Safetynet p: Kommunikationsbackbone für dezentrale Automatisierung

Schon seit einiger Zeit werden Feldbusse für die Dezentralisierung der Peripherie von Steuerungssystemen eingesetzt, um Verdrahtung einzusparen. In einem weiteren Schritt der Dezentralisierung lässt sich auch die Steuerungsfunktion selbst dezentralisieren. Dadurch wird die komplette Modularisierung von Maschinen und Anlagen ermöglicht. Ein wichtiger Vorteil dieser Modularisierung besteht darin, dass sich Anlagenteile standardisieren lassen. Ziel des Anwenders ist es, dabei möglichst viele Teile wieder zu verwenden. Das erleichtert die Übertragung einmal erarbeiteter Ergebnisse und lässt sich auf Folgeprojekte übertragen. Defizite herrschen heute bei der steuerungstechnischen Realisierung. Die verfügbaren Engineeringtools, Steuerungs- und Kommunikationssysteme unterstützen diesen modularen Ansatz nur unzureichend. Die heutigen Systeme sind überwiegend von einem zentralisierten Ansatz geprägt. Mit der Zielsetzung, die Verteilbarkeit der Steuerungsfunktionen und da­mit den modularen Ansatz zu ermöglichen, wurde das Kommunikationssystem Safetynet p entwickelt. Das Automatisierungssystem PSS4000 von Pilz hat die Dezentralisierung von Steuerungsfunktionen auf Basis von Safetynet p konsequent umgesetzt. Verteilte Steuerungen und ihr Kommunikationssystem Das industrielle Kommunikationssystem Safetynet p wurde zur Vernetzung von dezentralisierten Steuerungssystemen optimiert. Entscheidend dafür ist, dass nicht das Master/Slave-Prinzip, sondern ein Producer/Consumer- bzw. ein Publish/Subscribe-Verfahren zum Einsatz kommen. Bei Master/Slave-Systemen muss ein zentraler Master vorhanden sein, über den die gesamte Kommunikation abgewickelt wird. Direkte Kommunikation zwischen den Slaves ist nur ineffizient durch Umkopieren im Master möglich. Mehrere Master in einem Netzwerk sind nicht möglich, sondern können nur durch Kopplung von Netzwerken mittels speziellen Geräten realisiert werden. In einem dezentralisierten Steuerungssystem sind jedoch alle Teilnehmer Master und müssen intensiv miteinander kommunizieren können. Des Weiteren muss in einem Master/Slave-System dem Master die gesamte Netzwerkkonfiguration bekannt sein. Das widerspricht dem Modularisierungsgedanken. In einer modularisierten Anlage sollen die einzelnen Module voneinander unabhängig sein, sonst wäre keine Standardisierung der Software in den Modulen möglich. Bei wechselnder Zusammenstellung der Anlagenmodule müsste die Software im zentralen Master angepasst werden. In einem Pub­lish/Subscribe- oder Producer/Consumer-System wie bei Safetynet p gibt es keine zentrale Instanz. Alle Kommunikationsteilnehmer sind gleichberechtigt. Damit ist Safetynet p für die beschriebenen verteilten Steuerungssysteme geeignet. Safetynet p basiert auf Standard-Ethernet nach IEE802.3. Alle Standard-konformen Ethernet-Komponenten wie Switches, Router, Stecker und Kabel sind einsetzbar. Bei Safetynet p stehen zwei Performanceklassen zur Verfügung. Das RTFN-Prinzip nutzt Standard-Ethernet-Hard­ware und ermöglicht Kommunikationszyklen von ca. 1ms. Das RTFL-Prinzip ist mit Zykluszeiten von bis zu 62,5µs für harte Echtzeitanwendungen, wie z.B. Motion Control, optimiert. Bei RTFL sind Teile des Protokolls in Hardware implementiert, um eine schnelle Verarbeitung zu garantieren. RTFN nutzt das Produc­er/Consumer-Prinzip. Dabei werden Punkt-zu-Punkt-Ver­bin­dun­gen zwischen Sender und Empfänger aufgebaut. RTFL benutzt das Publish/Subscribe-Prinzip. Hierbei werden Daten durch die Sender auf dem Netzwerk veröffentlicht, ohne dass die Empfänger bekannt sein müssen. Dadurch wird die direkte Kommunikation zwischen Teilnehmern beschleunigt. Die Konfiguration der Kommunikation ist einfach, weil lediglich dem Empfänger bekannt sein muss, welche Daten vom Netzwerk er \’abonniert\‘ hat. Sicherheitstechnik dezentralisiert Die Sicherheitstechnik wurde in Safetynet p sowie beim PSS4000-System von Anfang an berücksichtigt. Safetynet p ermöglicht eine Übertragung von sicherheitsgerichteten Daten bis SIL3 nach IEC61508. In einem Netzwerk sind bis zu 512 sichere Teilnehmer erlaubt. Das Sicherheitskonzept ist so ausgelegt, dass alle üblichen Ethernet-Medien wie z.B. Lichtwellenleiter oder Funkübertragung per WLAN möglich sind. Auch die sichere Kommunikation kommt ohne zentrale Instanz aus. Somit ist auch