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06.05.2019

Sicherheitssteuerung mit OPC-UA-Anbindung

OPC Unified Architecture, kurz UA, gewinnt als Kommunikationsarchitektur eine immer größere Bedeutung. Schmersal stattet daher das neue Kommunikations-Interface der Sicherheitssteuerungen mit einem OPC-UA-Server aus. Damit ergeben sich für den Maschinenbauer und -anwender Verbesserungen zum Beispiel bei der vorbeugenden Instandhaltung. Darüber hinaus öffnet die durchgängige Kommunikation vom Feldgerät bis in die Managementebenen auch das Tor zu neuen Geschäftsmodellen.

Wenn die Signale von Sicherheitsschaltgeräten beispielsweise in Verpackungslinien umfassend ausgewertet werden, ergeben sich unter anderem für die Instandhaltung Vorteile. Die Anbindung über einen OPC-UA-Server schafft dafür die Voraussetzung

Wenn die Signale von Sicherheitsschaltgeräten beispielsweise in Verpackungslinien umfassend ausgewertet werden, ergeben sich unter anderem für die Instandhaltung Vorteile. Die Anbindung über einen OPC-UA-Server schafft dafür die Voraussetzung

Integration und Kommunikation: Auf diese kurze Formel kann man zentrale Trends der Automatisierungstechnik bringen, die noch etwas allgemeiner mit den Begriffen Digitalisierung und Industrie 4.0 beschrieben werden. Dahinter steht das Ziel, über die gesamte Prozess- und Informationskette durchgängige ­Daten zu nutzen: von den Sensoren und Schaltgeräten auf der Maschinenebene bis zu den zentralen IT-Systemen für die Produktionssteuerung, bei cloudbasierten Diensten sowie sogar über Unternehmensgrenzen hinweg.

Viele Möglichkeiten der Integration und Kommunikation

Dieser Trend gilt auch für die Maschinensicherheit, wenngleich hier andere Voraussetzungen gelten als in der allgemeinen Steuerungs- und Automatisierungstechnik. Denn hier sind zwei Ebenen zu betrachten: die Welt der sicherheitsgerichteten Signale, in der Regelwerke, wie die Maschinenrichtlinie und der ihr zugeordneten Normen gelten, und die der betriebs­mäßigen, das heißt nicht sicherheitsgerichteten Signale, die der Anwender beispielsweise für Diagnosezwecke auswerten möchte, um die Verfügbarkeit der Maschinen und Anlagen zu erhöhen.

Auf beiden Ebenen bietet die Schmersal-Gruppe für ihre ­Sicherheitsschaltsysteme diverse Möglichkeiten der Integration in übergeordnete Infrastrukturen der Kommunikations- und Steuerungstechnik. Auf der Sicherheitsebene können die Endgeräte zum Beispiel über das sicherheitsgerichtete Bussystem „AS-Interface Safety at Work“ (ASi SaW) kommunizieren. Viele Gerätebaureihen sind mit integrierter Anschaltung für dieses Bussystem lieferbar, die anderen können über separate Interface-Bausteine angeschlossen werden.

Für die Übertragung und Auswertung von betriebsmäßigen Signalen wie Grenzbereichswarnungen wurde der SD-Bus entwickelt. Die Daten zum Betriebszustand der ­Sicherheitsschaltgeräte, die über diesen Bus weitergegeben werden, dienen als „Frühwarnsystem“ und geben Warnmeldungen aus, bevor es zu einem Maschinenstillstand kommt, weil ein Sicher­heitsschaltgerät nicht mehr funktioniert. Damit ist diese Art der Kommunika­tion ein wichtiges und oft verwendetes Tool für die Predictive Maintenance.


ASi SaW erlaubt eine vereinfachte Anschaltung und Installation von Sicherheitsschaltgeräten

ASi SaW erlaubt eine vereinfachte Anschaltung und Installation von Sicherheitsschaltgeräten


Sicherheitssteuerung mit integriertem OPC-UA-Server

Für die Sicherheitssteuerung Protect PSC1 steht nun eine integrierte OPC-UA-Anbindung zur VerfügungFür die Sicherheitssteuerung Protect PSC1 steht nun eine integrierte OPC-UA-Anbindung zur Verfügung

Weitergehende Optionen der Vernetzung und Integration bietet Schmersal den Anwendern der Sicherheitssteuerung Protect PSC1. Sie lässt sich mit einem universellen Kommunikations-Interface ausstatten, das die Anbindung an diverse Feldbusprotokolle, wie Profibus, Profinet, Ethercat, Ethernet/IP oder CAN- open, erlaubt. Der Anwender kann den jeweiligen Feldbus einfach per Software auswählen. Das bedeutet, dass mit zwei unterschiedlichen Hardwarekomponenten sämtliche Feldbusversionen abgebildet werden.

