DE19857683A1 - Verfahren zur Sicherheitsüberwachung von Steuerungseinrichtungen - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit bei Automatisierungseinrichtungen beschrieben. Das Verfahren ist derart ausgelegt, daß man übliche Steuerungseinrichtungen mit dezentralen Peripheriegeräten in Bezug auf sicherheitsrelevante Vorgänge und Abläufe redundant überwacht und damit gehobenen Sicherheitsanforderungen zum Schutz von Leben und Gesundheit von Personen oder Maschinenteilen gerecht wird. Bei dem vorgestellten Verfahren wird eine weitreichende Trennung zwischen dem Steuerungssystem und der Sicherheitseinrichtung erreicht, so daß eine nachträgliche Installation in einfachster Form möglich wird. Zusätzlich ist man in der Lage, sowohl das Steuerungssystem als auch die Sicherheitseinrichtung unabhängig zu programmieren und zu prüfen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Sicherheitsüberwachung von
Steuerungseinrichtungen.
Steuerungseinrichtungen werden nach dem heutigen Stand der Technik überall dort
eingesetzt, wo Prozesse, Abläufe oder sonstige elektromechanische Einrichtungen
zu steuern, regeln, überwachen oder zu visualisieren sind.
Im engeren Sinne verwendet man hierzu oftmals speicherprogrammierbare
Steuerungen oder Mikrorechner. Typische Anwendungsgebiete sind
Automatisierungsinseln, Fertigungsstraßen, Bearbeitungszentren oder chemische
Einrichtungen.
Nicht selten enthalten diese vorher genannten Prozesse sicherheitsrelevante
Abläufe, die eine Gefährdung für Personen oder Teile der Maschine darstellen. Von
den fehlerhafte Zuständen der Steuerung gehen dann extreme Gefahren aus, die
unbedingt von Personen oder sonstigen Einrichtungen fern zu halten sind. Beispiele
hierfür sind unkontrollierte Bewegungen von Robotern, vorzeitiges Bewegen von
Dreh- oder Fräseinrichtungen, ungewollte Beschleunigungen oder falsche
Drehzahlen von Rotationseinrichtungen oder verzögertes Abschalten von Heiz- oder
Dosierprozessen bei chemischen Anlagen.
Die Ursachen dieser fatalen Fehler sind vielfältig. Zumeist liegt aber ein
Programmierfehler, ein unkontrolliertes Verhalten durch elektromagnetische
Einflüsse oder eine sonstige Störung vor, die den Prozeß in eine nicht definierte
Situation bringt.
Diese Fehlerarten sind in der Literatur (insb. in Normungswerken, vergl. DIN 19251)
hinreichend beschrieben. Gleichfalls stellt die Norm bereits Konzepte vor, wie man
derartige Fehler erkennt und eliminiert (z. B.: DIN V 0801). Ferner bieten
verschiedene Hersteller von Steuerungseinrichtungen bereits vollständige Lösungen
an, die für sicherheitsrelevante Einrichtungen (wie vorgestellt) zu verwenden sind
(siehe Produktangebote Siemens (115/155F) oder Produkte der Hersteller Pilz und
Hima).
Alle bekannten Lösungen basieren darauf, daß man entweder die gesamte
Steuerungseinrichtung oder Teile der Steuerungseinrichtung redundant auslegt. So
entsteht ein Gesamtsystem, das man bei allen sicherheitsrelevanten Komponenten
entweder doppelt oder dreifach projektiert werden muß.
Insbesondere stellt die Sicherheitseinrichtung bei einer derartigen Steuerung einen
festen Bestandteil des Gesamtsystems dar. Jede Änderung oder Anpassung an den
Prozeß muß sorgsam (im Hinblick auf die Sicherheitsfunktion) durchgeführt werden,
da auch nichtsicherheitsrelevante Hard- oder Softwarekomponenten einen Einfluß
auf die Sicherheitseinrichtung haben können. Im schlimmsten Fall könnte sogar die
Änderung eines Parameters zum Absturz der Sicherheitseinrichtung führen.
Bereits in der Vergangenheit war man daher stets bemüht, reine Steuerungsabläufe
von sicherheitsrelevanten Vorgängen zu trennen (siehe auch Patent DE 35 02 387
oder Fachartikel "SPS in der Sicherheitstechnik", SPS-Magazin, Feb./März 1990)
Nach wie vor stellen auch diese Konzepte Verfahren dar, die zwar ohne Verdopplung
der Hardware auskommen, aber die sicherheitsrelevante Funktion in der
Gesamtprojektierung der Steuerung benötigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Steuerungseinrichtung und die
Sicherheitsfunktion vollkommen zu trennen. Mit der Erfindung wird es möglich, den
Steuerungsteil vollständig vorher aufzubauen, zu testen und in Betrieb zu nehmen.
