Prozess- und Servicedatenanalyse von Sicherheitssensoren Safety in der Cloud

Über Cloud-basierte Automatisierungslösungen lassen sich Steuerungssysteme mit dem Internet verbinden. Dieser als Industrial Internet of Things (IIoT) bekannte Ansatz bietet einen wesentlichen Vorteil: Die Daten der vernetzten Komponenten können verwendet werden, um die Wartungsintervalle von Maschinen möglichst genau vorherzusagen, wodurch sich die Maschineneffizienz erhöht. Mit der zunehmenden Verbreitung des IIoT werden nun weitere Vorteile erforscht. Eine Überlegung besteht beispielsweise darin, Cloud-basierte Konzepte zur Integration von sicherheitsgerichteten Daten zu verwenden, um sicherheitsrelevante Ereignisse besser zu verstehen.

Eine gut konstruierte Maschine stellt die Sicherheit des Bedien- und Wartungspersonals in den Vordergrund: Sicherheitssensoren und -leitsysteme sorgen dafür, dass die Maschine in einen sicheren Zustand geschaltet wird, sobald Abweichungen von den spezifizierten Prozessparametern auftreten. Aus Sicht der Benutzer können die Sicherheitsvorkehrungen jedoch einen kontraproduktiven Effekt haben, etwa weil sie die Arbeitseffizienz beeinträchtigen. Daher umgehen manche Mitarbeiter die Sicherheitseinrichtungen, zum Beispiel indem sie weitere Wege auf sich nehmen. Eine automatische Erfassung und Auswertung der Sensordaten kann helfen, solche Abweichungen zu identifizieren und möglicherweise dabei auftretende Anwenderfehler zu erkennen. So lassen sich wertvolle Erkenntnisse in Bezug auf sicherheitsbezogene Ereignisse gewinnen.

Zugriffssichere IIoT-Plattform

Ein Beispiel für die einfache automatische Erfassung von Daten aus verteilten SPS-gesteuerten Maschinen ist die Proficloud von Phoenix Contact. Die offene und zugriffssichere IIoT-Plattform erlaubt eine Anbindung dezentral installierter Profinet-Steuerungen über das Internet. Die Proficloud unterstützt Steuerungen mit eingebautem Proficloud-Port sowie Proficloud-fähige Koppler, die als Gateway zwischen der Profinet-SPS beziehungsweise einem Netzwerkgerät und der Cloud fungieren. Der Koppler, der schnell aufgebaut und einsatzbereit ist, verbindet das lokale Profinet-Netzwerk mit der Proficloud und stellt automatisch eine Datenverbindung her. Alle verteilten Proficloud-fähigen Komponenten nutzen eine Verschlüsselung, die auf dem international anerkannten TLS-Protokoll basiert – so ist die Integrität der Daten sichergestellt.

Während einige industrielle Cloud-Lösungen Registrierungsgebühren erheben und lediglich eine manuelle Kontoaktivierung durch den Anbieter zur Verfügung stellen, verfolgt die Proficloud einen Self-Service-Ansatz: Jeder Nutzer kann sich unter www.proficloud.net anmelden und erhält sofort Zugriff auf die angebotenen Dienste. Zusätzlich kann er seine selbst erstellten Komponenten und Testlösungen weiteren Anwendern zugänglich machen. Auch kann er andere Proficloud-Teilnehmer in sein Konto einladen, um gemeinsam Daten oder Dienste zu verwenden. Mit der Proficloud-Plattform lassen sich Prozess-, Ereignis- und Servicedaten von Sicherheitssensoren und sicheren I/Os sammeln. Anschließend können diese Daten zur Überprüfung des Verhaltens sowie möglicher Abweichungen in der gesamten Anlage genutzt werden.

Im Rahmen eines Pilotprojekts ist etwa eine Sicherheitssteuerung aufgebaut worden, an die sichere I/O-Module der Produktfamilie Axioline angekoppelt wurden. Diese TÜV-zertifizierten I/O-Module unterstützen die Safety­Bridge-Technologie. Sie überwachen die Eingänge der Sicherheitssensoren und schalten bei Bedarf die Leistungselemente ab. Das Herzstück der Steuerung ist eine SIL-zertifizierte Sicherheits-CPU, die in ein sicheres Ausgangsmodul integriert wurde. Dieses sogenannte Sicherheitslogikmodul hostet das Sicherheitsprojekt und kommuniziert über das proprietäre SafetyBridge-Protokoll mit den unterschiedlichen I/Os. Wenn eine Sicherheitsfunktion angefordert wird, reagiert das Sicherheitslogikmodul entsprechend. Der Steuerungskreis ist jedoch nicht auf das lokale Profinet-Netzwerk beschränkt. Vielmehr lassen sich die Sicherheitssensoren zur Ansteuerung aller im Profinet-System verteilten Maschinen einsetzen. Zur Analyse der Sicherheitsdaten kann der Nutzer in einer Dashboard-Applikation individuelle Grafiken und Diagramme erstellen, die je nach Bedarf entweder historische oder Echtzeitdaten visualisieren. Die Visualisierungen sind dann bequem auf dem Monitor des Bürorechners, einem Maschinendisplay oder auf Remote-Handgeräten abrufbar.

