Die Lösung schneller implementieren

Die Anforderungen an die Anlagenverfügbarkeit und das Niveau der Sicherheitstechnik wurden in den letzten Jahren immer höher geschraubt

Gerade im Zusammenhang mit Robotern ist der Einsatz von Sicherheitstechnik besonders wichtig, wie es ein neues White Paper von Rockwell Automation verdeutlicht

Skalierbare Sicherheitslösungen lassen sich sowohl an einer einzelnen Maschine als auch an Großanlagen mit verketteten Ferti-gungslinien einsetzen. Dabei setzen sie die normativen Anforderungen optimal um und fördern den wirtschaftlichen Anlagenbetrieb. Das Zusammenwirken von Automatisierungs-, Sicherheits- und Antriebslösungen kann die Anlagenverfügbarkeit und Flexibilität maximieren, bei gleichzeitig hohem Sicherheitsniveau für den Maschinenbediener. Rockwell Automation beschreibt nachfolgend wie elektronische Sicherheitssysteme hier den Zeit- und Kostenaufwand für die Implementierung senken können.

Jeder Maschinenbauer oder Anlagenbetreiber muss es sich zum Ziel setzen, den Zeit- und Kostenaufwand für die Implementierung seiner Sicherheitslösungen so gering wie möglich zu halten. Dies ist auch der Grund, weshalb elektronische Sicherheitssysteme – konfigurierbar bzw. programmierbar – heute als Stand der Technik gelten. Sie sind einfach flexibler, leistungsfähiger, skalierbarer und kostengünstiger einzusetzen als vergleichbare verdrahtete Sicherheits-Hardware. Allerdings stellen programmierbare Systeme auch höhere Anforderungen an Technik und Knowhow, die unbedingt beachtet werden müssen.

Klassische Lösungen ohne Software

In der Produktion gilt es grundsätzlich, Personen vor Gefahren durch bewegliche Teile einer Maschine oder Anlage zu schützen. Hersteller verwenden dafür unterschiedliche Lösungsansätze, die die EN ISO 13849 sowohl von der Applikation als auch vom Grad der Risikominderung her fordert. In der klassischen Sicherheitstechnik öffnet das Betätigen einer Schutztür die mechanischen Kontakte eines Sicherheitsschalters. Das dadurch ausgelöste elektrische Signal unterbricht über einen Überwachungsbaustein die sichere Schützansteuerung für die Energieversorgung der Antriebe. Die Maschine kommt zum Stillstand und kann ohne Gefahr betreten werden. Die Anforderungen an die Sicherheit sind dadurch erfüllt.

Tauscht nun der Anwender den mechani-schen Schalter, den Relaisbaustein sowie die mechanischen Schütze gegen elektronische Sensoren und Aktoren aus, verändert er damit grundsätzlich nicht das Sicherheitsni-veau. Der Einsatz elektronischer Sensoren bietet ihm allerdings eine ganze Reihe von Vorteilen, z.B. eine verbesserte Diagnose, eine verschleißfreie Betätigung der gesamten Sicherheitskette sowie eine vereinfachte Berechnung des Performance Level (PL) nach EN ISO 13849. Dies alles entspricht nicht nur den Sicherheitsanforderungen, sondern zusätzlich auch den heutigen Ansprüchen an eine moderne Fertigungsanlage.

Software erhöht Flexibilität und Verfügbarkeit

Moderne Fertigungsanlagen sind heute so konzipiert, dass ihre optimale Auslastung auch ein Höchstmaß an Flexibilität und Produktivität ergibt. Die Verwendung konventioneller Relaistechnik in der Form von traditioneller verdrahtungs-„ programmierter" Logik stößt dabei allerdings an ihre Grenzen und forciert den Einsatz elektronischer Systeme mit Sicherheitsfunktion. Hier kann man Funktionen und logische Verknüpfungen mittels Programmierung bzw. Parametrierung festlegen, wahlweise duplizieren oder auch ändern.

Für die konventionelle Verdrahtung müssen Ort, Anzahl und Art der sicherheitstechni-schen Signale vorab festgelegt werden. Leitungslängen und Klemmkästen erfordern entsprechende Ausmaße; passende Sicherheits- oder Standardkomponenten für die einzelnen Sicherheitsfunktionen müssen ausgewählt und eingesetzt werden. Eine Erweiterung der Maschine oder auch die Verlagerung oder Änderung der Sicherheitssensorik führen zu großen Aufwendungen, denn die Verdrahtung und die Stromlaufpläne müssen überarbeitet sowie Sicherheitskomponenten neu installiert oder ausgetauscht werden.

Ersetzt man die konventionelle Verdrahtung durch ein Bussystem mit dezentralen Komponenten und integrierter Sicherheits- und Automatisierungstechnik, so ist die Erweiterung der Maschine um eine neue Sicherheitskomponente ohne großen zeitlichen Aufwand möglich. Die Anpassung bzw. Einbindung der neuen Sicherheitsfunktion wird problemlos in der Software der Sicherheitssteuerung realisiert. Diese Technologie ermöglicht es, Mate-rial zu sparen, und sie verursacht weniger Kosten. Weitere positive Effekte liegen in der Verringerung des Planungs- und Projektierungsaufwands, niedrigeren Kosten für Installation und Inbetriebnahme sowie Vereinfachungen bei Wartung, Service und Instandhaltung. Das Ergebnis ist eine Maschine mit höherer Verfügbarkeit und verbesserter Produktivität.

