19.11.2015

Hybrides IP67-E/A-Modul für Profinet und Profisafe

Safety oder Standard? Beides!

Wer bislang seine Maschine mit Profinet-Steuerung und IP67-Ethernet-E/A-Modulen ausstatten wollte, musste Standard- und Safety-Module einsetzen. In den meisten Fällen fielen dabei überflüssige Safety- und Reserve-Kanäle an. Ein neues hybrides Profinet-Safety-Modul lässt sich auf den konkreten Signalbedarf vor Ort anpassen: Neben vier Safety-E/As können auf der Standardseite über IO-Link bis zu 32 Standard-E/As bereitgestellt werden.

Autor: Dipl.-Ing. Jörg Kuhlmann, Hans Turck GmbH & Co. KG.


Bild 2: Auf der Standardseite können zwei der Ports als IO-Link-Master verwendet werden, um bis zu 32 Standard-I/Os zusätzlich anzubinden.
Bild: Hans Turck GmbH & Co. KG

Wer Maschinen herstellt, ist in Europa dazu verpflichtet, die Vorgaben der Maschinenrichtlinie beziehungsweise der daraus resultierenden nationalen Gesetze einzuhalten. Auch andere große Wirtschaftsräume wie die USA oder China haben entsprechende Normen oder Gesetze. Mittlerweile haben auch Russland und Brasilien mit entsprechenden Verordnungen nachgezogen. Im Kern geben alle diese Normen vor, dass der Mensch bei der Bedienung einer Maschine vor den davon ausgehenden Gefahren geschützt werden muss. Maschinen- und Anlagenbauer finden auf dem Markt für Sicherheitstechnik unterschiedliche Lösungen, um die gesetzlichen Vorgaben des Personenschutzes sicherheitstechnisch abzubilden. Die Palette reicht von zahlreichen Sicherheitssensoren über Relaisbausteine bis zur kompletten Automatisierungslösung mit integrierter Sicherheitssteuerung für feldbusbasierende Systeme und passenden Antriebssystemen mit Sicherheitsfunktion. Egal, welche dieser Sicherheitsarchitekturen gewählt wird, sie erfüllen alle denselben Zweck: Im Notfall, also bei möglicher Gefährdung von Personen, die beispielsweise eine Sicherheitstür öffnen oder einen Notaustaster betätigen, sorgt die Sicherheitsarchitektur mit höchster Zuverlässigkeit für ein Abschalten der Maschine.

Kaum IP67-E/As für Safety

Auch in der Feldbustechnik hat die Safety vor Jahren Einzug gehalten. Heute integriert jedes Feldbusprotokoll eine Sicherheitsoption. Doch trotz der zahlreichen Feldbus- und Ethernet-Standards mit Safety-Option ist die überwiegende Mehrzahl der Komponenten für den Schaltschrank in IP20 ausgelegt. So müssen die Kunden vieler Hersteller sämtliche Signale der sicheren Sensorik und Aktuatorik in Schaltschränke oder Unterverteilungen führen und dort auf E/A-Module verdrahten. Für Profinet/Profisafe sind bislang nur wenige Lösungen mit Schutzart IP67/69K verfügbar. Doch auch unabhängig von der Schutzart bildet das sicherheitstechnische Angebot der Feldbustechnik-Hersteller die Realität des Maschinen- und Anlagenbaus nur unzureichend ab. Reinen Sicherheits-E/A-Modulen stehen reine Standard-E/A-Module gegenüber. Es ergeben sich bei der Planung und der Installation im Feld aber fast immer unterschiedliche Anzahlen von Standard- und Sicherheitssignalen. Sichere Signale müssen direkt neben normalen Signalen zur Steuerung gebracht werden. Es fehlte aber bisher an E/A-Modulen, die sowohl sichere Signale als auch Standard-Signale zur Steuerung bringen können. Der Anwender hatte bisher bei IP67-Verdrahtung in der Maschine nur die Möglichkeit, reine Safety- oder reine Standard-Module zu wählen. Dabei blieben häufig zu viele Kanäle ungenutzt - entweder auf den Standard- oder auf den Safety-E/A-Modulen. Die Alternativen einer Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung oder einer separaten Sicherheitssteuerung erfordern wiederum hohen Verdrahtungssaufwand. Turck schließt diese Lücke mit seinem E/A-Modul TBPN-L1-FDIO1. Das Hybridmodul vereint vier sichere Profinet/Profisafe-Kanäle und vier Standard-E/As. Es bietet zwei sicherheitsgerichtete Eingänge für Profisafe, an denen zweikanalige Sicherheitskomponenten wie mechanische Sicherheitsschalter oder auch elektronische Sicherheitssensoren mit OSSD-Signalen, wie zum Beispiel Lichtgitter, angeschlossen werden. Zusätzlich stehen zwei sichere universelle, digitale Kanäle als sicherheitsrelevante Ein- oder Ausgänge zur Verfügung.