Die sicherheitsrelevanten Komponenten lassen sich dann nachträglich hinzufügen,
ohne die Steuerungsfunktion zu ändern. Auch nach der Installation beider Systeme
(Steuerungseinrichtung und Sicherheitssystem) lassen sich Steuerungsfunktionen
ändern, hinzufügen oder heraustrennen, ohne daß die Sicherheitsfunktion davon
betroffen ist. Insbesondere besteht die Möglichkeit, alle Sicherheitsverknüpfungen im
einzelnen unabhängig zu prüfen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst, während die weiteren Ansprüche (2-10) vorteilhafte
Ausprägungen des Verfahrens darstellen.
In Fig. 1 ist die Funktionsweise des zu Grunde liegenden Verfahrens dargestellt.
Hierbei besteht das Automatisierungssystem aus einer Steuerung, einem Bus-Sys
tem und mehreren dezentralen Komponenten, die den Prozeß steuern oder
überwachen. Damit stellt die Fig. 1 eine typische Einrichtung dar, die (ohne die grau
hinterlegten Komponenten) für alle nichtsicherheitsrelevanten Systeme geeignet
sind. Die Anordnung entspricht dem heutigen Stand der Technik.
Im Detail steuert oder regelt die Steuerung (1) den gewünschten Prozeß. Über das
angeschlossene Bus-System (3) holt sie Daten vom Prozeß (11, 12) oder gibt sie
Daten zum Prozeß aus. Die dezentralen Einheiten (4-10) empfangen alle Daten vom
Bus-System (3) oder stellen dem Prozeß (11, 12) ihre Daten zur Verfügung. Damit
sind die dezentralen Einheiten nur vorgelagerte Ein-/Ausgabe-Baugruppen, die ohne
ein Bus-System als Peripheriebaugruppen in der Speicherprogrammierbaren
Steuerung zu finden sind.
Die Steuerung (1) enthält ein Programm (Software) das alle
nichtsicherheitsrelevanten Vorgänge steuert oder regelt. Ferner enthält sie bereits in
ihrem Programm auch die logischen Funktionen für die Sicherheitsverknüpfungen,
die für sicherheitsrelevante Vorgänge notwendig sind. So enthält beispielsweise der
Prozeß (11) keine aber der Prozeß (12) sicherheitsrelevante Vorgänge bei denen
Bewegungen erfolgen, die eine Gefahr für Mensch oder Maschine darstellen (13).
Obwohl die Steuerung (1) die notwendige Logik für die Sicherheitsanforderung
enthält, kann sie im Fehlerfall nicht einwandfrei reagieren, da entweder sie selbst
oder eine ihrer dezentralen Einheiten fehlerbehaftet sein kann, diese aber nicht
kontrolliert werden. Das Steuerungssystem ist damit nicht in der Lage, einen Fehler
abzuwehren, da jegliche Fehlererkennung fehlt.
Entsprechend der Aufgabe des Patents nach Anspruch 1 werden zur Erreichung der
sicheren Fehlererkennung und zur Prozeßabschaltung die grau hinterlegten
Komponenten hinzugefügt.
Die Überwachungseinheit (2) wird in der Funktion eines Hörers (Listener) an den Bus
angeschlossen. Sie braucht damit nicht von der Steuerung berücksichtigt zu werden,
da sie nur passiv sich der Daten des Bus-Systems (3) bedient. Die
Überwachungseinheit (2) ist über die auf dem Bus laufenden Daten über alle
Zustände und Abläufe im Prozeß und insbesondere über die Zustände der
Prozeßgrößen informiert.
Im Prinzip ist sie damit in der Lage, die sicherheitsrelevanten Zustände zu
überprüfen. Zur Bewältigung dieser Aufgabe enthält sie ein einfaches Programm daß
nur die Sicherheitsfunktionen als Logik überwacht (z. B.: Gitterkontrolle,
Anlaufüberwachung, Endschaltertest, usw.). Im Fehlerfall der Steuerung (1) kann
damit die Überwachungseinheit (2) geeignete Maßnahmen ergreifen.
Diese Fehlererkennung funktioniert jedoch nur dann, wenn die Steuerungseinheit (1)
als Verursacher fungiert. Fehler in den dezentralen Einheiten oder im Prozeß werden
von beiden Einheiten (Steuerungseinheit (1) oder Überwachungseinheit (2)) nicht
registriert.
Eine vollständige Kontrolle gelingt daher nur mittels spezieller dezentraler Einheiten,
die ihre eigene Funktion oder sogar die Sensorik im redundant Prozeß abfragen.
Entsprechend des Anspruchs 1 gehören zum Verfahren auch dezentrale Einheiten,
die selbst Sicherheitsanforderungen genügen. Hierzu gehört insbesondere die
Überwachung der eigenen Funktion und die Sicherheitsabschaltung im Fehlerfall (bei
Ausfall des Bus-Systems (3) oder bei fehlerhaften Ein- oder Ausgabe).
