Sicherheits-SPS vs. Standard-SPS: Ein Leitfaden für Ingenieure

Dieser Artikel bietet eine detaillierte Bewertung der Kernprinzipien der Sicherheit SPSDurch einen mehrdimensionalen Vergleich mit herkömmlichen SPS werden deren einzigartige Layoutprinzipien, einschließlich Redundanz, Diversität und Selbstdiagnose, offengelegt.

Anhand umfassender Tabellen und Datenanalysen verdeutlichen wir, warum die Auswahl einer Sicherheits-SPS für wichtige Anwendungen keine zusätzliche Ausgabe, sondern eine wichtige Investition in den „Sicherheitsgurt“ zum Schutz von Mitarbeitern, Geräten und Produktionskontinuität darstellt.

Sind wir im Zeitalter der Automatisierung wirklich „sicher“?

Mit dem Vormarsch von Sektor 4.0 und der Smart-Manufacturing-Welle ist die SPS zur Grundlage moderner Automatisierungssysteme für Fertigungsanlagen geworden. Von der einfachen Steuerung von Produktionslinien bis hin zur komplexen Roboterkooperation bestimmen SPS mit ihrer Effektivität und Flexibilität den Puls der weltweiten Produktion.

Wenn jedoch ein Steuerungssystem unerwartet ausfällt, können die Auswirkungen noch extremer sein als erwartet – von teuren Geräteschäden und Produktionsstopps bis hin zu irreversiblen Verletzungen der Arbeiter.

Dies wirft eine entscheidende Frage auf: Kann die SPS, auf die Sie sich verlassen, das System zuverlässig in einen sicheren Zustand bringen, wenn eine Bedrohung auftritt?

Genau hier liegt der Unterschied zwischen einer herkömmlichen SPS und einer Sicherheits-SPS. Viele betrachten eine Sicherheits-SPS lediglich als eine „zuverlässigere SPS“, doch diese Sichtweise kratzt nur an der Oberfläche.

Tatsächlich handelt es sich bei einer Sicherheits-SPS um ein spezialisiertes Steuerungssystem, das auf den Prinzipien der „praktischen Sicherheit“ basiert. Sein Ziel besteht nicht nur darin, eine Aufgabe zu erledigen, sondern vor allem darin, unter allen Umständen Sicherheit zu gewährleisten – auch bei Störungen.

Dieser Beitrag wird die Sicherheits-SPS sicherlich entmystifizieren und erläutern, warum sie in der modernen Automatisierungsarchitektur von entscheidender Bedeutung ist.

1. Das Kernziel einer Anforderungs-SPS

Bevor wir uns mit Sicherheits-SPS befassen, müssen wir zunächst die Aufgabe einer Standard-SPS definieren. Eine typische SPS wird entwickelt, um benutzerprogrammierte Logik effizient und korrekt umzusetzen. Ihr Hauptziel ist es, Funktionalität zu erreichen und die Effizienz zu steigern.

• Modus operandi: Es empfängt Signale von Sensoren und Eingabegeräten, führt logische Operationen basierend auf einem voreingestellten Programm durch und danach fährt Aktoren (zB Motoren, zylindrische Rohre, Absperrungen) um bestimmte Aktionen auszuführen.
• Stilziele: Es strebt schnellere Prüfzyklen, höhere Verarbeitungsleistung, größeren Speicher und umfangreichere Kommunikationsschnittstellen an.
• Fehlerbehandlung: Wenn eine Standard-SPS selbst ausfällt (z. B. aufgrund eines CPU-Fehlers oder eines Speicherfehlers), kann ihr Ergebniszustand unvorhersehbar werden. Sie kann ihre Ergebnisse abschalten, den letzten Zustand vor dem Fehler beibehalten oder sogar falsche Ergebnissignale erzeugen. Unter bestimmten industriellen Bedingungen ist dieses Verhalten sehr gefährlich.

Kurz gesagt, eine gewöhnliche SPS ist ein hervorragender „Administrator“, jedoch kein zertifizierter „Wächter“.

2. Die Sicherheits-SPS: Ein Wächter für einen „sicheren“ Betrieb

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen SPS hat bei der Sicherheits-SPS die Sicherheit von Grund auf höchste Priorität.

Es folgt strengen internationalen Sicherheitskriterien, wie zum Beispiel IEC 61508  (der universelle Standard für nützliche Sicherheit) und ISO 13849-1  (für sicherheitsbezogene Komponenten von Steuerungssystemen).

Das beste Ziel besteht darin, einen „sicheren“ Zustand zu erreichen. Dies bedeutet, dass bei einem Ausfall eines beliebigen Teils des Systems (einschließlich der Sicherheits-SPS selbst) dieser sofort in einen vordefinierten, deterministischen Sicherheitszustand übergeht (im Allgemeinen wird die Stromversorgung abgeschaltet oder eine gefährliche Bewegung gestoppt).

