Je breiter in automatisierten Maschinen oder Anlagen die Entscheidungsgrundlage für deren Steuerung oder übergeordnete Systeme ist, desto exakter lässt sich das Produktionsergebnis steuern. Die Basis dafür bieten Sensoren, die daher immer zahlreicher eingesetzt werden. Der Hardwarebedarf lässt sich begrenzen, indem sicherheitsgerichtete Sensoren auch für nicht-sicherheitsrelevante Zwecke mitgenutzt werden. Am besten ist es, dies bereits im Automatisierungskonzept zu berücksichtigen.
Sensoren sind die Augen, Ohren und Fühler von Maschinen und Anlagen. Die von ihnen gelieferten Signale und Informationen dienen zur Steuerung als Navigationshilfe und übergeordneten Systemen als Grundlage zur Optimierung des Betriebes.
Sinnesorgane von Maschinen und Anlagen
Daten gelten als das Öl des 21. Jahrhunderts. Analog zu den Bohrstellen bilden die Sensoren auf der Feldebene daher zusätzlich auch als Informationsquelle die Grundlage für Auswertungen und Analysen. Ziel der Sammlung und Auswertung von immer mehr Daten ist die Digitalisierung sämtlicher Geschäfts- und Produktionsprozesse. Das Fortschreiten der digitalen Transformation ist eine Voraussetzung für das Lösen von Aufgabenstellungen wie der wirtschaftlichen vorausschauenden Wartung (Predictive Maintenance) oder dem Übergang in die Industrie 4.0 durch den Einsatz des Internet of Things (IoT).
Je besser diese Datenauswertungen sind, desto fundierter können Unternehmen wichtige Geschäftsentscheidungen treffen. Um die Datengrundlage für Entscheidungen auf allen Ebenen zu verbreitern, werden Maschinen und Anlagen daher mit immer zahlreicheren Sensoren ausgestattet. Häufig findet die Ausstattung im Zuge von Modernisierungen der Maschinen – dem sogenannten Retrofitting – statt.
Viel Informationsbedarf, wenig Budget
Der weiterhin wachsende Hunger nach immer detaillierteren Informationen aus dem laufenden Betrieb stellt die Entwickler von Steuerungs- und Automatisierungslösungen vor eine gewaltige Herausforderung. Einerseits sollen sie ihre Konstruktionen mit immer zahlreicheren Datenquellen und Auswertemöglichkeiten versehen. Andererseits müssen sie dabei enge Kostenziele einhalten, um die Marktfähigkeit der Geräte, Maschinen oder Anlagen an sich nicht zu gefährden.
Deshalb können sie die Anzahl der verbauten Sensoren nicht unbegrenzt steigern. Sie müssen sich bemühen, die wertvollen Informationen auch aus anderen Quellen zu beziehen. Dazu ist es beispielsweise hilfreich, den Stromverbrauch von Motoren auszuwerten und deren Bewegungen gegenüberzustellen. So können sie neue Erkenntnisse über die Schwergängigkeit mechanischer Bewegungsachsen gewinnen. Müssen die Maschinen nachjustiert oder nachgeschmiert werden, wird das frühzeitig aufgezeigt.
Safety-Sensoren aktivieren
Wie die funktionale „graue“ Steuerung bedienen sich auch Sicherheitsschaltungen oder sicherheitsgerichtete „gelbe“ Steuerungen der Signale aus Sensoren. Dafür verwendet man eigene Produkte, die den Anforderungen an die sogenannte funktionale Sicherheit (Functional Safety; FuSa) genügen.
Häufig werden diese teureren sicheren Sensoren nur mit der Sicherheitsschaltung beziehungsweise mit einer sicherheitsgerichteten Steuerung verbunden. Die Nutzung erfolgt dann ausschließlich für diese Zwecke. Ihre Signale lassen sich jedoch oft sinnbringend auch für allgemeine Steuerungszwecke nutzen. Das ermöglicht mit einer überschaubaren Gesamtanzahl von Sensoren den Aufbau von Maschinen mit hoher Funktionalität, ohne dafür Abstriche bei der funktionalen Sicherheit machen zu müssen.
Möchte man dieses synergetische Potenzial ausschöpfen, ist es empfehlenswert, bereits während der Planungsphase entsprechende Sensoren mit zu berücksichtigen. Das gewünschte Sicherheitskonzept sollte von Beginn an Teil des Automatisierungsplans sein. Nur, wenn die Sensoren in der Lage sind, die entprechenden Sicherheitsstandards zu erfüllen, kann die synergetische Nutzung verschiedener Sicherheitskomponenten von Erfolg gekrönt sein.
Die Entwicklung der funktionalen Sicherheit
Hierzu ein kleiner Ausflug in die Geschichte der Sicherheitstechnik im Maschinen- und Anlagenbau. In der Frühzeit beschränkte sie sich auf Nothalt-Taster und Türkontakte. Diese wirkten direkt oder über Relaisschaltungen auf die Stromversorgung der Maschine und brachten sie bei Gefahr sofortigen Stillstand. Meist gibt es an einer Maschine jedoch nicht nur eine oder zwei Stellen, deren Überwachung die funktionale Sicherheit erfordert. So entstanden später komplexe Sicherheitsschaltungen, die auch bei Anlagen mit komplexen Geometrien für eine geordnete Abschaltung sorgen.