Neu ist jetzt eine Variante der Protect PSC1 mit einem inte­grierten OPC-UA-Server im Kommunikations-Interface. Der Server ermöglicht unter anderem einen HMI-Zugang sowie IBS- und Service-Support-Dienste, und es stellt Asset-Dienste im Sinne des Digital Asset Management (DAM) zur Verfügung.  
Diese Art der Kommunikation über den OPC-UA-Server ­bietet zusätzliche Möglichkeiten und Vorteile. Umfangreiche Datensätze aller Sicherheitssensoren aus dem Schmersal-Portfolio können jetzt maschinenlesbar und mit semantischer Beschreibung über das M2M-Kommunikationsprotokoll abgerufen ­werden. Dazu gehören etwa Zustandsdaten der Sicherheitsausgänge, sicherheitstechnische Kennwerte, Informationen zur Lebensdauer der Sensoren, Bestellinformationen, Datenblätter, CAD-Daten und Bilder.

Sicherheitssensoren, die über eine Anbindung zum bereits beschriebenen SD-Bus verfügen, können darüber hinaus zum Beispiel Informationen zum Betätiger und Fehlermeldungen (Querschluss, Übertemperatur, interner Gerätefehler, Kommunikationsfehler, Ausgang Y1/Y2 usw.) übermitteln.
Die Integration von OPC UA in das Kommunikations-Interface der Protect PSC1 schafft außerdem die Voraussetzung dafür, dass die aktuellen Daten der Sicherheitsschaltsysteme von Schmersal (und damit deren „digitaler Zwilling“) für einen herstellerunabhängigen Austausch zur Verfügung stehen, zum Beispiel von einer Maschine zur anderen oder für die fabrikübergreifende Kommunikation.


Optoelektronische Schutzeinrichtungen sind in der Industrie weit verbreitet. Die von ihnen generierten betriebsmäßigen Daten lassen sich über OPC UA  unter anderem an übergeordnete Leitwarten weitergeben

Optoelektronische Schutzeinrichtungen sind in der Industrie weit verbreitet. Die von ihnen generierten betriebsmäßigen Daten lassen sich über OPC UA  unter anderem an übergeordnete Leitwarten weitergeben


Ein Tool für Predictive Maintenance

Einige Beispiele aus dem Bereich der Predictive Maintenance verdeutlichen die konkreten Vorteile der Sicherheitssteuerung mit integriertem OPC-UA-Server. Im Sinne der vorausschauenden Wartung zeigt das System dem Anwender an, dass Sensoren bzw. Aktoren eine bestimmte Anzahl von Schaltzyklen und damit das Ende ihres Lebenszyklus erreichen. Diese Schaltgeräte können dann gezielt ausgetauscht werden. Die Grenzen hierfür legt der Anwender mit der Programmiersoftware „SafePLC2“ fest.

Das gleiche gilt für verschleißbehaftete elektromechanische Sicherheitsschaltgeräte, deren MTTFd-Wert (Mean time to dangerous failure) gemäß EN ISO 13849-1 über den B10d-Wert (nominale Lebensdauer bis zum gefährlichen Ausfall) ­berechnet werden muss. Hierzu gibt es einen T10d-Wert, der den Zeitpunkt für den vorbeugenden Austausch angibt und der bei 10 % des MTTFd-Werts liegt.
Die Protect PSC1 mit integriertem OPC-UA-Server kann ­diesen Zeitpunkt anzeigen. Als Grundlage wird dabei die tatsächliche Anzahl der Schaltzyklen verwendet und nicht die rechnerische Annahme, die der Konstrukteur der Maschine im Rahmen der Risikoanalyse und Gefährdungsbeurteilung ermittelt hat. Das hat aus Anwendersicht den Praxisvorteil, dass die jeweiligen Sicherheitsschaltgeräte erst zum tatsächlich erforderlichen Zeitraum ausgetauscht werden und somit länger im Einsatz sind.