die sicherheitsgerichtete Logik vollständig dezentralisierbar. Das PSS 4000-System ist für sicherheitsgerichtete Anwendungen bis Perf. Level e nach EN/ISO13849-1 bzw. SIL CL3 nach EN/IEC62061 geeignet. Die Dezentralisierung der Sicherheitstechnik bringt entscheidende Vorteile mit sich. Bei ei­nem Fehler in einer Komponente des Systems muss in einem dezentralisierten System nicht zwangsläufig das Gesamtsystem abgeschaltet werden. Stattdessen reicht es oft, wenn nur die an einer Sicherheitsfunktion beteiligten Systemkomponenten abgeschaltet werden. Eine Steigerung der Verfügbarkeit ist die Folge. Ein weiterer Vorteil ist die schnelle lokale Reaktion auf Ereignisse, wenn die Logik direkt vor Ort in der zugehörigen Steuerung verarbeitet wird. In Anwendungen muss häufig vor Ort schnell reagiert werden, z.B. wenn durch den Eingriff in ein Lichtgitter der nahe Antrieb in wenigen Millisekunden abgeschaltet werden muss. Die schnelle Reaktion kann dabei unabhängig von den Zykluszeiten des Netzwerks erfolgen, was bei großen Netzwerken eine deutliche Reduzierung der Reaktionszeit bedeuten kann. Automatisierungssystem auf Basis Safetynet p PSS4000 ist ein Automatisierungssystem für unterschiedliche Automatisierungsaufgaben. Safety-, Standard- und Motion Control, sowie Diagnose und Visualisierung werden in einem System vereint. Eine SPS, die die PSS4000-Philosophie implementiert hat, ist die PSSu PLC. Dabei handelt es sich um eine SPS für Standard und sicherheitsgerichtete Steuerungsaufgaben. Die PSSu PLC ist als Kopf für das modulare E/A-System PSSuniversal realisiert, wodurch die gesamte Vielfalt an Modulen für verschiedene Signalarten zur Verfügung stehen. Software Plattform reduziert Engineeringaufwand Eine zentrale Rolle im PSS4000 System spielt die Software-Plattform PAS4000. Sie ermöglicht es Anwendern, ihre zentrale Sichtweise auch auf dezentrale, verteilte Steuerungsstrukturen beizubehalten. Alle Tools der Software-Plattform für die Programmierung und Parametrierung greifen auf eine einheitliche Datenbasis zu. Das vermeidet Mehrfacheingaben und reduziert Fehlerquellen, wie sie mit der manuellen Pfle­ge von Daten einhergehen. Das PAS4000 basiert auf bewährten Standards wie den IEC61131-3-Programmiersprachen. Außerdem kann die Programmierung mittels PNOZmulti Configurator erfolgen. Dazu werden Funktionsblöcke programmiert und einfache Logikblöcke verschaltet. Wesentliche Unterschiede in der Handhabung zeigen sich bereits beim Start eines Automatisierungsprojektes, wenn nach der initialen Projektabstimmung aller beteiligten Fakultäten die konkrete Arbeit beginnt. Doch während es gängige Praxis ist, dass die Software-Entwicklung erst dann startet, wenn feststeht, wie eine Maschine aussehen soll, erfolgt mit dem Automatisierungssystem PSS4000 das Hard- und Software-Design zeitlich parallel und unabhängig voneinander. Das PSS4000 eröffnet hier neue Möglichkeiten. Durch seine Struktur und Eigenschaften bedingt lassen sich Entscheidungen, wie beispielsweise die Auswahl der für die Konstruktion notwendigen SPS, auf einen späten Zeitpunkt während der Konst­ruktionsphase verschieben. Die Programmierung erfolgt vollständig mit symbolischen Variablen. Erst am Ende werden die Variablen den Hardware Ressourcen per Mapping zugewiesen. So kann auch nachträglich noch die Aufteilung der Software auf die Hardware vorgenommen werden. Die Zuordnung, auf welcher Steuerung das Anwenderprogramm ausgeführt wird, erfolgt ebenfalls per Drag&Drop. Im Hintergrund wird die Kommunikation zwischen den verteilten Steuerungen mit dem Tool PAS4000 konfiguriert. Für den Download der Programme zu den Steuerungen ist nur Mausklick notwendig, er muss also nicht für jede Steuerung einzeln vorgenommen werden. Hier zeigt sich, dass beim Einsatz eines für verteilte Steuerungen optimierten Tools die Komplexität in dezentralen Strukturen reduziert wird. Komplette Modularisierung von Anlagen ermöglichen Mit Safetynet p und PSS4000 steht ein Automatisierungssystem zur Verfügung, das die komplette Modularisierung von Maschinen und Anlagen ermöglicht. Durch die durchgängige Unterstützung des modularen Ansatzes in Kommunikation, Hard- und Software kann der Engineeringaufwand reduziert werden. Wird die Modularisierung konsequent beim Maschinenbauer umgesetzt, können Kosten durch die Standardisierung von Maschinen gesenkt werden.