Szenario 1: Systemvergleich

Die Vorteile und Potenziale eines solchen Cloud-basierten Ansatzes zur Aufnahme von Sicherheitsdaten lassen sich durch drei verschiedene maschinenbezogene Szenarien verdeutlichen. Im ersten Szenario stellt der Anlagenführer fest, dass seine Anlage einen auffallend hohen Anteil an ungeplanten Unterbrechungen aufweist. Ein Blick auf die Maschinendaten verrät ihm, dass die Produktionsstopps durch die Aktivierung von Not-Aus-Systemen und das Öffnen von Servicetüren ausgelöst wurden. Eine erste Echtzeit-Datenanalyse der über Profinet mit der Proficloud verbundenen Türschalter und Not-Aus-Tasterzustände zeigt ihm, wann die einzelnen Maschinen bedient wurden und welche weiteren Prozessparameter zu diesem Zeitpunkt relevant waren. Anhand dieser Daten kann er eine Vergleichsanalyse mit ähnlich ausgelegten Maschinen durchführen. Zudem kann er die Leistung korrespondierender Maschinen in verschiedenen Produktionsschichten vergleichen. So lassen sich Abweichungen aufdecken, die möglicherweise auf eine fehlerhafte Konstruktion oder unzureichende Maschinenergonomie zurückzuführen sind. Darüber hinaus können falsche Bedienvorgänge oder der wiederholte Einsatz von Not-Aus-Schaltern darauf hinweisen, dass die Maschinenbediener besser geschult werden müssen.

Szenario 2: Betriebsarten

Das zweite Szenario dreht sich um die Analyse verschiedener Betriebsarten einer Maschine. Gemäß der DGUV-­Unfallstatistik von 2016 ereignen sich die meisten schweren Verletzungen beim Bedienen beziehungsweise Überwachen von Maschinen. Der Grund dafür liegt auf der Hand: Bei diesen Tätigkeiten befindet sich der Anwender in unmittelbarer Nähe von beweglichen Teilen. In solchen Phasen ist es daher besonders wichtig, sichere Arbeitsabläufe einzuhalten und entsprechende Sicherheitsvorkehrungen zu treffen – zum Beispiel mit Hilfe von Lockout-Tagout-Prinzipien. Durch die Erfassung der sicherheitsrelevanten Signale von Türverriegelungen und deren Zuordnung zu Betriebsarten und sicheren Geschwindigkeitsprofilen in der Cloud lassen sich zudem Anomalien aufdecken und Korrekturmaßnahmen einleiten.

Szenario 3: Schaltspiele

Ein dritter interessanter Aspekt bei der Aufnahme von Sicherheitsdaten besteht im Vergleich der berechneten Sicherheitsparameter mit den realen Maschinendaten. Dieser Vergleich erweist sich als besonders gewinnbringend, wenn es sich um Sicherheitsbauteile mit mechanischem Verschleiß handelt. Gemäß DIN EN ISO 13849 Teil 1 lässt sich die mittlere Zeit bis zum gefahrbringenden Ausfall (MTTFd) eines mechanischen Sicherheitselements über die erwartete Anzahl von Schaltungen (nop) und den Verschleiß (B10d-Wert) ermitteln. Verzeichnet eine Maschine also über einen längeren Zeitraum mehr ungeplante Stillstände oder häufigere Wartungseingriffe als ursprünglich geplant, so beeinträchtigt dies den B10d-Wert und reduziert somit die MTTFd-Zeit. In einem Cloud-basierten System können solche Informationen als sicherheitstechnischer Alarm für den Anlagenbetreiber gekennzeichnet werden. Zudem können die Daten an die Elektrokonstruktion weitergegeben werden, um sie in die Berechnung neuer Maschinen einzubeziehen.