Sicherheit durchgängig implementieren

Nur hinsichtlich einer durchgängigen Kommunikation durch alle Ebenen der Maschine stoßen sie an ihre Grenzen. Das macht sehr oft den Einsatz mehrerer Bussysteme erforderlich und erhöht die Systemkosten. Der Beitrag zeigt eine Echtzeit-Ethernet Lösung, dessen Protokoll deutliche Vorteile bietet – auch wirtschaftlich.

Die individuellen Anforderungen der unterschiedlichsten Maschinenarchitekturen lassen sich mit den heute am Markt verfügbaren Komponenten vergleichsweise einfach in leistungsfähige Automatisierungskonzepte umsetzen.

Wie auch immer diese Lösung aussieht, ein Problem ließ sich bislang kaum umgehen: In einem Antriebs- und Automatisierungssystem war in der Vergangenheit abhängig vom Maschinentyp meist der Einsatz mehrerer Bussysteme erforderlich, da die verwendeten Bussysteme wie CANopen, CANsync oder Profibus zwar viele Vorteile aufweisen, aber keine deterministische Datenübertragung in Echtzeit ermöglichen. Sichere und nicht sichere Daten konnten folglich nicht über dasselbe Bussystem, sondern nur getrennt voneinander erfolgen.

Daraus resultierte sowohl bei einfachen als auch bei komplexen Maschinen der Einsatz von mehreren getrennten Steuerungen, die jeweils Automatisierungs-, Antriebs- und Sicherheitsfunktionen übernahmen. Anwendungstechnik und Sicherheitstechnik wurden deswegen bislang meist klar voneinander getrennt.

Der Einsatz unterschiedlicher Bussysteme ist somit dazu geeignet, die Automatisierungsaufgaben individueller Maschinenkonzepte zu lösen, erweist sich aber auch aus Kostensicht als nachteilig: So sind beispielsweise für Steuerung, Antrieb und Sicherheitstechnik jeweils separate Tools zu Programmierung und Implementierung notwendig. Die unterschiedlichen Kommunikationsschichten und der notwendige Kommunikationswandel zwischen den einzelnen Bussystemen führen daher zu höheren Systemkosten.

Daraus ergibt sich ein weiterer Nachteil heutiger Automatisierungsarchitekturen: So genannten Gateway-Funktionen, mit Hilfe derer die unterschiedlichen Arten der Signalübertragung zwischen den verschiedenen Bussystemen ineinander konvertiert werden, führen zu langen Signallaufzeiten und nehmen einen großen Teil der Steuerungskapazitäten in Anspruch. Folglich haben die Steuerungen wenig Platz für zusätzliche Funktionalitäten zur Verfügung; ihre Leistungsfähigkeit sinkt. Zudem macht der Einsatz mehrerer unterschiedlicher Bussysteme eine durchgängige Diagnose unmöglich. Auch der Zertifizierungsprozess für die jeweilige Automatisierungsarchitektur einer Maschine gestaltet sich entsprechend aufwändig und komplex.

Alle Daten parallel und schnell verarbeiten

Echtzeit-Ethernet überwindet diese Nachteile und hebt die bislang vorhandene Engstelle der unterschiedlichen Kommunikationsarten zwischen Antrieb, Steuerung und Sicherheitsfunktionen auf. Sowohl zeitkritische Daten als auch große Datenmengen können über dasselbe Bussystem gesendet werden. Gateway- und Interface-Funktionen werden nicht mehr benötigt, woraus weniger Kapazitätsbedarf in den Steuerungen resultiert – ein entscheidender Grund dafür, weshalb sich Automatisierungsarchitekturen bei Verwendung von Echtzeit-Ethernet und dem zertifizierten FSoE-Protokoll in der Regel mit einer Steuerung realisieren lassen. Steuerungen sind damit in der Lage, parallel zu den vom Antrieb kommenden Informationen und Signalen auch Automatisierungs- und Sicherheitsinformationen schnell zu verarbeiten. Dabei spielt nicht zuletzt die Entwicklung immer leistungsfähigerer Steuerungen eine wichtige Rolle. Darüber hinaus lassen sich dann auch sicherheitsgerichtete Funktionen einfach implementieren, was vor allem im Hinblick auf die ab Ende des Jahres gültige neue Maschinenrichtlinie von großer Bedeutung für den Maschinenbauer und Maschinenanwender ist. Ein einziges Softwaretool reicht aus, um das System effizient zu programmieren, wobei die Programmierung wie bei den sonst üblichen Funktionen zur Bewegungssteuerung erfolgt. So wird der Zeitbedarf enorm verringert. Standard- und sichere Automatisierungstechnik lassen sich also ohne Mehraufwand miteinander kombinieren sowie für einfache bis komplexe Maschinen skalieren. Das Konzept der Antriebsautomatisierung gewährleistet somit auch die Konformität zu den zukünftig europaweit geltenden Sicherheitsnormen.
Auch aus Kostensicht erweist sich die Antriebsautomatisierung als rentabel: Betrachtet man die Gesamtkosten, weisen diese Architekturen geringere Systemkosten auf: Nur ein Bussystem und die Konvertierungs- und Übersetzungsfunktionen fallen weg. Echtzeit-Ethernet gewährleistet auf diese Weise die Durchgängigkeit der Kommunikation von der Leit- bis in die Feldebene, was sowohl zu kürzeren Reaktionszeiten im System führt als auch wesentlich zu einer effektiven Diagnosemöglichkeit beiträgt. Zertifizierung und Inbetriebnahme solcher Systeme werden also deutlich vereinfacht.
Regina Elzenbeck, Baumüller/st