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Flexibilität durch zwei IO-Link-Master

Auf der Standardseite bietet das neue Modul vier universelle E/As. Zwei davon können alternativ als IO-Link-Master definiert werden, was die Einsatzmöglichkeiten der Module potenziert. Durch den Einsatz von I/O-Hubs an den beiden IO-Link-Mastern reduzieren Anwender den Verkabelungsaufwand für zusätzliche Standardsignale. Mit zwei I/O-Hubs können über IO-Link bis zu 32 zusätzliche digitale Signale angebunden werden. Das vereinfacht die Projektierung von Maschinen und reduziert die Anzahl nicht genutzter Kanäle. Da in den meisten Fällen mehr Standard- als Safety-E/As benötigt werden, ist das TBPN mit seiner IO-Link-Option eine clevere Lösung. Das Hybridmodul bietet aber nicht nur flexible E/As für Safety- und Standardsignale. Mit seinen bordeigenen Logikfunktionen kann es gleichzeitig als dezentrale Safety-Kleinsteuerung fungieren. Der Anwender profitiert von einer kürzeren Reaktionszeit des Gesamtsystems, wenn er dies bei der Konstruktion von Maschinen und Anlagen berücksichtigt. Ohne dezentrale Logik muss das auslösende Signal zunächst per Profisafe an die entfernte Safety-Steuerung gelangen, von dieser verarbeitet und dann an die zu stoppenden Aktoren gesendet werden. Die Gesamtreaktionszeit des Systems ist dabei länger als bei einer dezentralen Abschaltung direkt vor Ort durch Turcks Hybrid-Modul. So kann beispielsweise der Abstand eines Lichtgitters zu einer gefährlichen Bewegung von vornherein kleiner geplant werden als bei einer klassischen Sicherheits-SPS-Lösung. Die Logikfunktionen und die Eigenschaften der sicherheitsrelevanten E/As werden mit Hilfe des Turck Safety Configurators für die Safety-Kanäle festgelegt. Dies ist für jede Applikation notwendig, da unterschiedliche Sicherheitskomponenten mit unterschiedlichem Verhalten eine individuelle Auswahl notwendig machen. Das Tool basiert auf Windows und beschleunigt die Konfiguration der Safety-I/Os durch ein intuitives Interface. Die Konfiguration der Standard-E/As erfolgt mit Hilfe einer GSDML-Datei, so wie es bei allen Profinet-Modulen üblich ist. Der Webserver des Geräts erleichtert dessen Diagnose und Inbetriebnahme.

