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Mit Ethernet sicher vernetzt Sicherheitsgerichtete Automatisierung beschleunigt Inbetriebnahme

| Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Als herstellerneutrales Bussystem bietet sich zunehmend Ethernet als Basis für die Kommunikation und für die Integration aller Netzwerkkomponenten an. Dies gilt auch für die sicherheitsgerichtete Automation, wobei die heutigen Systemgrenzen zunehmend verschwinden und sich nun wirklich anwendungsorientierte Sicherheitslösungen realisieren lassen. So setzt DaimlerChrysler in seinem Düsseldorfer Werk für die Produktion des Sprinters die Sicherheitssteuerungen von HIMA ein, die über safeethernet vernetzt werden.

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DaimlerChrysler-Werk Düsseldorf setzt HIMatrix und safeethernet in der Rohbaulinie des Sprinters ein.
DaimlerChrysler-Werk Düsseldorf setzt HIMatrix und safeethernet in der Rohbaulinie des Sprinters ein.
( Archiv: Vogel Business Media )

„Durch die Kombination der schnellsten Sicherheitssteuerungen der Welt, HIMatrix, mit dem weltweit schnellsten Sicherheitsbus, safeethernet, wird eine völlig neue Flexibilität für die sicherheitsgerichtete Automatisierung geschaffen“, erklärt Thomas Janzer, Produktmanager für Engineering-Software bei HIMA. Ethernet gilt mittlerweile in der Automatisierung als das Netzwerk der Zukunft, denn es bietet neue Lösungsmöglichkeiten und enorme Einsparpotenziale. Zudem lassen sich bestehende Engpässe der Feldbustechnik lösen, bei der die Sicherheitstechnik meist völlig getrennt neben den Standard-Automatisierungsgeräten aufgebaut ist.

Dagegen ist mittels Ethernet TCP/IP die Programmierung, Visualisierung, Diagnose und sichere Kommunikation gleichzeitig möglich. Es sind mehrere unterschiedliche Protokolle übertragbar, die auf dem gleichen Netzwerk zusammen koexistieren können. Weil sie die gleiche Physik verwenden, lassen sich Geräte verschiedener Hersteller auf einem Netzwerk nutzen.

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„Durch die stetige Weiterentwicklung von Ethernet-Komponenten ist die Zukunftssicherheit und die dazu nötige Migration gewährleistet. Hinzu kommen Vorteile wie eine große Bandbreite, Verfügbarkeit und Flexibilität, die Ethernet das notwendige Zukunftspotenzial geben“, beschreibt Thomas Janzer.

Ethernet – aber sicher!

So vernetzt HIMA in Prozess-Anwendungen bereits seit Jahren redundante und fehlertolerante Sicherheits-Steuerungen über Ethernet. Mit der HIMatrix-Familie vereint der Hersteller sicherheitsgerichteter Produkte für die Automatisierung dabei die Erfahrungen und bewährten Techniken aus der Prozesswelt mit den Anforderungen der Fabrik-Automatisierung. Speziell für deren zeitkritische Anwendungen wurden die kompakten und modularen sicherheitsgerichteten Steuerungen der HIMatrix-Serie auf Basis der HIMA-Safety-Technology konzipiert. Alle Sicherheits-Steuerungen haben eine hohe Prozessorleistung – wobei Zykluszeiten von kleiner gleich 10 Millisekunden auch in der vollen Ausbaustufe möglich sind. Alle HIMatrix-Systeme sind nach IEC 61508, IEC 61131, prEN 50156, EN 954, DIN V 19250 und NFPA zertifiziert. Ein umfangreiches Hardwareangebot und die sichere Datenübertragung ermöglichen eine gute Anpassung an geplante oder vorhandene Anlagenstrukturen.

Die sicherheitsgerichtete Vernetzung der HIMatrix-Systeme erfolgt über safeethernet. Mit dieser auf Ethernet-basierenden Kommunikation können sichere Daten schnell und flexibel zwischen allen Teilnehmern ausgetauscht werden. „Somit lassen sich die Probleme der fehlenden Integrationsfähigkeit und Performance aktueller Sicherheits-Feldbusse gleichzeitig lösen“, so Thomas Janzer.

