DE102012009494A1 - Steuereinrichtung zum Steuern eines Sicherheitsgerätes und Verwendung eines IO-Links zur Übermittlung eines Sicherheitsprotokolls an ein Sicherheitsgerät - Google Patents

Steuereinrichtung zum Steuern eines Sicherheitsgerätes und Verwendung eines IO-Links zur Übermittlung eines Sicherheitsprotokolls an ein Sicherheitsgerät Download PDF

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Abstract

Eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Sicherheitsgerätes, das mittels eines IO-Links an eine Masterbaugruppe anschließbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitsprotokoll über eine IO-Link-Verbindung übermittelbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Sicherheitsgerätes nach der Gattung des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines IO-Links zur Übermittlung eines Sicherheitsprotokolls von einer Masterbaugruppe an ein Sicherheitsgerät.
  • Stand der Technik
  • Im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Automatisierungstechnik haben sich zahlreiche genormte Feldbussysteme als Alternative zur parallelen Einzelverkabelung bewährt. Dabei werden an eine zentrale Steuereinrichtung eine Mehrzahl von sogenannten Feldbusmodulen über den Feldbus angeschlossen. An die Feldbusmodule werden wiederum Endgeräte angeschlossen. Zur Verbindung der Endgeräte an die Feldbusmodule werden in jüngerer Zeit IO-Link-Verbindungen verwendet. In diesem Fall übernehmen die Feldbusmodule die Rolle des IO-Link-Masters. Endgeräte sind beispielsweise Sensoren, Aktoren, Anzeigegeräte, Bediengerät bis hin zu kleineren Antrieben an Maschinen. Bei vielen Montageanlagen überschreitet nun der Platzbedarf für eine Verkabelung und für Schaltkästen für die Elektroinstallation nicht selten den Bauraum der Handhabungsmechanik. Fast immer übersteigen die Kosten für die Arbeitszeit und den Materialaufwand der Installation der Hardware zur Signalübertragung an die Maschine die Beschaffungspreise der angeschlossenen binären Sensoren und Aktoren. Um eine aufwendige Verkabelung zu vermeiden wurde daher nicht selten aus Kostengründen auf Sensoren mit Analogsignalen oder seriellen Schnittstellen, mehrkanalige parametrierbare Sensoren oder Geräte mit Diagnosefunktionen verzichtet, selbst dann, wenn deren Einsatz sinnvoll wäre.
  • Um nun diesem Problem zu begegnen hat ein Konsortium betroffener Hersteller einen neuen Standard für eine intelligente Sensor-/Aktorschnittstelle mit der Bezeichnung „IO-Link” spezifiziert. IO-Link soll als internationaler offener Standard in der Norm IEC 61131-9 genormt werden. IO-Link-Geräte werden über Beschreibungsdateien IODD, IO-Link Device Description, beschrieben. Die IODD als Beschreibungssprache soll in der Norm ISO 15745 als offener Standard genormt werden. Ein IO-Link ist eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung für die Signalübertragung zwischen Sensoren und Aktoren und der IO-Ebene der Maschine. Grundsätzlich überträgt IO-Link Daten zwischen einem IO-Link-Master und einem angeschlossenen IO-Link-Gerät (Device) als Slave. Als IO-Link-Master stehen sowohl Feldbusmodule als auch SPS-Schnittstellenbaugruppen zur Verfügung. IO-Link ist abwärtskompatibel zu binären Standardsensoren und verwendet durchgängig ungeschirmte drei- oder fünfadrige Standardleitungen. Während Feldbusebene für die Verknüpfung einzelner Maschinen oder deren Bestandteile mit der Steuerung der Anlage verantwortlich ist, ist IO-Link der Maschinen- oder der Sensor-Aktor-Ebene zuzuordnen. Zur Feldbusebene zählen die meisten der standardisierten Feldbusse, wie sie im Maschinen- und Anlagenbau durchgängig zum Einsatz kommen. Gebräuchliche Feldbusse sind beispielsweise PROFIBUS-DP, Interbus, DeviceNet, CC-Link und CANopen. Darüber hinaus werden neuerdings auch auf Ethernet basierende Felsbusstandards wie PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT sowie Ethernet POWERLINK eingesetzt. Feldbusse sind besonders vorteilhaft bei der Überbrückung großer Entfernungen zwischen einzelnen Teilnehmern, die von mehreren 100 Metern bis zu teilweise über 10 km betragen können. Problematisch und nachteilig ist es jedoch, dass diese leistungsfähigen Bussysteme auf der Sensor-/Aktorebene praktisch wirtschaftlich nicht einsetzbar sind.