Allerdings sind diese Schaltungen starre Gebilde. Der Aufwand für Anpassungen an veränderte Gegebenheiten steigt mit zunehmender Anlagengröße und Komplexität exponentiell. Außerdem sind sie völlig in sich geschlossen – eine Nutzung der vorhandenen Informationen für andere Zwecke ist nicht möglich.
Vom Verdrahten zum Programmieren
Um die Funktionalität und Flexibilität der Sicherheitstechnik zu erhöhen, entwickelte die Industrie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) mit Redundanzeigenschaften für Befehlsabarbeitung und Kommunikation. Bei diesen sicherheitsgerichteten Steuerungen wird die tatsächliche, „harte“ Verdrahtung durch Programmierung oder Parametrierung von Kanälen und Reaktionen ersetzt. Sie können auch komplexere Signale auswerten“.
Manche dieser sicherheitsgerichteten Steuerungen können neben den sicherheitsrelevanten „gelben“ auch normale „graue“ Steuerungsaufgaben übernehmen und helfen schon allein dadurch, bei kleineren Anwendungen den Hardwareaufwand zu begrenzen. Sie können auch zwischen den beiden internen Systemteilen Informationen austauschen. So wird nicht nur über sichere Kanäle und Aktoren der Maschinestillstand herbeigeführt, sondern auch über nicht-sichere Kanäle die Arbeitsgeschwindigkeit anderer Anlagenteile angepasst.
Flexibel durch Netzwerk-Kommunikation
Viele Sensoren verfügen auch heute noch nur über die für die Verwendung in Sicherheitsschaltungen und -steuerungen erforderlichen Anschlüsse. Hart verdrahtete Schaltungen können daraus jedoch keine Informationen weitergeben, programmierbare Sicherheitssteuerungen hingegen zumeist schon.
Moderne Ethernet-gängige Safety-Komponenten kommunizieren mit der sicherheitsgerichteten Steuerung über den sogenannten Black Channel. Dabei durchtunneln sie den allgemeinen Datenstrom auf den Netzwerkleitungen und nutzen so die vorhandene industrielle Netzwerk-Infrastruktur mit. In den meisten Fällen spielt es keine Rolle, um welche Ausprägung von Industrial Ethernet es sich handelt. Es ist auch unerheblich, ob die Kommunikation drahtgebunden oder per WLAN erfolgt. Die meisten Hersteller haben auch bereits Geräte mit Safety-Kommunikation über das herstellerunabhängige Protokoll OPC UA im Angebot oder zumindest in Entwicklung.
Natürlich existieren für diese Technik sichere digitale Ein- und Ausgabemodule, mit deren Hilfe sich einfache Schalter mit Drahtanschluss anbinden lassen. Auch analoge Module – etwa zur Anbindung von Temperatur- oder Füllstandssensoren – sind heute eine Selbstverständlichkeit.
Zusätzlich hat die Nutzung schneller Netzwerke für die Sicherheitstechnik zur Entwicklung von Komponenten geführt, die differenzierte Reaktionen auf Sicherheitsverletzungen ermöglichen. Dazu gehören etwa 360°-Laserscanner oder Time-of-Flight (ToF) Kameras oder Antriebe, die neben einem sofortigen Sicherheitsstopp beispielsweise auch eine sichere Geschwindigkeit oder Richtung beherrschen.
Kommunikation ermöglicht Mehrfachnutzung
Gemeinsam ist Ethernet-tauglichen Sicherheitssensoren oder I/O-Baugruppen, dass sie auch direkte Zugriffe von anderen Systemen aus ermöglichen – und das ohne zusätzliche Verdrahtung. Das ermöglicht die nahtlose Einbeziehung sicherheitsgerichteter Hardware in die funktionalen Konzepte von Steuerungs- und Automatisierungslösungen.
So werden die einzelnen Strahlen in einem Lichtgitter ausgewertet, um Form und Geschwindigkeit eines eindringenden Objekts zu ermitteln. Dadurch kann das System nicht nur zwischen einer Sicherheitsverletzung durch einen Menschen oder dessen Hand und einer Materialanlieferung unterscheiden. Vielmehr kann es für jedes angelieferte Material die passenden weiteren Schritte einleiten. Hersteller autonomer mobiler Roboter nutzen sichere 360°-Sensoren nicht nur für den Personenschutz, sondern auch für die konturbasierte Navigation.
Die Liste lässt sich fortsetzen, der Fantasie sind kaum Grenzen gesetzt. Wer vorher überlegt, welche Informationen sich aus den ohnedies benötigten sicherheitsgerichteten Sensoren, I/O-Baugruppen und Steuerungen gewinnen lassen, kann einiges an zusätzlicher Hardware sparen und kosteneffiziente Produkte entwickeln. Durch die Mehrfachnutzung sicherheitsgerichteter Komponenten können Entwickler von Produktionsanlagen deren Präzision und Effizienz steigern, bessere Konzepte für ihre vorausschauende Wartung realisieren und aussagefähigere Informationen für die betriebliche Entscheidungsfindung erhalten.
Bilder: Adobe Stock