Die Überwachungseinheit (2) erkennt somit eindeutig einen Fehler, sofern er im
sicherheitsrelevanten Programm als Logik hinterlegt ist. Es bleibt der speziellen
Projektierung überlassen, in welcher Form eine geeignete Sicherheitsabschaltung
erfolgt. Im einfachsten Fall kann die Überwachungseinheit (2) das Bus-System (3)
unterbrechen oder kurzschließen. Damit unterbindet sie die Datenübertragung und
die dezentralen Einheiten (7, 9) fallen in einen sicheren Zustand. Denkbar ist aber
auch ein gezieltes Abschalten der Stromversorgung oder ein langsames
Herunterfahren des Prozeßablaufs.
Claims (10)
1. Verfahren zur Sicherheitsüberwachung von Steuerungseinrichtungen, bei denen
Speicherprogrammierbare Steuerungen oder Mikrorechner über ein Bus-System
dezentrale Einheiten ansprechen, die einen Prozeß sowohl im
sicherheitsrelevanten als auch im nichtsicherheitsrelevanten Bereich regeln,
steuern oder überwachen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung der
Sicherheitsanforderung eine Überwachungseinheit (2) hinzugefügt wird, die
entweder ausschließlich oder vorwiegend die sicherheitsbehafteten Funktionen
des Prozesses (12) mit der notwendigen Logik zur Überwachung
gefahrbringender Abläufe oder Bewegungen (13) hinzugefügt wird, die selbst nur
über das Bus-System (3), welches als Standard erhalten bleibt und keinerlei
Zusatzfunktion bedarf, eine Hörer-Funktion erhält und damit zusätzlich zum
Gesamtprozeß adaptierbar ist, diese mit sicherheitsgerichteten dezentralen
Einheiten (7, 9) kommuniziert und parallel zum Gesamtprozeß alle
Sicherheitsfunktionen überwacht und nur im Fehlerfall über die dezentralen
Einheiten (7, 9) oder sonstigen Sicherheitseinrichtungen den sicheren
Maschinen- bzw. Anlagenzustand herbeiführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überwachungseinheit (2) über eine in der Programmiersprache festgelegten
Logik verfügt, die entweder ausschließlich oder vorwiegend Sicherheitsvorgänge
überwacht und damit redundant zur Gesamtsteuerung arbeitet.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überwachungseinheit (2) auch nach der Funktionskontrolle des nicht
redundanten Steuerungssystems mit ihren für die Sicherheit notwendigen
Abschaltfunktionen adaptierbar ist und durch ihre Sicherheitsfunktion der
geforderte Grad an Sicherheit projektiert werden kann.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überwachungseinheit (2) und die sicherheitsgerichteten dezentralen Einheiten
(7, 9) deaktiviert werden können, ohne die einkanalige Steuerungsfunktion zu
beeinträchtigen.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch
eine bustechnische Mithörfunktion der Überwachungseinheit (2) keine
Rückwirkung auf den eigentlichen Steuerungsprozeß entsteht, so daß eine
weitgehende Trennung zwischen der Hard- und Software des nicht redundanten
Steuerungssystems und der Sicherheitsüberwachung ermöglicht wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überwachungseinheit (2) über den normalen Datenverkehr des Bus-Systems (3)
der Steuerungseinheit (1) alle notwendigen Zustände und Funktionen erhält, die
zur Überwachung des nicht redundanten Steuerungssystems notwendig sind.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es an
Standardbussysteme ohne Sicherheitsprotokollerweiterung adaptierbar bzw.
einbindbar ist.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
dezentralen Einheiten, die sicherheitsrelevante Funktionen erfassen und
ansteuern, selbst ihre Funktion überwachen, möglicherweise Sensoren oder
Aktoren redundant überwachen und bei Ausfall einer Funktion, beispielsweise bei
Ausfall der Bus-Funktion, in den sichern Zustand schalten, der keine Gefahr mehr
für Mensch oder Maschine darstellt.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überwachungseinheit (2) in einer von dem nicht redundanten Steuerungssystem
unabhängigen Programmier- und Parametriersprache in ihren
Sicherheitsfunktionen generiert werden.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überwachungseinheit (2) neben der Überwachungsfunktion auch die Bedienung
und Programmierung mittels eines integrierten Mensch-Maschinen-Interfaces
erlaubt.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8125 | Change of the main classification |
Ipc: G05B 19048 |
|
8363 | Opposition against the patent | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: PHOENIX CONTACT GMBH & CO. KG, 32825 BLOMBERG, DE |
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8381 | Inventor (new situation) |
Inventor name: WRATIL, PETER, DR., 21224 ROSENGARTEN, DE |
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R037 | Decision of examining division/fpc revoking patent now final | ||
R107 | Publication of grant of european patent rescinded |
Effective date: 20130725 |