  • Neben rein funktionalen Signalen in einer Maschine sind dort auch immer Signale zu finden, die sicherheitsbezogen sind und die dem Schutz von Mensch und Maschine dienen. Gängige sichere Signale kommen von Sicherheitsgeräten und Sicherheitsschaltern, wie Türsicherheitsschaltern, Türverriegelungseinrichtungen, Lichtvorhängen, Not-Halt Schaltern usw. Im Folgenden werden unter „Sicherheitsgeräten” immer solche Sicherheitsgeräte und Sicherheitsschalter verstanden.
  • Genauso wie bei rein funktionalen Signalen stellt sich auch im Bereich der sicheren Signale die Frage nach einer adäquaten Form der Übertragung. Feldbusbasierte Lösungen sind im Markt verfügbar, sie sind jedoch vergleichsweise aufwendig. Häufig anzutreffen ist eine Parallelverdrahtung sicherer Signale, die jedoch einen hohen Arbeitsaufwand nach sich zieht und häufig zu komplexen und unübersichtlichen Verdrahtungen führt. Darüber hinaus existieren Sicherheitsgeräte mit mittlerer Komplexität, die parametriert werden müssen.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Sicherheitsgerätes, das mittels eines IO-Links an eine Masterbaugruppe anschließbar ist, so weiter zu entwickeln, dass auch eine Übertragung sicherer Signale möglich ist, und zwar mit möglichst geringem technischen Aufwand und möglichst ohne weitere Leitungen vorsehen zu müssen.
  • Dabei sollen auch sicherheitsrelevante Signale insbesondere unter Verwendung gebräuchlicher Sicherheitsprotokolle, welche die Übertragung sicherer Signale über die vorhandenen Kommunikationsstrukturen erlauben, übertragen werden können. Derartige Protokolle sind beispielsweise PROFIsave, CIPsafety, OpenSafety, CC-Link safety, usw..
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie so ausgebildet ist, dass ein Sicherheitsprotokoll über eine IO-Link-Verbindung übermittelbar ist. Es wird mit anderen Worten die IO-Link-Verbindung selbst verwendet, um ein Sicherheitsprotokoll zu übertragen. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Leitungen verzichtet werden, die der Übertragung sicherer Signale dienen.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Steuereinrichtung möglich. So sieht eine sehr vorteilhafte Ausführungsform vor, dass die IO-Link-Verbindung als Black Channel fungiert. Auf diese Weise kann die IO-Link-Verbindung zur Übermittlung beliebiger Sicherheitsprotokolle verwendet werden, da sie lediglich als Medium zur Übertragung, also als sogenannter Black Channel, dient. Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass ein sicheres IO-Link-Device sichere Daten unter Verwendung eines der am Markt verfügbaren Sicherheitsprotokolle über die IO-Link-Verbindung oder kurz den IO-Link überträgt, wobei gleichzeitig bei Bedarf aber auch zusätzliche, nicht sichere Daten übertragen werden können. Sehr vorteilhaft bei dieser Art der Übertragung sicherer Signale ist vor allem, dass der IO-Link-Master ein Standardmaster bleiben kann, also kein sicheres Gerät sein muss, weil die gesamte Übertragungsstrecke vom Sicherheitsgerät, das mittels eines IO-Link an eine Masterbaugruppe anschließbar ist, und das nachfolgend auch kurz IO-Link-Device genannt wird, bis zur sicheren Steuerung als sogenannter Black Channel betrachtet wird, der IO-Link-Master somit Teil desselben ist und keine besonderen Sicherheitsanforderungen erfüllen muss.
  • Ebenfalls sehr vorteilhaft ist, dass die Sicherheitsgeräte über die IO-Link-Verbindung mit Energie versorgbar sind. Hierdurch können zusätzliche separate Energieleitungen eingespart werden, und es reduziert sich der Verdrahtungsaufwand und damit können Materialkosten und Montagekosten eingespart werden.