Fehler vermeiden beim Softwarelebenszyklus

Sichere Funktionen zu programmieren und nicht mehr in Hardware zu realisieren, macht die Umsetzung sicherheitstechnischer Anforderungen einfacher. Gleichzeitig steht der Programmierer stärker in der Verantwortung, was die korrekte Umsetzung der sicherheitsbezogenen Anforderungen gemäß EN ISO 13849 angeht.

Als Grundlage für die Erstellung der sicherheitsbezogenen Anwendungssoftware dient das vereinfachte V-Modell des Softwarelebenszyklus. Innerhalb dieses Modells wird die Entwicklung der sicherheitsbezogenen Software in einzelne Stufen unterteilt, nach festen Vorgaben umgesetzt und dann verifiziert. Bei dieser Vorgehensweise wird darauf geachtet, Fehler frühzeitig zu erkennen und zu vermeiden. Das Ergebnis ist letztendlich eine lesbare, verständliche Software, die man auch testen und warten kann.

Der prinzipielle Entwicklungsprozess für sicherheitsbezogene Anwendungssoftware beginnt mit der Erstellung einer Spezifikation der Sicherheitsanforderungen auf Basis des Sicherheitskonzepts einer Maschine oder Anlage. Die dort beschriebenen technischen Schutzmaßnahmen hängen nun von der korrekten Funktion der programmierbaren Steuerung ab. Ausgehend von diesen Anforderungen wird die Software-Spezifikation erstellt, die als Lastenheft für das sichere Applikationsprogramm dient. Welchen Beitrag zur Sicherheitsfunktion von der Applikationssoftware zu leisten ist und welche Maßnahmen zur Fehlervermeidung bei der Entwicklung zu treffen sind, legt man hier fest. Das sicherheitsbezogene Software-Pflichtenheft sollte den Aufbau und Ablauf der Software verständlich beschreiben. Anschließend erfolgt die eigentliche Codierung mit bereits validierten Bibliotheksfunktionen unter Berücksichtigung vorher festgelegter Programmierrichtlinien, um ein lesbares und verständliches Programm zu erhalten.

Zum Abschluss prüft man die Gesamtsoftware darauf, ob sie auf der verwendeten Maschinen-Hardware korrekt abläuft. Zudem validiert man die Softwareentwicklung, die den Nachweis (z.B. als Protokoll) bestätigt, dass die betrachtete Applikationssoftware den Anforderungen der Sicherheitsspezifikation entspricht.

Für den Maschinenbauer besteht die Herausforderung darin, den in der EN ISO 13849 beschriebenen Softwarelebenszyklus (vereinfachtes V-Modell) mit allen Anforderungen umzusetzen und insbesondere in den Phasen Spezifikation, Gestaltung und Modifikation zu gewährleisten. Dies beginnt mit der Erstellung der notwendigen Entwicklungs- und Testdokumentationen, der notwendigen Schulung der Programmierer, die die Sicherheitssoftware erstellen und endet möglicherweise mit konkreten Konstruktions- und Entwicklungsplänen mit definierten Schnittstellen zu unterschiedlichen Abteilungen. Die Umsetzung all dieser Maßnahmen erfordern Investitionen, die sich aber in kürzestes Zeit amortisieren, da sich standar- disierte Unternehmensabläufe und definierte Schnittstellen positiv auf die Produktivität, Flexibilität sowie die Qualität und die Sicherheit der Maschinen und Anlagen auswirken.

Sicherheitsziele effizient und wirtschaftlich umsetzen

Schon heute ist eine durchgängige und informationsorientierte Sicherheitslösung unabdingbar für jedes Unternehmen, das seine Maschinen sicher und zugleich produktiv betreiben will. Die elektronischen oder elektronisch programmierbaren integrierten Steuerungssysteme erlauben es, diese ehemals konkurrierenden Ziele problemlos miteinander zu vereinbaren.

Alle Sicherheitskomponenten und -systeme verfolgen den Lösungsansatz, dem Anlagen- und Maschinenbauer eine wirtschaftliche und flexible Umsetzung seiner Sicherheitsziele zu ermöglichen. Dabei können sicherheitstechni-sche Lösungsansätze – Sicherheitsrelais bzw. Sicherheitssteuerung – gleichberechtigt nebeneinander zum Einsatz kommen, je nach Applikation und Komplexität der Maschine.

Die Anforderungen an die Anlagenverfügbarkeit und das Niveau der Sicherheitstechnik sind in den letzten Jahren immer höher geschraubt worden. Die gesamte Sicherheitskette und die Qualität der Einzelkomponenten aller Sicherheitsfunktionen stehen heute im Focus. Die neuen Normen zur funktionalen Sicherheit für den Maschinensektor EN ISO 13849 bzw. IEC 62061 beschreiben den aktuellen Stand der Technik und die Anforderungen an eine möglichst fehlerfreie Applikationssoftware. Sie unterstützen den Anwender bei deren normgerechter Umsetzung für eine sichere, flexible und kostengünstige Gesamtlösung.

DER AUTOR Detlef Grundke, Solution Architect Integrated Architecture Safety Systems der Rockwell Automation GmbH in Haan-Gruiten ( www.rockwellautoma- tion.de )