Safety effizient: Steuerungs-Vernetzung und Sensor-Kaskadierung

Mit dem Ausbau der modularen Sicherheits-Steuerung Flexi Soft legt Sick einen besonderen Schwerpunkt auf technisch wie auch wirtschaftlich effiziente Safetylösungen. Das Steuerungsmerkmal Flexi Line dient der Verbesserung der sicherheitsgerichteten Umsetzung modularer ­Maschinenkonzepten. Damit will der Hersteller die Forderung nach einer kostensparenden Kaskadierung sicherer Schalter und Sensoren innerhalb eines Maschinenmoduls sowie umfangreicher Diagnosemöglichkeiten ­erfüllen - unter Beibehaltung des Performance Level PL e.

Die vielfältigen Konfigurationsoptionen der modularen und die Inbetriebnahme erleichternden Sicherheits-Steuerung ermöglichen den individuell skalierbaren Aufbau sicherheitsgerichteter Steuerungssysteme. So bieten sie dem Anwender eine intelligente Modularität. Dadurch lässt sich die Sicherheitssteuerung an die Anforderungen vielfältiger Sicherheitsapplikationen effizient anpassen.

Sicher vernetzt - effizient integriert
Flexibel kombinierbare Funktionsmodule, kompakte Baugröße in jeder möglichen Endkonfigurationen, softwareunterstützte Logikfunktionen und bidirektionale Gateways für alle gängigen Feldbusanbindungen - diese Anforderungen an effiziente Sicherheits-Steuerungen werden um zwei weitere Trends ergänzt: Zum einen geht es darum, modulare Maschinenelemente, die jede mit einer eigenen Sicherheits-Steuerung versehen sind, auf einfache Weise sicher zu vernetzen. Dies soll es beispielsweise ermöglichen, die sicheren Steuerungen getrennt gefertigter Maschinenmodule am späteren Aufstellungsort mit geringstmöglichem Zeit- und Arbeitsaufwand zusammenzuführen - am besten ohne Adressierung, d. h. einfach verbinden, per Teach bestätigen und fertig.

Der zweite Trend thematisiert die wirtschaftlich effiziente Integration sicherer Schalter und Sensoren in ein Maschinenmodul. Kosten für Schalteingänge und Verkabelung sollen gespart werden. Gleichzeitig gilt es, den Wunsch nach intelligenten Diagnosemöglichkeiten auch bei kaskadierten Schaltern und Sensoren zu erfüllen - alles unter Beibehaltung des höchsten Sicherheitsniveaus, sprich Performance Level PL e.
Für die unbegrenzte Vernetzung von Maschinenmodulen untereinander wie auch zur Kaskadierung von sicheren Schaltern und Sensoren innerhalb eines Maschinenmoduls bietet die Sicherheits-Steuerung Flexi Soft intelligente Lösungskonzepte: Flexi Line und Flexi Loop.

Vernetzung modularer Maschinen­elemente
Komplexe Automatisierungskonzepte sind meist modular konstruiert. Das heißt: Verteilte Maschinen oder Maschinenteile sind spätestens bei der Inbetriebnahme beim Endkunden miteinander zu kombinieren beziehungsweise zu vernetzen. Sicherheitsfunktionen eines Maschinenelements müssen, wenn relevant, auch für andere Maschinenelemente zur Verfügung stehen, damit z. B. bei einem Not-Halt in einem Modul die anderen Maschinenmodule gleichzeitig abgeschaltet werden. Zudem gilt es, die sicherheitsgerichteten Signale innerhalb des Maschinenverbunds bidirektional weiterzuleiten, zu verarbeiten und auszuwerten. Mit dem Interface Flexi Line eröffnet die Sicherheits-Steuerung Flexi Soft eine einfache wie auch effiziente Möglichkeit, um modulare Maschinenelemente zu verbinden.