  • Darüber hinaus kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass Gerätezustände des Sicherheitsgeräts oder der an dem Sicherheitsgerät angeschlossenen Devices über die IO-Link gesendet und/oder empfangen werden können.
  • Darüber hinaus ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Sicherheitsgerät zum Senden und/oder Empfangen wenigstens eines Signals oder von Daten über die IO-Link-Verbindung eingerichtet ist (z. B. eines Messwerts eines Sensors oder von Identifikations- und Diagnosedaten).
  • Darüber hinaus ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Sicherheitsgerät Identifikationsdaten zur Verfügung stellt, anhand derer sowohl der Hersteller als auch der Typ des IO-Link-Device ausgestalteten Sicherheitsgeräts identifizierbar sind. Gerade in Sicherheitsanwendungen ist es besonders vorteilhaft, dass Geräte identifizierbar sind. So kann beispielsweise im Servicefall ein für ein defektes Gerät eingetauschtes Ersatzgerät identifiziert und gegebenenfalls bei falscher Identität abgewiesen werden.
  • Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Sicherheitsgerät zum Senden und/oder Empfangen wenigstens eines Parameters über die IO-Link-Verbindung eingerichtet ist, wobei über geeignete Maßnahmen auch die Übertragung sicherer Parameter erfolgen kann.
  • Das Sicherheitsgerät kann gemäß einer weiteren Ausführungsform als Adapter mit sicheren Eingängen ausgeführt sein, an die am Markt befindliche konventionelle Sicherheitsgeräte mit ihren nativen Schnittstellen wie OSSD oder mehrkanalige mechanische Kontakte anschließbar sind.
  • Darüber hinaus kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Sicherheitsgerät, also das IO-Link-Device, als Adapter mit sicheren Ausgängen ausgeführt ist, an die beliebige Aktoren anschließbar sind, die über die sicheren Ausgänge sicher abgeschaltet werden können.
  • Darüber hinaus kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Sicherheitsgerät als Adapter mit sicheren Ausgängen ausgeführt ist, an die beliebige Aktoren anschließbar sind, die über die sicheren Ausgänge sicher abgeschaltet werden können und die über zwangsgeführte Kontakte eine Rückmeldung zum Adapter ermöglichen, um so die Anforderungen an höhere Sicherheitsperformancelevel zu erfüllen. Die Adapter verfügen in diesem Falle über zusätzliche Eingänge, sogenannte EDM-Eingänge (external device monitoring).
  • Schließlich kann vorgesehen sein, dass das Sicherheitsgerät zum Senden und/oder Empfangen wenigstens einer Diagnoseinformation über die IO-Link-Verbindung eingerichtet ist.
  • Im Gegensatz zu anderen seriellen Schnittstellen wie RS-232 oder USB benötigt IO-Link keine geschirmten Kabel und ist darüber hinaus abwärtskompatibel für nicht IO-Link fähige binäre Sensoren mit Dreidrahtanschluss und Aktoren mit 3- oder 5-adrigen Anschlüssen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung sieht die Verwendung eines IO-Links zur Übermittlung eines Sicherheitsprotokolls von und zu einer Masterbaugruppe zu und von einem Sicherheitsgerät vor. Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Sicherheitsprotokoll über IO-Link-Datenbits übermittelt wird, die als Black Channel fungieren. Dabei ist sehr vorteilhaft, dass die Übertragung sicherer Signale von einem Sicherheitsgerät über die IO-Link-Verbindung zu einer Masterbaugruppe sich des an sich bekannten IO-Link-Übertragungsprotokolls bedient, sodass – wie bereits weiter oben ausgeführt – die Masterbaugruppe selbst kein sicheres Gerät sein muss, da die Übertragungsstrecke vom Sicherheitsgerät, also dem IO-Link-Device, bis zur sicheren Steuerung als sogenannter Black Channel betrachtet wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch eine von der Erfindung Gebrauch machende Steuereinrichtung,
  • 2a, 2b schematisch die Verwendung der IO-Link-Datenbits als Black Channel für ein Sicherheitsprotokoll.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist schematisch eine Steuereinrichtung zur Steuerung von Endgeräten, die als IO-Link-Devices ausgebildet sind, dargestellt. Ein zentrales Steuergerät, ein Controller 100 ist zum einen als PLC (Programmable Logic Control), zum anderen als F-Steuereinrichtung (Fail Safe-Steuereinrichtung) ausgebildet. Das bedeutet, dass der Controller 100 sowohl gewöhnliche Endgeräte als auch Sicherheitsgeräte steuern bzw. deren Daten verarbeiten kann. Über einen Feldbus 102 sind mit diesem zentralen Controller 100 Masterbaugruppen 110, 140 angeschlossen, wobei über eine IO-Link-Verbindung 111 ein IO-Link-Device 113 angeschlossen ist, das nicht sicherheitsrelevant ist, das also kein Sicherheitsgerät ist. Über eine IO-Link-Verbindung 112 ist ferner ein Sicherheitsgerät 114, beispielsweise ein Lichtvorhang, ein Lichtgitter, ein Transceiver, eine Lichtschranke, ein Laserscanner, etc., angeschlossen. In 1 ist schematisch ein Lichtvorhang dargestellt. Dieser Lichtvorhang ist beispielsweise in einem sicherheitsrelevanten Bereich einer Maschine angeordnet und soll verhindern, dass die Maschine bedienbar ist, wenn eine Person sich im Bereich der Lichtstrahlen des Lichtvorhangs befindet.
