Viele Maschinen- und Anlagenbauer stehen bei der Entwicklung neuer Applikationen häufig vor der Frage, ob sie die im Feld verbaute Sensorik und Aktorik klassisch über im Klemmenkasten installierte I/O-Module mit der Steuerungstechnik verbinden sollen. Alternativ bietet sich der Anschluss über direkt im Feld montierte I/O-Module in Schutzart IP65/67 an. An dieser Stelle treffen unterschiedliche Meinungen aufeinander, denn jeder Ansatz weist Vor- und Nachteile auf. Während die Klemmenkasten-Variante eine hohe Granularität eröffnet, reduziert sich der Montage- und Installationsaufwand bei der IP65/67-Lösung deutlich. Was sind also die wesentlichen Anforderungen, die Hersteller von Maschinen und Automatisierungsanlagen an die Integration der Sensor-Aktor-Ebene stellen? Zum einen wird eine große Flexibilität benötigt, um schnell auf kundenspezifische Änderungen reagieren zu können, weil in der Regel keine Serienmaschine der anderen gleicht. Stückzahl eins ist somit in diesem Maschinenbausegment ein großes Thema. Auf der anderen Seite gilt der Ausspruch ‚Zeit ist Geld‘. Daher erwarten die Maschinen- und Anlagenbauer eine einfache und fehlervermeidende Installation. An diesem Punkt spielen die Feldgeräte in hoher Schutzart ihre Stärken aus. Da sie direkt vor Ort in der Maschine oder Anlage verbaut werden können, entstehen kurze Leitungswege und die Verlegung der benötigten Verdrahtung gestaltet sich übersichtlich. Darüber hinaus tragen fertig konfektionierte M12-Leitungen zur Reduzierung des Zeitbedarfs bei. Müssen die Module im laufenden Betrieb ausgetauscht werden, fordert der Anwender eine genaue Diagnose mit Fehlerort und -ursache, sodass die Verfügbarkeit der Applikation sichergestellt ist.
Schneller Gerätetausch per Speicherstick
Die aufgeführten Argumente sind der Grund, weshalb die Zahl der Anwender von dezentralen I/O-Modulen in hoher Schutzart seit Jahren stetig wächst. Mit den Geräten der Produktfamilie Axioline E deckt Phoenix Contact einen großen Bereich der hier notwendigen Signalformen und Netzwerke ab. Dabei haben sich die Axioline-E-Module als Ethernet-Spezialisten für die Feldinstallation bewährt. Das I/O-System in Blockbauweise, das sich schaltschranklos direkt an der Maschine anbringen lässt, unterstützt alle Ethernet-basierten Kommunikationsprotokolle. Das erlaubt eine hohe Flexibilität. Seine digitalen Ein- und Ausgänge ermöglichen die Umsetzung der meisten Anforderungen. Andere Signalarten werden über den eingebauten IO-Link-Master angekoppelt. Bis vor kurzem standen die Anwender noch vor der Herausforderung, dass sich sicherheitsgerichtete Signale mit dem System nicht erfassen und ausgeben ließen. Deshalb war eine parallele Lösung für die funktionale Sicherheit erforderlich. Deren Realisierung erfolgte entweder über separate Sicherheitsschaltgeräte in einen zentralen Schaltschrank oder über eine zusätzliche Sicherheitssteuerung, wobei beide Alternativen eine aufwändige Parallelverdrahtung erfordern. Das ist nicht länger notwendig, weil das Axioline E-Produktspektrum um die sichere I/O-Box Axioline E Safe in Schutzart IP67 erweitert worden ist. Das Modul kann sicherheitsgerichtete Signale – wie Not-Halt oder Lichtgitter – aufnehmen und weiterleiten. Je nach Parametrierung und Beschaltung wird ein Sicherheitslevel bis SIL3, SIL CL3 oder PLe erreicht. Neben seinen acht sicheren Ein- und vier sicheren Ausgängen sowie einer IO-Link-Schnittstelle umfasst die I/O-Box weitere Besonderheiten. So wurde beispielsweise auf einen Schalter zum Einstellen der Safety-Adresse verzichtet. Sie wird jetzt über das jeweilige Engineering-Tool respektive die Steuerung vergeben. Zum schnellen Gerätetausch lässt sich optional ein separater Speicherstick für die Safety-Adresse verwenden. Die I/O-Box zeichnet sich ferner durch eine multilinguale Veranlagung aus: Sie unterstützt zum einen das Profisafe-Protokoll und kann gemeinsam mit Profisafe-fähigen Sicherheitssteuerungen betrieben werden. Zum anderen erlaubt die integrierte SafetyBridge Technology (SBT) die Einbindung in nahezu sämtliche Automatisierungsnetzwerke.
