TwinSafe: Feldbusunabhängige Kommunikation – Durchgängiges Sicherheitssystem

Die Beckhoff-Philosophie der offenen Steuerungstechnik gilt auch für die Safety-Integration: Das TwinSafe-Protokoll ermöglicht, sicherheitsrelevante Daten über beliebige Medien zu übertragen. Da das verwendete Bussystem keinen Beitrag zur Sicherheit leistet, können alle Feldbussysteme wie Profibus, CANopen, Lightbus, Ethernet TCP/IP oder EtherCAT genutzt werden. Die Sicherheitstechnik von Beckhoff umfasst u.a. sichere Digital-Eingangs- (KL1904) und Digital-Ausgangsklemmen (KL2904) sowie eine sichere Kleinsteuerung KL6904 für das Busklemmensystem und die sicheren Servoverstärker AX5000. Softwareseitig ist die TwinSafe-Technologie in die Automatisierungssoftware TwinCAT integriert, mit der Sicherheitsfunktionalitäten konfiguriert werden. Das TwinSafe-Konzept fügt sich nahtlos in das Busklemmensystem ein. Die Safety-Busklemmen erweitern das I/O-System um die Sicherheitsfunktionen, und die gesamte Verkabelung für den Sicherheitskreis wird in das vorhandene Feldbusnetzwerk überführt. Die sicheren Signale lassen sich mit den Standardsignalen beliebig mischen. Das spart Projektierungsaufwand, Montage und Material. Die Wartung wird durch schnellere Diagnose und leichten Austausch nur weniger Komponenten deutlich vereinfacht. Bei einer Vielzahl von Anwendungen kann die gesamte sicherheitsrelevante Sensorik und Aktorik auf diesen Busklemmen verdrahtet werden. Die notwendige logische Verknüpfung der Eingänge mit den Ausgängen führt die TwinSafe-Logic KL6904 durch. Die Aufgaben einer Fail-Safe-SPS sind damit bei kleinen Aufbauten innerhalb des Busklemmensystems durchführbar. Die TwinSafe-Logic-Busklemme fungiert als Verknüpfungseinheit zwischen den TwinSafe-Ein- und -Ausgangsklemmen. Sie ermöglicht den Aufbau einer einfachen, flexiblen und kostengünstigen, dezentralen Sicherheitssteuerung. Daher werden keine Sicherheitsanforderungen an die übergeordnete Steuerung gestellt. Die für die Automatisierung von Maschinen notwendigen und typischen Sicherheitsfunktionen, z.B. Not-Aus, Schutztür, Zweihand usw., sind in der KL6904 bereits enthalten. Der Anwender konfiguriert die Klemme entsprechend den Sicherheitsanforderungen seiner Applikation. Sichere Anlagenvernetzung TwinSafe ermöglicht die Realisierung verschiedenster Sicherheitsaufgaben. Strukturen, bei denen Standard- und sicherheitsrelevante Signale gemischt werden, sind ebenso möglich wie der Aufbau separater Netzwerke. Das TwinSafe-System kann aber auch als Stand-alone-Lösung oder als dezentrale Vorverarbeitung mit sicherer Kommunikation zu einer übergeordneten Sicherheitssteuerung betrieben werden. Ein wesentlicher Systemvorteil liegt zudem darin, dass sich eine anlagenübergreifende Kommunikation ohne großen Aufwand realisieren lässt. So ist es in aller Regel ein Problem, bei einer Anlage aus mehreren Einzelmaschinen sicherheitsrelevante Signale von einem Bereich in einen anderen zu transferieren. Fast immer wurde eine Anlagenkommunikation für Standardsignale realisiert, die das Beckhoff-System einfach für die sicherheitsrelevanten Daten mitnutzt. Möglich macht dies die Logic-Klemme KL6904, die nicht nur mit sicheren Ein- und Ausgängen, sondern auch mit anderen Safety- und Logikeinheiten kommunizieren kann. Konfigurieren statt programmieren Der Fokus bei der Konzeptentwicklung lag darauf, über die reine Konfiguration der Logic-Klemme KL6904 einfach aus dem Standardsystem heraus die sicherheitsgerichtete Applikation mit einzelnen wenigen Bausteinen realisieren zu können. Solch eine einfache und sichere Handhabung ist in der Praxis wichtiger als die freie Programmierbarkeit, die schließlich auch die Freiheit zu Fehlern beinhaltet. Der Kernansatz liegt darin, dass derjenige, der gestern noch die Not-Aus-Relais verdrahtet hat, heute die gleiche Applikation in Software realisieren kann. Der TwinCAT System Manager dient zum Konfigurieren der gesamten I/O-Ebene inklusive der Achsen. Hier findet man neben den Standardklemmen die entsprechenden