  • An die weitere Masterbaugruppe 140 sind über IO-Links 141, 145, weitere nicht sicherheitsrelevante IO-Link-Devices 143, 147 angeschlossen, beispielsweise ein RFID-Lesegerät, ein Messgerät oder dergleichen. Darüber hinaus ist über eine IO-Link-Verbindung 148 ein Sicherheitsgerät 142 angeschlossen, beispielsweise in Form eines Verteilers mit sicheren Ein- und Ausgängen, an die beispielsweise ein Notausschalter 144 oder ein Hydraulikventil 146 angeschlossen sind. Die Betätigung des Notausschalters 144 ist eine sicherheitsrelevante Steuergröße, genauso wie die Ansteuerung des Hydraulikventils 146 oder die Unterbrechung der Lichtstrahlen des Lichtvorhangs 114. Diese sicherheitsrelevanten Signale müssen über ein Sicherheitsprotokoll an die Masterbaugruppen 110, 140 übermittelt werden. Rein prinzipiell wäre es nun denkbar, die Sicherheitsgeräte 114, 144, 146 direkt an den Feldbus 102 anzuschließen (nicht dargestellt). Dies würde jedoch einen erheblichen Montageaufwand und darüber hinaus eine Mehrzahl von zusätzlichen Leitungen erfordern. Um diesen zusätzlichen Aufwand zu vermeiden, sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, die Sicherheitsgeräte 114, 142 (und damit 144, 146) über IO-Link-Verbindungen 112, 148 an die Masterbaugruppen 110, 140 anzuschließen, und dabei die IO-Link-Verbindungen 112, 148 als Black Channels zur Übertragung des Sicherheitsprotokolls zu verwenden. Wie dies geschieht wird schematisch in Verbindung mit 2a, 2b beschrieben. In 2a sind die IO-Link-Datenbits, die zur Übertragung des an sich bekannten IO-Link-Protokolls dienen, schematisch dargestellt. Neben Headerbits 201, 209 sind beispielsweise mehrere Bereiche 210, 220, 230, 240, 250 zur Übertragung von Daten-Signalbits vorgesehen. Die Datenübertragung über IO-Link-Verbindungen ist an sich bekannt. Zur Übertragung eines Sicherheitsprotokolls wird nun ein solcher Datenbit-Satz einer IO-Link-Verbindung als Black Channel verwendet. Dies bedeutet, dass die den Signalübertragungen vorbehaltenen Daten-Bitbereiche 210, 220, 230, 240, 250 für die Übertragung eines Sicherheitsprotokolls verwendet werden. So kann beispielsweise der Bereich 210 als weiterer Header verwendet werden, der Bereich 220 beispielsweise als Nummer, der Bereich 230 beispielsweise als Zeitstempel und der Bereich 240 beispielsweise als CRC, der Bereich 250 beispielsweise als weiterer Header. Die IO-Link-Verbindung „merkt” in diesem Falle nicht, dass hier ein Sicherheitsprotokoll übertragen wird. Sie wird gewissermaßen nur als transparenter Kanal verwendet, auch „Black Channel” genannt. Der ganz große Vorteil hierbei ist, dass IO-Link-Verbindungen für verschiedene Sicherheitsprotokolle verwendet werden können, also beispielsweise PROFIsafe, CIPsafety, OpenSafety, CC-Link safety usw. In jedem Falle wird die IO-Link-Verbindung als Black Channel verwendet.
