beim Bewegungssensor) die Zuverlässigkeit der Kameraerkennung beispielsweise von Feuchtigkeit, Nässe und Dunst abhängig, die auch aus Produktionsprozessen stammen können.

Mit Radar zur funktionalen Sicherheit

Eine zuverlässigere Erkennungsmethode, die nicht durch die oben genannten Faktoren beeinträchtigt wird, ist Radar. Jüngste Fortschritte haben zu Entwicklungen, wie dem mmWave-RaIWR6843-System-on-Chip von Texas Instruments (TI) geführt. Es nutzt sogenannte Millimeterwellen (mmWaves).

Solche Millimeterwellen-Sensoren bieten eine hohe Genauigkeit bei der Messung von Entfernungen, Geschwindigkeiten und Winkeln auch von entfernten Objekten. In industriellen Anwendungen zeigen sich diese Sensoren robust gegenüber Umgebungsfaktoren, wie Lichtverhältnisse, Wetterereignisse und extreme Temperaturen.

Der IWR6843 arbeitet im Bereich von 60 bis 64 Gigahertz und verfügt über drei Sende- und vier Empfangskanäle. Ein Arm-­Cortex-Mikrocontroller steuert beispielsweise Objekterkennungsfunktionen, und sorgt zusammen mit einem integrierten Hardware-Beschleuniger für erweiterte Filter- und Signalverarbeitungsfunktionen. Ein Selbstkalibrierungsprozessor hält einerseits die Betriebsfrequenz auch bei Temperaturschwankungen aufrecht und ist anderseits auch für die Diagnose der funktionalen Sicherheit zuständig. Das Millimeterwellen-SoC ist gemäß IEC 61508 vom TUV Süd nach SIL2 zertifiziert.

Schnell zum Millimeterwellen-Design

Für das Design stellt TI eine Reihe von Hardware- und Software-Tools zur Verfügung. Neben der Dokumentation zu SIL2 betreibt TI auch ein Ressourcenzentrum für funktionale Sicherheit. Zudem steht das IWR6843ISK als umfassendes Sensor-Evaluierungsboard und weitere nötige und optionale Hardware für das Millimeterwellen-SOC bereit.

Im Bereich der Software gibt es mehrere Komponenten, die auf der TI-Website kostenlos zur Verfügung stehen: Das Software Development Kit (SDK) bietet Tools, Bibliotheken und Treiber, um die Evaluierung von Anwendungen und die Entwicklung von Firmware für die Sensoren zu erleichtern. Als Ergänzung zum SDK liefert der Hersteller die Industrial Toolbox, die verschiedene Anwendungscode-Snippets, Demo-Routinen und Beispiele enthält. Zu den Demos für den Industriebereich zählen Robotik, Personenzählung und Gestenerkennung.

Außerdem steht das mmWave Studio zur Verfügung, eine auf Microsoft Windows basierende GUI, mit der die IWR-Millimeterwellen-Module und Evaluierungsboards konfiguriert und gesteuert werden können. Entwickler können ADC-Daten für die Offline-Analyse von HF-Eigenschaften sowie die Entwicklung und den Betrieb von Signalverarbeitungsalgorithmen erfassen. Die Nachbearbeitung und Visualisierung von ADC-Daten über Matlab ist ebenfalls möglich.

Fazit

Die auf Millimeterwellen basierenden Radar­sensoren sind eine praktische, zuverlässige und kompakte Lösung, die im Gegensatz zu anderen Sensortypen nicht anfällig für Umwelt- und Betriebseinflüsse ist. Zudem ist der IWR6843-Sensor der erste Millimeterwellen-Sensor, der nach SIL2 zertifiziert ist, was die Prüfung und Zertifizierung des Endprodukts nach dem geforderten Standard für funktionale Sicherheit erheblich erleichtert.

Der Autor Mark Patrick ist Technical Marketing Manager bei Mouser Electronics.

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