Diese durchdachte Änderung wird durch die einzigartige Hardwarearchitektur und die Softwarealgorithmen symbolisiert, die hauptsächlich durch drei moderne Kerntechnologien erreicht werden:

2.1 Architektonische Unterscheidung: Von „Teamarbeit“ bis „Redundante Überwachung“

Dies ist einer der optisch deutlichsten Unterschiede zwischen einer Sicherheits-SPS und einer herkömmlichen SPS.

• Criterion PLC: Kann mehrere CPUs umfassen. Wenn mehrere CPUs vorhanden sind, arbeiten sie üblicherweise in einer teilnehmenden Partnerschaft, wobei jede CPU unterschiedliche Aufgaben übernimmt (z. B. Logikausführung, Interaktionen, Bewegungssteuerung), um die Gesamteffizienz zu verbessern.
• Sicherheits-SPS: Sollte eine repetitive Architektur mit mindestens zwei (oder mehr) CPUs verwenden. Diese CPUs teilen keine Aufgaben, sondern führen dasselbe Steuerprogramm parallel aus. Am Ende jedes Prüfzyklus führt das System einen Echtzeitvergleich der Ergebnisse beider CPUs durch.
• Ergebnisse Übereinstimmung: Das System erkennt den regulären Betrieb und ermöglicht die Aktivierung der Ausgänge.
• Nichtübereinstimmung der Ergebnisse: Das System erkennt sofort einen internen Fehler, führt seine Sicherheitslogik aus und versetzt alle entsprechenden Ausgänge in den vordefinierten risikofreien Zustand (z. B. stromlos), während gleichzeitig ein Alarm aktiviert wird.

Dieses Modell mit „zwei Kanälen und gemeinsamer Steuerung“ schließt grundsätzlich die Möglichkeit einer schädlichen Ausgabe aus, die aus einem Rechenfehler einer einzelnen CPU resultiert.

2.2 Stilperspektive: „Vielfalt“ akzeptieren, um unbekannte Fehler zu erkennen

Wenn Redundanz die erste Verteidigungslinie gegen zufällige Hardwareausfälle darstellt, dann ist „Diversität“ der Schlüssel zum Schutz vor „Common Reason Failings“ (CCFs). Ein CCF tritt auf, wenn eine einzige Ursache zum gleichzeitigen Ausfall mehrerer sich wiederholender Kanäle führt – beispielsweise ein Designfehler in einer ganzen CPU-Charge.

Um dies zu überwinden, gehen fortschrittliche Sicherheits-SPS noch einen Schritt weiter:

• Ausstattungsvielfalt: Die beiden redundanten Prozessoren können von unterschiedlichen Herstellern stammen (z. B. einer von Texas Instruments, einer von Infineon). Da sich ihr Innendesign, ihre Richtungseinstellungen und sogar ihre Herstellungsverfahren unterscheiden, ist es sehr unwahrscheinlich, dass sie denselben Konstruktionsfehler aufweisen.
• Softwarevielfalt: Selbst wenn dieselbe Benutzerlogik verwendet wird, wird diese Logik häufig von verschiedenen Compilern verfeinert, um zwei unabhängige Sätze ausführbaren Codes zu erstellen. Auf diese Weise können systemische Fehler, die durch einen Compiler-Bug verursacht wurden, effektiv identifiziert werden.

Diese „Diversity“-Designphilosophie ist vergleichbar damit, dass zwei Experten mit unterschiedlichem Hintergrund unabhängig voneinander denselben Datensatz untersuchen. Sie ermöglicht die Erkennung tief verwurzelter Probleme, die einem einzelnen Experten aufgrund einer starren Denkweise entgehen könnten. Sie verbessert die Fähigkeit des Systems, unbekannte und systemische Fehler zu identifizieren, erheblich.

2.3 Diagnosefähigkeit: Gemeinsame „Selbstdiagnose“

Die Sicherheit einer Sicherheits-SPS beschränkt sich nicht nur auf Redundanz und Diversität; sie zeigt sich auch in ihren effektiven und kontinuierlichen Selbstdiagnosefunktionen. Diese Diagnose ist umfassend und deckt die gesamte Sicherheitslücke vom Eingang bis zum Ausgang ab.

