Integration von Safety-Daten in die Cloud

| Autor / Redakteur: Simon Davis * / Michael Eckstein

Über Cloud-basierte Konzepte lassen sich Wartungszyklen optimieren und die Maschineneffizienz 
erhöhen. Zudem hilft es dabei, sicherheitsrelevante Ereignisse besser zu verstehen.
Über Cloud-basierte Konzepte lassen sich Wartungszyklen optimieren und die Maschineneffizienz 
erhöhen. Zudem hilft es dabei, sicherheitsrelevante Ereignisse besser zu verstehen. (Bilder: Phoenix Contact)

Das Erfassen und Auswerten sicherheitsrelevanter Informationen über eine Cloud-basierte Plattform kann die Grundlage für mehr Anwendersicherheit in Arbeitsumgebungen sein.

Über Cloud-basierte Automatisierungslösungen lassen sich Steuerungssysteme mit dem Internet verbinden. Der als Industrial Internet of Things (IIoT) bekannte Ansatz bietet einen wesentlichen Nutzen: Die Daten der vernetzten Komponenten können zum Beispiel dazu verwendet werden, um die Wartungsintervalle von Maschinen möglichst genau vorherzusagen. Das verringert Ausfallzeiten und erhöht somit die Maschineneffizienz.

Mit der zunehmenden Verbreitung des IIoT werden weitere Vorteile und Anwendungsfälle erforscht. Eine Überlegung besteht beispielsweise darin, dass das Cloud-basierte Konzept zur Integration sicherheitsgerichteter Daten zum Einsatz kommt. Auf diese Weise sollen nicht nur Wartungszyklen optimiert, sondern auch sicherheitsrelevante Ereignisse besser verstanden werden. So wird die Grundlage für deren Vorhersage sowie die Schaffung einer sichereren Umgebung für die Benutzer gelegt (Bild 1).

Bedienersicherheit muss im Vordergrund stehen

Eine gut konstruierte Maschine stellt die Sicherheit des gesamten Bedien- und Wartungspersonals in den Vordergrund. Aus Sicht des Benutzers können die Sicherheitsaspekte der Maschine jedoch einen kontraproduktiven Effekt haben, weil sie etwa die Arbeitseffizienz beeinträchtigen. Damit sie ihre Produktionsziele erreichen oder sich Arbeitsabläufe einfacher gestalten, umgehen manche Mitarbeiter immer wieder Sicherheitseinrichtungen. Bedingt durch die integrierte Diagnose zum Erkennen von systematischen und zufälligen Fehlern wird die Maschine andererseits von der Steuerung in einen sicheren Zustand geschaltet, sobald sie Abweichungen von den spezifizierten Prozessparametern feststellt. Dabei kann es sich um fehlerhafte Signaleingänge oder externe Fehler handeln, etwa einen Kurzschuss durch einen Verdrahtungsfehler. Aus den Daten der Sicherheitssensoren und –leitsysteme lassen sich deshalb vielfältige Erkenntnisse über sicherheits- und prozessbezogene Ereignisse gewinnen.

Sofortiger Zugriff auf Daten und Dienste per Cloud

Ein Beispiel für das automatische Erfassen der Daten aus verteilten SPS-gesteuerten Maschinen stellt die Proficloud von Phoenix Contact dar. Die offene und zugriffssichere IIoT-Plattform erlaubt das Anbinden dezentral installierter Profinet-Steuerungen über das Internet. Die Proficloud unterstützt dazu Steuerungen mit eingebautem Proficloud-Port sowie Proficloud-fähige Koppler, die als Gateway zwischen der Profinet-SPS oder einem Netzwerkgerät und der Cloud fungieren. Der Koppler verbindet das lokale Profinet-Netzwerk mit der Proficloud und stellt automatisch eine Datenverbindung her. Alle verteilten Proficloud-fähigen Komponenten nutzen eine Verschlüsselung auf Basis des TLS-Protokolls (Transport Layer Security), sodass der Schutz und die Integrität der Daten sichergestellt sind (Bild 2).