Diese Funktionalität ist standardmäßig in dem 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 Flexi-Soft-Stationen sicher vernetzt und Sicherheitsfunktionen über mehrere Maschinen verkettet werden. Und dies bei Bedarf „step by step".
Der Anlagenbetreiber definiert sich einmalig sein benötigtes Prozessabbild, um die Sicherheitsapplikation für die gesamte Anlage zu lösen. Die Anlagenmodule entnehmen aus dem Abbild die Daten, die Sie benötigen, um entsprechend zu reagieren bzw. geben nur relevante Daten an das Abbild weiter. Daraus resultierend können je nach den Fortschritten in der Fertigung oder bei der Inbetriebnahme einzelne Anlagenmodule in Betrieb genommen oder auch einzelne Maschinenelemente nachträglich in den Gesamtverbund integriert werden. Und das ohne Adressierung: Das Entfernen oder Hinzufügen sowie die Änderungen der Reihenfolge von Flexi-Soft-Stationen erfolgt durch eine einfache Teach-Funktion.

Bei der Vernetzung sind Leitungslängen bis zu 1.000 m zwischen den einzelnen Steuerungssystemen realisierbar - das kommt also vor allem Anlagen entgegen, deren Elemente räumlich deutlich getrennt aufgestellt sind. Das gesamte Abbild der Kommunikationsprozesse, z. B. zur nächsten Station, zur vorhergehenden Station oder gleichzeitig zu beiden, sowie der Datenaustausch der Steuerungen kann durch den Kunden einmalig in der Software Flexi Soft Designer definiert werden. Dadurch müssen beispielsweise nicht alle Signale in jeder Station verarbeitet und ausgewertet werden. Für Wartungszwecke lassen sich Anlagenteile zudem sicherheits- und steuerungstechnisch aus dem Maschinenverbund herauslösen. Dadurch können Module in verketteten Anlagen kostengünstig und effizient gewartet werden.

Kaskadierung sicherer Schalter und Sensoren bis PL e
Eine wichtige Innovation von Flexi Loop ist, dass Reihenschaltungen sicherer werden. Bei konventioneller Verdrahtung werden diverse Fehler nicht festgestellt, weil durch die Reihenschaltung Folgefehler „maskiert" werden. Dies verhindert das System durch Überwachung eines jeden einzelnen Sensors. Während aus sicherheitstechnischer Sicht der PL bei konventioneller Verdrahtung mit mehreren Sensoren auf PL d oder c sinkt, erfüllt die Schalter- und Sensorkaskadierung mit Flexi Loop beim Einsatz geeigneter Geräte jederzeit die Anforderungen des Performance Level e nach DIN EN ISO 13849-1.

Zusätzliche Diagnosekontakte sind hierfür nicht erforderlich. Und auch die Reaktionszeit des Gesamtsystems verkürzt sich, weil im Gegensatz zur diskreten Verdrahtung die Reaktionszeit von Flexi Loop deutlich kürzer ist als die Addition der Ansprechzeiten der einzelnen Sensoren.
Mit dem dezentralen Integrationskonzept Flexi Loop können im Rahmen einer Flexi-Soft-Steuerungslösung bis zu acht Sensorkaskaden mit jeweils bis zu 32 zweikanalige Sicherheitsschalter und Sicherheitssensoren auf kosteneffiziente Weise angebunden werden. Technisch und wirtschaftlich interessant ist dies z. B. für Verpackungsmaschinen oder Anlagen in der Elektronik- und Solarkomponenten-Produktion. Diese weisen in der Regel eine Vielzahl von zu überwachenden Türen, Schutzklappen und Abdeckungen, Not-Halt-Taster sowie sichere Sensoren zur Überwachung mechanisch nicht abgeschirmter Maschinenöffnungen auf. All diese Schalter und Sensoren separat zu integrieren kostet viel Geld, z. B. für geschirmte Spezialkabel, für die diskrete Verdrahtung und für die sicheren Eingänge der Sicherheits-Steuerung. Ihre Kaskadierung per Flexi Loop spart diese Kosten nahezu vollständig ein, da der gesamte „Loop" nur noch einen sicheren Schalteingang benötigt und ungeschirmte 5-Adern-Standardkabel mit Standard-M12-Anschlusstechnik verwendet werden.