• CPU- und Speicherdiagnose: Zu Beginn und am Ende jedes Scan-Zyklus werden umfangreiche Untersuchungen der CPU-Register, des RAM und des ROM durchgeführt.
• Stromversorgung im Auge behalten: Die internen Versorgungsspannungen werden in Echtzeit überprüft. Weichen sie vom sicheren Bereich ab, wird umgehend eine Sicherheitsabschaltung aktiviert.
• E/A-Netzwerkdiagnose: Dies stellt einen entscheidenden Unterschied zu herkömmlichen SPS dar. Sicherheits-E/A-Module führen aktiv Schaltkreisdiagnosen durch, beispielsweise:
• Eingänge: Erkennen von Kurzschlüssen, offenen Stromkreisen (Kabelbrüchen) oder Querschlüssen mit externen Stromquellen.
• Ausgänge: Erkennen, ob der Ergebniskanal ordnungsgemäß wechseln kann und Beheben von Problemen wie Kurzschlüssen oder dem Auftreten von Fremdspannungen.
• Uhrenüberwachung: Doppeluhrsysteme überwachen sich gegenseitig, um sensible Zeitfehler durch Uhrenabweichungen oder -ausfälle zu vermeiden.

Gemäß dem Kriterium ISO 13849-1 ergänzen diese Analyseschritte eine wichtige Spezifikation namens „Diagnostic Protection (DC)“.

Eine Sicherheits-SPS der höchsten Stufe (z. B. eine mit PLe-Rating) sollte einen Diagnoseschutz von 99% oder höher erreichen. Dies bedeutet, dass über 99% potenziell gefährlicher Fehler im System rechtzeitig erkannt werden können. Die Diagnosekapazitäten einer herkömmlichen SPS erreichen diesen Wert bei weitem nicht.

3. Umfassender Vergleich: Sicherheits-SPS vs. Anforderungs-SPS

Um ein noch intuitiveres Verständnis ihrer Unterschiede zu vermitteln, bietet die folgende Tabelle eine gründliche Nebeneinanderanalyse:

4. Wann ist eine Sicherheits-SPS zwingend erforderlich?

Die Wahl einer SPS sollte nicht vom Budget abhängen, sondern von den Ergebnissen einer gründlichen Gefahrenanalyse. Basierend auf der untersuchten Bedrohungsstufe müssen Sie ein Steuerungssystem auswählen, das den erforderlichen Sicherheitsstandard (SIL) oder Leistungsgrad (PL) erfüllt.

Normalerweise ist die Verwendung einer qualifizierten Sicherheits-SPS entweder obligatorisch oder dringend zu empfehlen, wenn Ihre Anwendung Folgendes beinhaltet:.

• Gefährliche Orte mit häufigem menschlichen Kontakt: zB Stanzpressen, Spritzgussmaschinen, Roboterzellen, die Lichtvorhänge, Sicherheitstüren oder Zweihandsteuerungen erfordern.
• Hochgeschwindigkeits- oder Schwerlastgeräte: Wo ein unerwarteter Start oder ein nicht erfolgender Stopp enorme Schäden verursachen kann, wie etwa bei großen Förderbändern oder Regalbediengeräten.
• Verfeinern Sie die Kontrolle bei Explosions- oder Brandgefahr: z. B. Heizkessel und Heizungsmanagementlösungen (BMS), bei denen ein Steuerungsfehler zu tragischen Ereignissen führen könnte.
• Anwendungen, die durch Gesetz und Richtlinien ausdrücklich gefordert werden: In vielen Ländern und Regionen schreiben bestimmte Sicherheitskriterien für Maschinen den Einsatz von Sicherheitssteuerungssystemen vor, die einem bestimmten Effizienzgrad entsprechen.

Der Kauf einer Sicherheits-SPS ist im Grunde der Kauf eines zuverlässigen „Versicherungsplans“ für Ihr wertvollstes Eigentum: Ihre Mitarbeiter und Ihre Produktionsgeräte.

Letzter Gedanke: Sicherheit ist ein nicht verhandelbarer Gewinn

Um auf unser erstes Anliegen zurückzukommen: Der Unterschied zwischen einer typischen SPS und einer Sicherheits-SPS ist weit mehr als nur eine einfache Wortwahl. Er stellt eine Kluft zwischen Designphilosophie, Hardwarearchitektur, Diagnosegeräten und gesetzlicher Haftung dar.

• Eine Anforderungs-SPS ist das „Arbeitspferd“ eines Automatisierungssystems und für die effiziente Ausführung von Aufgaben zuständig.
• Eine Sicherheits-SPS ist der „Schutzengel“ und „Schutzschild“ des Systems. Sie läuft im Hintergrund, fungiert aber im kritischsten Moment als letzte und stärkste Schutzlinie gegen einen Unfall.

Betrachten Sie Sicherheit bei der Planung Ihres nächsten Automatisierungsprojekts nicht als optionale Funktion oder zusätzlichen Kostenfaktor. Führen Sie eine klinische Risikoanalyse durch und wählen Sie die richtige Lösung für Ihr System. In der Welt der kommerziellen Sicherheit kann kein noch so hohes Maß an Effizienz oder Leistung die Verluste eines einzelnen, vermeidbaren Absturzes ausgleichen. Die Wahl einer Sicherheits-SPS ist eine ernste Entscheidung für Leben, Eigentum und den Ruf Ihres Unternehmens.