Die Proficloud zeichnet sich durch eine hohe Benutzerfreundlichkeit aus. Während einige industrielle Cloud-Lösungen für die Registrierung Gebühren erheben und lediglich eine manuelle Kontoaktivierung durch den Anbieter zur Verfügung stellen, verfolgt die Proficloud einen Self-Service-Ansatz. Nutzer können sich unter www.proficloud.net anmelden und erhalten Zugriff auf die angebotenen Anwendungen und Dienste. Darüber hinaus ist es möglich, dass er seine selbst erstellten Komponenten und Testlösungen weiteren Anwendern zugänglich macht. Außerdem kann der Nutzer andere Proficloud-Teilnehmer in sein Konto einladen, um gemeinsam Daten oder Dienste zu verwenden. Mit der Proficloud-Plattform lassen sich somit Prozess-, Ereignis- und Servicedaten von Sicherheitssensoren und sicheren I/Os, die an eine lokale Profinet-Station angeschlossen sind, sammeln. Anschließend können diese Daten zur Überprüfung des Verhaltens sowie von Abweichungen in der gesamten Anlage genutzt werden.

Nutzungsmöglichkeiten mit Pilotprojekt evaluieren

Im Rahmen eines Pilotprojekts ist eine Sicherheitssteuerung aufgebaut worden, an die sichere I/O-Module der Produktfamilie Axioline angekoppelt werden. Die sicheren I/O-Module unterstützen die SafetyBridge Technology. Die vom TÜV zertifizierten Remote-I/Os überwachen die Eingänge der Sicherheitssensoren und schalten die Leistungselemente ab. Als Herzstück des Systems dient eine SIL-zertifizierte Sicherheits-CPU, die in ein sicheres Ausgangsmodul integriert ist. Das sogenannte Sicherheitslogikmodul hostet das Sicherheitsprojekt und kommuniziert mit den unterschiedlichen lokalen oder dezentral verbauten I/Os über das proprietäre SafetyBridge-Protokoll.

Wenn eine Sicherheitsfunktion angefordert wird, reagiert das Sicherheitslogikmodul entsprechend. Der Steuerungskreis ist jedoch nicht auf das lokale Profinet-Netzwerk beschränkt. Die Sicherheitssensoren lassen sich vielmehr zur Ansteuerung von im kompletten Profinet-System verteilten Maschinen einsetzen. Um die Sicherheitsdaten anzuzeigen, kann der Nutzer in einer Dashboard-Applikation individuelle Grafiken und Diagramme erstellen, die je nach Bedarf entweder historische oder Echtzeitdaten visualisieren. Die Daten sind dann auf dem Monitor des Bürorechners, dem Maschinendisplay oder Remote-Handgeräten abrufbar. Proficloud-basierte Daten binden sich ferner nahtlos in kommerzielle Cloud-Plattformen (Bild 3) ein.

Typische Szenarien zeigen die Vorteile des Ansatzes

Wenn Profinet-fähige Safety-I/Os der Produktfamilie Axioline und Proficloud-fähige Geräte die Dateninfrastruktur des Pilotprojekts bilden, stellt sich die Frage, wie sich die aufgenommenen Sicherheitsdaten sinnvoll verwenden lassen. Die Vorteile und Potenziale eines solchen Cloud-basierten Ansatzes lassen sich durch verschiedene typische maschinenbezogene Szenarien verdeutlichen.

Vergleichsanalyse deckt Abweichungen auf

Der Maschinen- und Anlagenführer stellt fest, dass seine Anlage einen auffallend hohen Anteil an ungeplanten Unterbrechungen aufweist. Ein Blick auf die Maschinendaten belegt: Die Produktionsstopps sind durch das Aktivieren von Not-Aus-Systemen und das Öffnen von Servicetüren ausgelöst worden. Aus einer ersten Echtzeit-Datenanalyse der über Profinet mit der Proficloud verbundenen Türschalter und Not-Aus-Tasterzustände wird ersichtlich, wann die einzelnen Maschinen bedient wurden und welche weiteren Prozessparameter zu diesem Zeitpunkt relevant waren.