  • Parametrierbare IO-Link-Devices können durch geeignete Sicherheitsmechanismen abgesichert auch sichere Parameter über die IO-Link-Schnittstelle erhalten. Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines solchen sicheren IO-Link-Devices kann durch Anwendung der IO-Link-Parametrierung zwischen den erforderlichen Sicherheitsprotokollen umschalten, woraus vorteilhafterweise mit einem einzigen Device unterschiedliche Systemumgebungen bedient werden können, ohne die Typenvielfalt unnötigerweise zu erweitern. Über IO-Link-Verbindungen können auf diese Weise nicht nur an sich bekannte IO-Link-Devices, also nicht sicherheitsrelevante Geräte angeschlossen werden, sondern auch Sicherheitsgeräte, das heißt sicherheitsrelevante IO-Link-Devices.
  • Besonders vorteilhaft bei dieser Art der Übertragung sicherer Signale ist es, dass der IO-Link-Master, das heißt die Masterbaugruppe, eine Standardmasterbaugruppe bleiben kann, also kein sicheres Gerät sein muss, da die gesamten Übertragungswege vom IO-Link-Device bis zur sicheren Steuerung als Black Channel betrachtet wird, wobei die Masterbaugruppe Teil desselben ist und keine besonderen Sicherheitsanforderungen erfüllen muss.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • IEC 61131-9 [0003]
    • ISO 15745 [0003]

Claims (17)

  1. Steuereinrichtung zum Steuern eines Sicherheitsgerätes (114, 142), das mittels eines IO-Links an eine Masterbaugruppe (110, 140) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitsprotokoll über eine IO-Link-Verbindung übermittelbar ist.
  2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die IO-Link-Verbindung als Black Channel fungiert.
  3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsgerät (114, 142) über die IO-Link-Verbindung mit Energie versorgbar ist.
  4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsgerät (114, 142) zum Senden und/oder Empfangen eines Gerätezustandes über die IO-Link-Verbindung eingerichtet ist.
  5. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsgerät (114, 142) zum Senden und/oder Empfangen wenigstens eines sicheren oder nicht sicheren Signals über die IO-Link-Verbindung eingerichtet ist.
  6. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsgerät (114, 142) zum Senden und/oder Empfangen eines Parameters über die IO-Link-Verbindung eingerichtet ist.
  7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsgerät (114, 142) zum Senden seiner Identifikationsdaten über die IO-Link-Verbindung eingerichtet ist.
  8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsgerät (114, 142) zum Senden und/oder Empfangen einer Diagnoseinformation über die IO-Link-Verbindung eingerichtet ist.
  9. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsgerät (142) sichere Eingänge aufweist zum Anschluss von weiteren Sicherheitsgeräten mit nativen Schnittstellen.
  10. Steuereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsgerät (142) sichere Ausgänge zum sicheren Abschalten elektrischer Verbraucher aufweist.
  11. Steuereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass über sichere Ausgänge zusätzliche EDM-Eingänge aufweist, welche die Überwachung externer Geräte ermöglichen.
  12. Steuereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsgerät (114, 142) eine synchronisierbare Echtzeituhr aufweist.
  13. Verwendung eines IO-Links zur Übermittlung eines Sicherheitsprotokolls von einer Masterbaugruppe (110, 140) an ein Sicherheitsgerät (114, 142).
  14. Verwendung eines IO-Links nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsprotokoll über IO-Link-Datenbits übermittelt wird, sodass die IO-Link-Verbindung als Black Channel fungiert.
  15. Verwendung eines IO-Links nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieversorgung ebenfalls über den IO-Link erfolgt.
  16. Verwendung eines IO-Links nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, das über den IO-Link ein Gerätezustand oder ein Abschaltsignal oder eine Diagnoseinformation oder ein Parameter übermittelt wird.
  17. Verwendung eines IO-Links nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung durch einen IO-Link-Adapter realisiert wird.
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