I/O-System mit sicheren FSoE-Modulen funktional ergänzen

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Hohe Verfügbarkeit und Flexibilität sind die wesentlichen Anforderungen an alle Automatisierungslösungen. Die neuen FSoE-Module (Fail Safe over Ethercat) der I/O-Produktfamilie Axioline Smart Elements in Schutzart IP20 zeichnen sich neben einer einfachen Handhabung und hoher Flexibilität durch ihren geringen Platzbedarf im I/O-System aus.

In vielen Anwendungen wird noch heute die traditionelle, auf elektromechanischen Komponenten wie Relais und Schützen basierende Sicherheitstechnik verwendet. Ab einer mittleren bis großen Anzahl von sicheren Signalen kommen jedoch zunehmend Mikro­prozessor-Sicherheitslösungen auf der Grundlage von Sicherheitsprotokollen zum Einsatz. Von Jahr zu Jahr verschiebt sich diese Grenze weiter in Richtung kleinerer Applikationen, da die Vorteile der Sicherheitsprotokolle überwiegen. Selbst Anwendungen mit hohen Taktraten lassen sich mit der verschleißfreien Sicherheitstechnik wirtschaftlicher umsetzen, denn die Geräte müssen nicht in Abhängigkeit von ihrer Schalthäufigkeit getauscht werden. Vor diesem Hintergrund sind zahlreiche FSoE-Sicherheitssteuerungen (Fail Safe over Ethercat) am Markt erhältlich, die einen weiten Anwendungsbereich abdecken.

Doch eine Sicherheitssteuerung kann nur so gut sein wie das angeschlossene I/O-System. Deshalb hat Phoenix Contact den Automatisierungsbaukasten der Axioline Smart Elements um FSoE-Module ergänzt. Mit dem modular aufgebauten Axioline-F-System in Schutzart IP20 kann sich der Anwender die benötigten I/O-Stationen gemischt aus Axioline-F-Modulen und Axioline Smart Elements je nach Applikationsanforderungen flexibel zusammenstellen. Dazu beinhaltet das umfangreiche Portfolio Standard-, Funktions- und Safetymodule. Die sicheren digitalen Ein- und Ausgangsmodule werden dabei einfach, also ohne zusätzliche Maßnahmen, an einer beliebigen Stelle in die I/O-Station eingefügt.

Erweiterung existierender Anwendungen um die funktionale Sicherheit

Wie bereits erwähnt, lassen sich die klassischen Axioline-F-Module mit Axioline-F-Backplanes inklusive der Axioline Smart Elements beliebig kombinieren. Axioline Smart Elements können an vorhandenen Axioline-F-Buskopplern oder Axiocontrol-Steuerungen – etwa der PLCnext Control oder einer klassischen SPS – betrieben werden. Wegen des auf Ethercat basierenden Safetyprotokolls müssen die FSoE-Module allerdings hinter einem Ethercat-Buskoppler angereiht werden. Die bestehenden Buskoppler erfordern hierzu lediglich ein Firmwareupdate. Dies bedeutet, dass sich auch existierende Anwendungen um funktionale Sicherheit erweitern lassen.

Auf einer Grundfläche von 15 x 62 Millimetern sind bis zu 16 Anschlüsse auf einem Axioline Smart Element realisiert. Sie nehmen Leiter mit einem Querschnitt von bis zu 1,5 Quadratmillimetern mit Aderendhülse inklusive Kunststoffkragen auf. Die speziell entwickelten Axioline-F-Backplanes bieten vier und sechs Smart-Elements-Steckplätze. Aufgrund der Flexibilität können Anwender die Smart Elements an eine beliebige Stelle im F-Backplane stecken. 

Durch den zweikanaligen Aufbau der Backplanes reduziert sich die Baubreite der I/O-Station erheblich. Diese Verringerung ermöglicht die Verwendung kleinerer Schaltschränke und damit eine wirtschaftlich sinnvolle Miniaturisierung in der Automatisierungswelt. In diesem Umfeld kommt Zeit nicht nur Geld gleich, sondern der Platzbedarf spielt ebenfalls eine wichtige Rolle in der Gesamtlösung. Alle Axioline Smart Elements verfügen durchgängig über die Push-in-Anschlusstechnik, sodass sich die Anbindung der Signalleitungen beschleunigt.