Speicherstick statt Neu-Konfiguration

Um dem Kunden eine Neukonfiguration von Modulen im Falle eines Defekts zu ersparen, sind diese mit einem steckbaren Speicherstick ausgestattet. Der Turck Safety Configurator legt die parametrierten Sicherheitseigenschaften nicht nur im TBPN-Modul, sondern zusätzlich auch auf dem Stick ab. Im Austauschfall zieht man den Speicherstick einfach am defekten Modul ab und steckt ihn in das Ersatzgerät. Nach Anlegen der Versorgungsspannung werden die Konfigurationsdaten automatisch in das neue Modul übertragen und der Betrieb kann unverändert sicher weitergehen. Drei der vier universellen Kanäle können als abschaltbare Standard-Ausgänge verwendet werden. Dabei koppelt das Modul intern die Versorgungsspannung sicher ab. Das gilt auch für die Versorgungsspannung für einen der beiden IO-Link-Master. Dadurch wird das sicherheitsgerichtete Abschalten von Hilfsantrieben, Ventilinseln oder anderen Aktuatoren möglich, was den Schaltungs- und Verdrahtungsaufwand für die Aktuatoren minimiert. Alle Ausgänge, Sicher und Standard, schalten bis zu 2A. Sie lassen sich somit auch für Aktuatoren wie Ventilinseln oder Schütze einsetzen, die stärkere Ströme benötigen. Die maximal zwei sicheren Ausgänge können per Konfigurations-Software als zweikanalige unipolar (P-schaltend) oder bipolar (P/N-schaltend) Ausgänge konfiguriert werden. Es lassen sich somit mechanische Kontakte von Sicherheitsschützen aber auch elektronische Sicherheitssignale für Antriebssysteme ansteuern und sicher abschalten.

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Erweiterte Einsatzmöglichkeiten

Die IP67-Profinet/Profisafe-Module sind vor allem auf den europäischen Maschinen- und Anlagenbau ausgelegt. Hier stehen Papier- und Holzverarbeitungsmaschinen, aber auch die Förder- und Lagertechnik im Fokus. Darüber hinaus eignen sich die Module für die Automobilbranche, insbesondere den Automobilrohbau und Roboterapplikationen. Durch den erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +70°C und die Schutzarten IP65, IP67, IP69K stehen den Modulen über diese Branchen aber viele weitere Einsatzbereiche offen. Sowohl die Schutzarten als auch der weite Temperaturbereich werden bisher von keinem Profisafe-Modul auf dem Markt erreicht. Das robuste Design mit Vollverguss und Metallsteckverbindern unterstreicht diesen Anspruch. Auch in Applikationen, die funktionale Sicherheit erfordern, sind die Module bis zu SIL3 einsetzbar. Geht es um die Risikobeurteilung von Maschinen, wie sie in der EN13849-1 gefordert ist, kann der Kunde die Module bis zu Ple/Kat.4 einsetzen. Dass das Gerät auch über einen integrierten Switch für Linientopologien verfügt, geht bei diesem Leistungs- und Spezifikationsumfang fast unter.

Flexibel durch Hybridmodul

Im Schaltschrank kommt man auch mit reinen Standard- und Safety-Modulen aus. Hier laufen ohnehin alle Signale zusammen und können entsprechend verteilt werden. An der Maschine hingegen müssen die Signale dort eingesammelt werden, wo sie anfallen. Bislang war der Anwender gezwungen, im IP67-Bereich entweder mehrere unterschiedliche Module einzusetzen, auch wenn nur ein zusätzliches Signal benötigt wurde, oder lange Kabelwege zu einem entfernten Modul zu akzeptieren. Das Profinet/Profisafe-Modul TBPN wird Anfang 2016 verfügbar sein und Turcks Ethernet-Angebot abrunden. Die Ethernet-Familie bietet dann Standard-E/As, IO-Link-Master und Safety-E/As. Da der Hersteller aber auch in den USA stark aufgestellt ist und der global exportierende Maschinen- und Anlagenbau in Europa nach Safety-Lösungen für den amerikanischen Markt verlangt, werden Alternativen für Ethernet/IP und CIP Safety folgen, die dem TBPN bis auf das Ethernet-Protokoll in allen Spezifikationen gleichen. Mit Profisafe und CIP Safety deckt der Turck dann bereits einen Großteil des Weltmarktes für sichere Automatisierungslösungen ab.

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