Schnelle Kommunikation macht flexibel

Zudem bringe die Verwendung von safeethernet einen Vorteil gegenüber anderen Bussystemen in Bezug auf die damit erreichbare Reaktionszeit des Gesamtsystems mit sich: Die Gewährleistung der erforderlichen Reaktionszeit erlaubt flexible Systemstrukturen für eine dezentrale Automatisierung. Dabei besteht keine Beschränkung für die Anzahl der sicheren Teilnehmer im Netzwerk und den Umfang der zu übertragenden sicheren Daten.

Ein schnelleres Gesamtsystem erhöht auch die Produktivität: Die minimierte Reaktionszeit des sicheren Systems führt zu einer gesteigerten Produktions-Geschwindigkeit, das die notwendigen Schutzbereiche einschränken kann. „Somit wird die Kommunikationszeit zu einem wesentlichen Bestandteil des gesamten Sicherheitskonzeptes“, unterstreicht der Produktmanager.

Die HIMatrix-Systeme bestehen aus modularen, kompakten Steuerungen sowie Remote-I/O-Modulen. Alle Systeme werden über safeethernet sicherheitsgerichtet vernetzt. Für die Anbindung an Standard-Automatisierungs-Komponenten stehen verschiedene Ethernet- und Feldbusprotokolle zur Verfügung: OPC, Modbus TCP Master & Slave, Ethernet IP, Send & Receive TCP, Profibus-DP Master & Slave, Modbus RTU Master & Slave, Interbus Master. Eine kontinuierliche Weiterentwicklung der HIMA-Kommunikations-Optionen sichert den Investitionsschutz. Die Steuerungen wie auch die sicherheitsgerichtete Kommunikation der Geräte untereinander sind TÜV-zertifiziert und zugelassen für sicherheitsgerichtete Applikationen bis Kat. 4 (EN 954) bzw. SIL 3 (IEC 61508).

safeethernet in der Praxis

Gerade mit diesen Vorzügen haben die HIMatrix-Systeme im Werk Düsseldorf der DaimlerChrysler AG gepunktet, die dort beim Betrieb neuer Produktionsanlagen eingesetzt werden. „Ausschlaggebend für diese Entscheidung war, dass die Sicherheits-Steuerungen über safeethernet vernetzt werden. Denn sie lassen sich dadurch einfach in das bestehende Produktionskonzept des Sprinter-Werkes integrieren. Zertifizierte Funktionsbausteine vereinfachen die Programmierung der Sicherheitssysteme und beschleunigen die Inbetriebnahme wesentlich“ berichtet Projektleiter Christian Biener.

Das Werk mit etwa 6500 Mitarbeitern und rund 300 Auszubildenden ist das größte Transporterwerk von DaimlerChrysler, mit einer Jahresproduktion von etwa 150 000 Einheiten. Die HIMatrix-Systeme werden hier im Rohbau eingesetzt und übernehmen die sicherheitsgerichtete Überwachung und Abschaltung von Gefahrenbereichen, wie in der Fördertechnik und bei Roboter-Zellen – über 450 Industrieroboter sind hier beim Schweißen im Einsatz. Die Erfassung erfolgt im Wesentlichen durch Bewegungs-Scanner bzw. durch klassische Lichtschranken.

Ethernet-Technik war entscheidend

„Die Ethernet-Technik der HIMatrix-Steuerungen bietet DaimlerChrysler Düsseldorf die Möglichkeit, die bestehende Ethernet-Infrastruktur auch im Sicherheitsbereich für die Feldkommunikation zu nutzen und damit eine teure Parallelverkabelung für Feldbusse zu vermeiden“, hebt Biener hervor. Bislang war die Sicherheitstechnik im Rohbau konventionell Hardware-verdrahtet. Außerdem biete das aus Sicht des Automobilbauers die notwendige Perspektive für den anvisierten Nutzungszeitraum der Produktionsanlagen.

Die HIMatrix-Systeme gelten, so Christian Biener, mit einer Zykluszeit von 0,02 ms für 1 K Programm derzeit als die schnellsten sicherheitsgerichteten Steuerungen weltweit. Die Vernetzung der Kat. 4-/SIL 3-zertifizierten Steuerungen erfolgt mit Standard-Ethernet-Technologie. Das safeethernet-Protokoll (ebenfalls Kat. 4-/SIL 3-zertifiziert) garantiert die sichere Übertragung aller sicherheitsrelevanten Daten.