Anhand der Daten lässt sich eine Vergleichsanalyse mit ähnlich ausgelegten Maschinen oder Maschinen unterschiedlicher Hersteller durchführen. Zudem kann der Maschinen- und Anlagenführer die Leistung korrespondierender Maschinen in verschiedenen Produktionsschichten einander gegenüberstellen. Durch die Abwägung der sicherheitsrelevanten Daten aus unterschiedlichen Fertigungslinien lassen sich Abweichungen aufdecken und Probleme aufzeigen, die auf eine fehlerhafte Konstruktion oder unzureichende Maschinenergonomie zurückzuführen sind.

Darüber hinaus können falsche Bedienvorgänge oder der dauerhafte Einsatz beispielweise von Not-Aus-Schaltern darauf hinweisen, dass die Maschinenbediener besser geschult werden müssen. Die sichere Maschinenkonstruktion berücksichtigt jede während des Lebenszyklus der Maschine vorkommende Betriebsart. Gemäß der DGUV-Unfallstatistik (Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung) von 2016 passieren schwere Verletzungen meistens beim Überwachen, Bedienen und Betätigen einer Maschine. Ein Hauptgrund dafür ist, dass der Anwender oder das Wartungspersonal in unmittelbarer Nähe von beweglichen Teilen arbeitet. In einer solchen Phase müssen daher sichere Arbeitsabläufe eingehalten und Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Dabei kann es sich um sogenannte Lockout-Tagout-Prinzipien oder nur um das Sicherstellen der richtigen Reihenfolge von Sicherheitsmaßnahmen handeln. Durch das Erfassen der sicherheitsrelevanten Signale von Türverriegelungen und deren Zuordnung zu Betriebsarten und sicheren Geschwindigkeitsprofilen in der Cloud lassen sich Anomalien aufdecken und Korrekturmaßnahmen einleiten (Bild 4).

Meldung der Ergebnisse als sicherheitstechnischer Alarm

Ein interessanter Aspekt bei der Aufnahme von Sicherheitsdaten besteht im Vergleich der berechneten Sicherheitsparameter mit den realen Maschinendaten. Das erweist sich als besonders nutzbringend, wenn es um Sicherheitsbauteile mit mechanischem Verschleiß geht. Gemäß DIN EN ISO 13849 Teil 1 basiert die Ermittlung der mittleren Zeit bis zum gefahrbringenden Ausfall (MTTFd) eines mechanischen Sicherheitselements auf der erwarteten Anzahl von Schaltungen (nop) und dem Verschleiß (B10d-Wert). Verzeichnet eine Maschine über einen längeren Zeitraum mehr ungeplante Stillstände oder häufigere Wartungseingriffe als ursprünglich kalkuliert, würde das letztlich den Verschleiß beschleunigen und den B10d-Wert beeinträchtigen. Diese Informationen können als sicherheitstechnischer Alarm für den Anlagenbetreiber gekennzeichnet und ebenfalls an die Elektrokonstruktion zurückgemeldet werden, um sie in die Berechnung neuer Maschinen einzubeziehen.

Intelligente Anbindung verteilter Steuerungen

Die Cloud-basierte Automatisierung ermöglicht eine intelligente Anbindung von überall im Produktionsbereich installierten Steuerungen und bietet damit viel Potenzial für das Verbessern der Anlageneffizienz. Das Sammeln und Analysieren von sicherheitsrelevanten Daten wird bislang noch wenig diskutiert, schafft aber die Grundlage für das Verständnis und die Optimierung der Maschinenleistung sowie die Umsetzung einer sicheren Arbeitsumgebung. Mit der Proficloud und den Profinet-Sicherheitsmodulen steht den Anwendern hier eine Komplettlösung zur Verfügung, die sich einfach einrichten lässt und neben der Personen- auch hohe Datensicherheit bietet.

* Simon Davis ist Product Marketing Manager Safety bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont

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