Anschlussknoten mit Anbindungs- und Diagnosefunktion
Zur Reihenschaltung und Anbindung an verschiedene Erweiterungsmodule der Sicherheits-Steuerung Flexi Soft stehen Anschlussknoten sowohl für elektromechanische Sicherheitsschalter als auch für Sicherheitssensoren mit OSSD-Ausgangsschaltelementen (für: Output Signal Switching Device) zur Verfügung. Die Versorgungs- und Kommunikationsstrecke zwischen den einzelnen Knoten kann bis zu 30 m betragen, so dass ein „Loop" im Vollausbau insgesamt bis zu 960 m lang sein kann. Um die Planung der Verdrahtung der Kaskade oder die Berechnung des Energieverbrauchs zu vereinfachen, kann die gesamte Schleife in Segmente eingeteilt und diese so separat betrachtet werden.

Im Betrieb liefern die Flexi-Loop-Knoten wichtige Diagnoseinformationen. Im Falle eines Fehlers kann in der Steuerung oder einem ggf. angeschlossenen HMI-Bedienpanel eindeutig identifiziert werden, welcher Schalter oder Sensor eine Störung meldet und welche Fehlerart zugrundeliegt. Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten können schnell und gezielt durchgeführt werden - was die Dauer und daher die Kosten eines Maschinenstillstandes minimiert.

Integrationsfreundlich, flexibel und ­offen
Im Markt werden aktuell verschiedene Möglichkeiten für die sicherheitsgerichtete Kaskadierung angeboten. Einige davon erfordern spezielle Anschlusskabel, ein Gateway-Modul und eine aufwändige Adressierung der Sensoren. Bei anderen Ansätzen können ausschließlich zweikanalige OSSD-Sensoren eingesetzt werden - und die Diagnosefunktionalität benötigt eine diskrete Verdrahtung. Wieder andere Konzepte sind proprietär, d.h. auf einen bestimmten Hersteller ausgerichtet. All diese Nachteile vermeidet der Hersteller: 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 - und dies simultan in einer Schleife. Flexi Loop kann also sowohl sichere Sensoren (Eingänge) als auch Standard Sensoren (Eingänge) und Standard-Aktoren (Ausgänge) auswerten. Schließlich ist das System offen für die sicherheitsgerichteten Schalter und Sensoren sämtlicher Hersteller - womit die Beschaffungsunabhängigkeit des Maschinenbauers wie auch des Endkunden erhalten bleibt. Per Plug & Play geht es mit Schaltern des Herstellers: Sie sind von vorneherein mit M12- Steckern und passender PIN-Belegung für Flexi Loop vorbe­reitet.

Ausblick
Flexi Line zur unbegrenzten Vernetzung modularer Maschinenelemente und Flexi Loop zur kostensparenden Kaskadierung von Sicherheitsschaltern und -Sensoren eröffnen neue, flexible und wirtschaftlich effiziente Möglichkeiten in der sicheren Steuerungstechnik. Die weiteren Entwicklungsschritte sind bereits vorgezeichnet. Für Flexi Loop wird es intelligentes Diagnosezubehör geben, das die Verdrahtung und Anschlussprüfung bei der Inbetriebnahme wesentlich vereinfacht und im Betrieb vor Ort den Betriebszustand wie auch Fehlermeldungen visualisiert. Darüber hinaus werden die Vorteile der neuen Technologie nicht auf die Flexi Soft beschränkt bleiben: Ein Masterknoten ermöglicht dass Flexi Loop auch mit der softwarelosen Sicherheits-Steuerung Flexi Classic genutzt werden kann.