Logik-Einheiten bzw. Safety-Ein- und Ausgangsklemmen, die dann in der \“normalen\“ Baumstruktur unter dem entsprechenden Buskoppler bzw. einer Busklemme angeordnet sind. In der Praxis bewährt Das vom TÜV zertifizierte TwinSafe-System ist bereits in Pilotanwendungen im Einsatz: Beispielsweise in einer Produktionslinie, bestehend aus einzelnen Produktionszellen, die jeweils über eine Einzelsteuerungen verfügen. Eine TwinSafe-Logic-Klemme in jeder Zelle sorgt für die lokale Sicherheitsfunktion zur Not-Aus- bzw. Schutztür-Überwachung und kommuniziert mit jedem davor oder dahinter befindlichen Modul. Da die ganze Linie untereinander kommunikationstechnisch verkettet ist, kann bei Bedarf eine Gruppenabschaltung herbeigeführt werden, d.h. bei geöffneter Schutztür gibt es auch rechts und links der direkt betroffenen Maschine eine Reaktion. Diese dank der Kommunikationsfähigkeit der Logic-Klemme einfach zu realisierende Funktionalität zieht sich durch die gesamte Anlage hindurch. Das Beckhoff-System wird also kaum durch die Komplexität einer Anlage begrenzt. So kann es z.B. bei einer sehr großen Pressenstraße zwar sinnvoll sein, die verschiedenen Sicherheitsfunktionen mit einer gemeinsamen Software in einer großen zentralen Sicherheitssteuerung abzudecken; Beckhoff bevorzugt hier allerdings einen anderen Ansatz: Jede Maschine oder einzelne Komponente erhält quasi ihre eigene Sicherheitssteuerung, und diese können dann miteinander über das Netzwerk kommunizieren. Dieser dezentrale Ansatz mit gekapselten Sicherheitsfunktionen ist eher Beckhoff-untypisch, maßgebend ist aber immer der jeweilige Kundenwunsch, zumal Beckhoff mit der geplanten, frei programmierbaren Sicherheits-SPS auch sehr komplexe Anwendungen ermöglicht. Zusätzlich zur schnellen Umsetzung der Sicherheitsapplikation hat sich ein weiterer Vorteil der dezentralen Safety-Lösung in den ersten Applikationen gezeigt: Auch wenn dies im Sinne der Sicherheitstechnik eigentlich nicht vorkommen sollte, tauchen in der Praxis bei der Anlagen-Inbetriebnahme häufig noch Lücken bzw. Defizite in der Projektierung auf. Führte dies bisher oft zu ungeahnten Schwierigkeiten, muss nun lediglich eine Klemme eingefügt werden, um im Nachhinein eine Maschine sicherheitstechnisch, z.B. mit einem Not-Aus oder einer weiteren Schutztür, nachzurüsten. Kasten: Safety-over-EtherCAT Integrierte Sicherheit ist eine zentrale Anforderung an jedes Feldbussystem. Gerade auch von den neuen Industrial-Ethernet-Technologien wird diese Funktionalität erwartet, weil mit dem Wechsel vom herkömmlichen Feldbussystem zur nächsten Generation auch die Sicherheitstechnik mit demselben Bus bewältigt werden soll: Dedizierte, separate Safety-Busse werden bald Geschichte sein. Beckhoff hat sich deshalb entschlossen, den Mitgliedsfirmen der EtherCAT Technology Group das TwinSafe-Protokoll, das parallel zu EtherCAT entwickelt wurde, als Safety-over-EtherCAT offenzulegen und zugänglich zu machen. Damit ist die zertifizierte Safety-Lösung für EtherCAT bereits verfügbar, und nicht nur in \“White Papers\“ beschrieben. Die Safety-Funktionen des Protokolls basieren nicht auf spezifischen EtherCAT-Eigenschaften; in der Anwendung profitiert die Lösung jedoch von den Eigenschaften der EtherCAT-Technologie. So führt die herausragende Performance von EtherCAT zu kürzeren Safety-Reaktionszeiten und damit zu kürzeren Abständen zwischen Sicherheitseinrichtung und bewegten Maschinenteilen. Nachdem Safety-over-EtherCAT im Kern das TwinSafe-Protokoll nutzt, bleiben die für TwinSafe beschriebenen Eigenschaften erhalten: Routing über nahezu beliebige Gateways, die Integration von Feldbussystemen in die sichere Kommunikation, Verkettung von Anlagen und natürlich auch der Einsatz der K-Bus-Safety-Klemmen via EtherCAT-Buskoppler sind möglich. Für Applikationen, die eine größere Safety-Datenbreite erfordern, ist eine abwärts kompatible Erweiterung von Safety-over-EtherCAT in Vorbereitung, die diesen Anforderungen mit variablen Datenbreiten und Checksummen Rechnung trägt.