Umfassende Diagnose auch ohne Safety-SPS
Wird die SPS der Maschine als zentrales Element verstanden, weist eine Lösung mit sicherer Steuerung einen entscheidenden Vorteil auf: Der Status aller sicheren Ein- und Ausgangsmodule steht in der SPS zur Verfügung. Gleiches gilt für sämtliche Diagnoseinformationen der sicheren Module. Tritt beispielsweise ein Kurzschluss an einem Ausgang oder eine Äquivalenzverletzung an einem Eingangspaar auf, wird dem Maschinenbediener der Fehler einfach über die Steuerung und die zugehörige Visualisierung angezeigt und Maßnahmen zur Störungsbeseitigung vorgeschlagen. Sollten diese nicht zur Behebung des Fehlers führen, sind die Informationen auch über Fernwartungslösungen zugänglich. Der Maschinenbauer kann dem -betreiber also aus der Ferne helfen. So lassen sich Stillstandzeiten verkürzen und damit die Verfügbarkeit der Anwendung erhöhen. Der Nutzen, der sich aus der Kombination von dezentral verbauten sicheren I/O-Modulen und sicheren Steuerungen ergibt, liegt folglich auf der Hand. Doch zahlreiche Anwender stehen vor der Herausforderung, dass nicht jeder Steuerungshersteller eine Safety-SPS anbietet. Außerdem möchten sie die höheren Kosten für eine sichere Steuerung nicht bezahlen. Darüber hinaus entwickeln viele Maschinenbauer ihre eigenen SPSen, haben allerdings nicht die Expertise, um eine sichere Steuerung umzusetzen. Daher sind ihre Kunden gezwungen, abgesetzte Konzepte einzusetzen. Die Anwender müssen somit entweder die Nachteile der klassischen Lösung akzeptieren oder beispielsweise einen separaten Bus zur Übertragung der Safety-Daten nutzen, der an die Standard-SPS anzukoppeln ist. Das erfolgt über eine parallele Verdrahtung auf die Standard-Eingänge respektive die Anbindung über Bus-Gateways. Beides erweist sich als aufwändig und geht mit zusätzlichen Kosten einher.
Flexible Kommunikation über alle relevanten Protokolle
Vor diesem Hintergrund unterstützt die I/O-Box Axioline E Safe das SafetyBridge-Protokoll (SBT). Ein lauffähiges SBT-System setzt sich aus sicheren Ein- und Ausgangsmodulen sowie den sogenannten Logikmodulen zusammen. Die I/O-Module erfassen die sicheren Signale oder geben sie aus. Ferner führen sie ständig Diagnosen durch, indem sie das Gerät zum Beispiel auf Kurz- und Querschlüsse sowie Anti- und Äquivalenzverletzungen kontrollieren. Das Logikmodul stellt das zentrale Element der SafetyBridge-Installation dar. Es generiert und überwacht das sicherheitsgerichtete SBT-Kommunikationsprotokoll und bearbeitet die logischen Verknüpfungen der parametrierten Sicherheitslogik. Eine sichere Steuerung ist nicht notwendig. Die sicheren Signale, die mit den SafetyBridge-I/O-Modulen aufgenommen oder ausgegeben werden, lassen sich über nahezu alle Automatisierungsnetzwerke – wie Profibus, Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, CANopen, Sercos III oder Modbus TCP – sowie gängigen Steuerungstypen weiterleiten. Zur Ankopplung des SBT-Moduls an das jeweilige Netzwerk ist es – wie die I/O-Box Axioline E Safe – für den Datenaustausch mit einer IO-Link-Schnittstelle ausgestattet. Die Integration in das verwendete Netzwerk geschieht über den jeweiligen IO-Link-Master. Die Standardsteuerung übernimmt den Datentransport zwischen den Modulen. Der SPS-Programmierer hat Zugriff auf den Status sämtlicher sicheren Ein- und Ausgänge. Ohne jeglichen Hardware-, Verdrahtungs- und Programmieraufwand steht ihm die Information zur Verfügung, welche Schutztür geöffnet oder welcher Not-Halt betätigt wurde. In Kombination mit einer Visualisierung erhält der Maschinenbediener im Fehlerfall Hinweise zur Behebung der Störung. Auf diese Weise reduzieren sich Stillstandzeiten, die durch die funktionale Sicherheit verursacht worden sind, erheblich.
Fazit
Die sichere I/O-Box Axioline E Safe in Schutzart IP67 zeichnet sich neben der einfachen und fehlervermeidenden Installation durch weitere Vorteile aus. So unterstützt das Gerät abgesehen vom Profisafe-Protokoll aufgrund der implementierten SafetyBridge Technology zahlreiche Automatisierungsstandards. Mit SBT lassen sich sicherheitsgerichtete Applikationen auch ohne Safety-SPS realisieren, was zusätzlich Zeit und Kosten spart.