I/O-System: Sofortige Alarmierung und umfassende Diagnose

Damit der Hersteller seine Maschine oder Anlage zu wettbewerbs­fähigen Preisen auf dem Weltmarkt verkaufen kann, muss sie produktiv, folglich ohne ungeplante Unterbrechungen arbeiten. Zur Sicherstellung einer solch hohen Verfügbarkeit ist der sicherheitsgerichtete Prozess jedoch nicht isoliert zu betrachten. Steht die Anwendung still, weil beispielsweise ein Draht gebrochen oder ein Mitarbeitender in das Lichtgitter getreten ist, muss diese Information sofort an die Visualisierung weitergeleitet werden. Hier wird dem Anwender neben dem Fehler auch ein Hinweis zur schnellen Behebung der Störung angezeigt. Ferner müssen die übrigen Maschinen- und Anlagenteile auf das Störereignis reagieren können, um die Produktion nach der Freigabe möglichst schnell wieder aufnehmen zu können. Diese Funktionen stellen Axioline F und die Axioline Smart Elements bereit.

Erkennung und Beherrschung von Übertragungsfehlern im I/O-System

Safety oder nicht Safety? Frei nach William Shakespeare ist zu klären, wie sich die Daten zu den Standard- und Safetymodulen übertragen lassen und warum bestimmte Safety-Level erreicht werden können. Selbstverständlich erfolgt die Übertragung beider Datentypen gemeinsam im selben Netzwerk – in diesem Fall Ethercat. Die Zeiten eines zusätzlichen Netzwerks speziell zum Austausch sicherheitsgerichteter Daten sind lange vorbei. Das vorhandene Ethercat-System stellt allerdings keine ausreichenden Schutzmechanismen für die funktionale Sicherheit zur Verfügung. Deshalb muss an dieser Stelle ein Sicherheitsprotokoll überlagert werden, das oberhalb des Standardprotokolls läuft. In das Sicherheitsprotokoll sind Mechanismen zu integrieren, damit jeder mögliche Fehlerfall oder eine Kombination mehrerer Fehler erkannt und beherrscht wird.

Zur Kommunikation von sicheren und Standarddaten über die Busleitung findet das Black-Channel-Prinzip zwischen der sicheren Steuerung und den sicheren I/O-Komponenten Anwendung. Zu diesem Zweck sind die Sicherheitstelegramme mit ihren eigenständigen Sicherheitsmechanismen in den Standarddatenstrom des Ethercat-Systems eingebettet und werden erst im jeweiligen Safetymodul entpacket und ausgewertet. Wie vergleichbare Safetyprotokolle – zum Beispiel Profisafe – ist das zum Einsatz kommende Safetyprotokoll FSoE darauf ausgelegt, jegliche Fehler im Datenaustausch zu detektieren und sicherheitsgerichtet darauf zu reagieren. Folgende Fehler müssen dabei angenommen respektive unterstellt und beherrscht werden:

• → Wiederholung von Telegrammen

• → Verlust von Telegrammen

• → Einfügen von Telegrammen

• → falsche Abfolge von Telegrammen

• → Verfälschung von Telegrammen

• → Verzögerung von Telegrammen

• → Fehladressierung von Telegrammen

Fazit: Vollkommene Sicherheit ist auch mit innovativer Technik nicht erreichbar. Durch gezielte Maßnahmen lässt sich das Rest­risiko jedoch auf ein vertretbares und somit akzeptiertes Maß reduzieren, wobei die Verfügbarkeit der Maschine oder Anlage nicht beeinträchtigt werden darf. Dies vor dem Hintergrund, weil häufige Ausfälle und lange Stillstandzeiten unweigerlich zu einer Manipulation der Sicherheitseinrichtung durch den Maschinenbedienenden führen, sodass die geforderten Produktionsstückzahlen erzielt werden können. Mit den in jede Axioline-F-Station integrierbaren FSoE-Modulen ist daher eine wirtschaftliche Safetylösung erhältlich, welche die Verfügbarkeit der Applikation aufgrund eines ausgefeilten Diagnosekonzepts erhöht.

Der Autor Dipl.-Ing. (FH) Lutz Rahlves ist Produktmanager in der Business Unit Industry Management and Automation bei Phoenix Contact Electronics.