Mit der Programmiersoftware „SafePLC2“ kann der Anwender bei ­jedem einzelnen ­Sicherheitsschaltgerät den Sollwert für die Lebensdauer festlegen

Mit der Programmiersoftware „SafePLC2“ kann der Anwender bei ­jedem einzelnen ­Sicherheitsschaltgerät den Sollwert für die Lebensdauer festlegen


Der nächste Schritt auf dem Weg zur vernetzten ­Produktion

Die Nutzung des weltweit nutzbaren OPC-UA-Standards (IEC 62541) sorgt für Interoperabilität zwischen Produkten verschiedener Hersteller und bietet den Anwendern von Maschinen und Anlagen einen echten Mehrwert. Ihnen stehen zusätzliche Informationen zur Verfügung, die unter anderem die Voraussetzung für eine verbesserte Produk­tionssteuerung oder eine effizientere Instandhaltungsplanung schaffen. Außerdem können beispielsweise die Kennwerte von Produkten eingesehen und deren Dokumentationen oder Betriebsanleitungen im Servicefall schnell hochgeladen werden. Damit entfällt das Suchen in Ordnern und Wartungsunterlagen, was gerade bei Störungen und ungeplanten Stillständen ein Vorteil ist, weil die „Downtime“ minimiert wird.

Zudem eröffnen diese Daten – wenn sie intelligent genutzt und zum Beispiel von übergeordneten MES-Lösungen, CRM-oder ERP-Systemen ausgewertet werden – die Tür zu neuen Geschäftsmodellen. Das gilt nicht nur für die Anwender der Maschinen und Anlagen, sondern auch für deren Hersteller, die auf der Basis der Daten neue Serviceleistungen anbieten können.

Zukunftsgerichteter Kommunikationsstandard – auch für die Prozessindustrie

Aus diesen Gründen ist OPC UA aus Sicht von Schmersal die erste Wahl, um das eigene Produktportfolio Indus­trie-4.0-tauglich zu machen. Die integrierte Schnittstelle für die Sicherheitssteuerung soll den Anwendern der Protect PSC1 ­Planungssicherheit bei der Entwicklung neuer Maschinengenerationen bieten. Denn die Vernetzung von Maschinen wird sich ebenso zuverlässig weiter durchsetzen wie die Generierung und Übermittlung von Daten aus den Maschinen und ­Anlagen. Auch aus diesen Gründen drängen gerade große Produktionsunternehmen auf die verbindliche und hersteller­übergreifende Einführung von OPC UA.  

Die Diskussion um Industrie 4.0 sorgt dabei für zusätzliche Schubkraft. Zum Beispiel erarbeiten aktuell 15 Fachgruppen im VDMA anwendungsspezifische „OPC Companion Spezifikationen“, das heißt standardisierte Daten und Schnittstellen für einzelne Anwendungsbereiche, wie Robotik und industrielle Bildverarbeitung. Zudem wurde kürzlich bei der OPC Foundation eine eigene Arbeitsgruppe für „Funktionale Sicherheit“ ins Leben gerufen. Alles deutet darauf hin, dass sich OPC UA als Kommunikationsstandard für die digitalisierte Produk­tion weiter durchsetzen wird.

www.schmersal.com


Autor:

Ulrich Bernhardt
ist Leiter Vertrieb Steuerungen der Schmersal-Gruppe in Wuppertal/Wettenberg.

20 Jahre openautomation

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„Eine Branche im Umbruch: Anwender fordern in aller Deutlichkeit kostensenkende, flexible und offene Automatisierungslösungen sowie Durchgängigkeit vom Sensor bis zum Management“ – dieser Grundanspruch hat sich über die letzten 20 Jahre nicht geändert, aber die Dimensionen, die neue Technologien mit sich bringen, lassen die Industrie 4.0 Wirklichkeit werden. Immer im Mittelpunkt dabei: Daten – das viel gepriesene Öl des 21. Jahrhunderts. Die Grundidee der vertikalen Integration bleibt, nur das Wording ändert sich heute.

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