Funktionsbausteine beschleunigen die Inbetriebnahme

Im Rohbau setzt DaimlerChrysler rund 1200 Geräte von HIMA ein, darunter ca. 200 Sicherheits-SPSen und 1000 Remote-I/O-Module (Kat. 4/SIL 3). Die HIMA-Systeme verarbeiten sicherheitstechnisch rund 8000 Eingangssignale – wie Schutztüren, Lichtgitter, Scanner und Rolltore – sowie rund 3000 Ausgangssignale (Roboter, Antriebe).

Die Kommunikation der sicherheitsgerichteten Geräte untereinander läuft ungestört vom großen Datentransfer über integrierte Switche. Dies ermöglicht eine linienförmige Verkabelung – ein weiterer Vorteil. Da sämtliche Komponenten am Produktionsnetz hängen, ist ein freier Zugriff auf jedes Modul und jede Steuerung sichergestellt.

In Düsseldorf kommenden sieben zertifizierte Funktionsbausteine zur Programmierung der HIMatrix-Systeme für Sicherheitsinitiator, Zweihandbediengerät, Not-Aus-Schalter, Schutztür, Rückmeldekontakte, Lichtgitter/Lichtscanner und Muting zum Einsatz – HIMA bietet insgesamt dreizehn dieser vom TÜV-Rheinland zertifizierten Funktionsbausteine für Anwendungen in der Fertigungs-Automatisierung an. „Eine deutliche Zeit- und Kostenersparnis bei der Programmierung und Inbetriebnahme ist die Folge“, so Biener.

Sie lassen sich einfach per Drag & Drop nutzen und sind mit einer umfangreichen Diagnose ausgerüstet, die eine schnelle Störungsbeseitigung und kurze Reparaturzeiten gewährleistet. Anhand des Diagnose-Ergebnisses können jegliche Hardware-, Leitungs- und Parametrierungs-Fehler sowie der Fehler-Ort eindeutig identifiziert werden. Durch die integrierte Online-Hilfe stehen dem Anwender jederzeit alle Informationen zur Verfügung. Sie umfasst E/A-Anschlussbilder, Hardware- und Softwarekonfiguration, Fehlercode-Tabellen sowie Konfigurations-Beispiele. Die Bausteine sind auch in der Offline-Simulation verwendbar – durch manuelles Setzen der Eingangswerte lassen sich Fehler-Reaktionen simulieren. Die programmierte Logik kann also ohne Sicherheits-SPS getestet werden, was die Inbetriebnahme deutlich verkürzt.

„Ethernet hat sich im Werk Düsseldorf bei DaimlerChrysler als ausgereifte Basis-Technik mit hoher Verfügbarkeit bewährt, wenngleich die durchgängige und standardisierte Ausrichtung auf Steuerungs-Aufgaben noch nicht den Stand der Office-Anwendungen erreicht“, fasst Christian Biener zusammen. Die Erfahrung zeige aber, dass sich bei ganzheitlicher Betrachtung – unter Einbeziehung von Anlagenaufbau, -steuerung und Logistikfunktionen – bei komplexen Anlagen mit einer durchgängigen Ethernet-Infrastruktur Kosten einsparen lassen.

Die Vorzüge auf einen Blick

safeethernet lässt sich für den Aufbau sicherheitsgerichteter vernetzter Applikationen einsetzen:

? ein Netzwerk für die sichere und nicht sichere Datenübertragung;

? Reduzierung der notwendigen Bussysteme und Schnittstellen;

? Kostenvorteil durch eingesparte Feldbusse;

? durchgängige Datentransparenz von der Leitebene bis zur Feldebene über ein Netzwerk;

? Zugang zu allen Daten von jedem Netzwerk-Teilnehmer aus;

? zentrale Programmierung, Diagnose oder Visualisierung;

? Übertragung sicherheitsgerichteter Daten bis 100 MBit/s;

? definierte, kurze Reaktionszeiten;

? keine Beschränkung hinsichtlich Anzahl der Busteilnehmer und räumlicher Entfernung;

? flexible Planung, Änderung und Erweiterung;

? Standard-Netzwerktechnik beliebiger Hersteller einsetzbar;

? redundanter Aufbau möglich.

HIMA Paul Hildebrandt, Tel. +49(0)6202 709185

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