ISH Ingenieursozietät GmbH

Produkte werden immer „intelligenter“ und „komfortabler“: Der automatische Mähroboter statt des von Hand geschobenen Rasenmähers ist dafür ein Beispiel. Hersteller solcher Systeme stehen vor der vom Gesetzgeber geforderten Herausforderung, die Risiken in der Anwendung zu minimieren. Hier treten im Allgemeinen die Maschinenrichtlinie, im speziellen die „Funktionale Sicherheit“ auf den Plan. Die EU-Maschinenrichtlinie – kurz MRL – enthält Basics zu Sicherheits- und Schutzanforderungen. Das Ziel ist klar: Die Zahl der Unfälle beim Umgang mit Geräten und Maschinen sollen minimiert werden. Daher muss der Aspekt der Sicherheit schon in die Konzeption eines Systems einfließen. Das betrifft den Mähroboter ebenso wie eine komplexe Produktionsanlage.

Mensch, Maschine und Umwelt in Schutz nehmen

Die Richtlinien der funktionalen Sicherheit – kurz FuSi – zielen auf den zuverlässigen Schutz für Mensch, Umwelt und Maschine ab. Zu den gesetzlichen Regularien gehören die die EN ISO 13849-1 und die EN 62061, die regeln, welche Sicherheitsbestimmungen eine Maschine erfüllen muss. Der Sicherheitsintegritätslevel (SIL) und der Performance Level (PL) sind dabei als Größen für die Zuverlässigkeit von Sicherheitsfunktionen definiert.

FuSi bedeutet, einen zusätzlichen, zum Teil beträchtlichen Aufwand in der Entwicklung eines Produktes investieren zu müssen. Wird dies später millionenfach verkauft oder sind diese Zusatzkosten im Vergleich zum Verkaufspreis schwindend gering, ist das für die Hersteller machbar. Aber was ist mit Geräten, die unter Preisdruck verkauft werden müssen oder wo es die erreichbaren Stückzahlen unmöglich machen, den Mehraufwand wirtschaftlich unterzubringen?

Alternative zu langen Entwicklungen und hohen Kosten

Insbesondere kleinere Unternehmen bekommen also mit dieser Marktentwicklung ein wirtschaftliches Problem. Zum einen treiben die hohen Entwicklungskosten für die FuSi den Produktpreis nach oben, zum anderen ist der Markt nicht bereit und vielfach auch nicht in der Lage, diese Preiserhöhung zu akzeptieren. Genau da setzt ISH aus Kreuztal/Siegerland – Schwesterunternehmen der österreichischen Logi.cals GmbH aus St. Pölten – mit einem zertifizierten FuSI-Baukasten an, der eine kostengünstige FuSi möglich macht.

Die ISH-Lösungen lassen sich verwenden für einfache IO-Module oder Sensoren bis hin zu komplexen Steuerungslösungen. Der SIC (Safety Integrated Core) fungiert dabei als zentrale Plattform für eine 2-kanalige Hard- und Software mit allen Elementen für die Erfassung von sicheren Eingängen und das Schreiben von sicheren Ausgängen. Hier sind alle Prozeduren für das Testen, Filtern und Verknüpfen bis hin zum Erfassen und Testen von analogen Eingängen vorhanden. Dies lässt sich erweitern durch die Kundenapplikation, die Einbindung der Test-Library für die normativen Tests des Prozessors und des Speichers, die Kopplung verschiedener Feldbusse wie z.B. den FSoE-Stack von ISH bis zur sicheren SPS. „Gut 90% aller sicheren Anwendungen in der Automatisierungs- und Prozesstechnik sollten sich damit abdecken lassen“, sagt ISH-Geschäftsführer Axel Helmerth. Weniges muss also komplett neu entwickelt werden.

FuSi-Integration dauert nur knapp ein Jahr

Die Komponenten der ISH-Plattform erfüllen alle Anforderungen an ein Compliant Item gemäß IEC 61508. Damit können Entwickler nahezu jede entsprechende sicherheitsgerichtete Hard- und Software vom einfachen Sensor/Aktor über intelligente IO-Module bis zum Feldbus-basierten Steuerungssystem, bestehend aus SPS und I/O-Modulen entwickeln. Die Plattform ist so konzipiert, dass sie skalierbar ist für wachsende Anforderungen.

Axel Helmerth: „Aktuell gibt es nach unserer Recherche auf dem Markt keine so umfangreiche Plattform zu vertretbaren Kosten. Erfahrungen aus realen Projekten zeigen, dass ein Produkt binnen 9 bis 12 Monaten nach Festlegung der Spezifikation und des Functional Safety Managements fertig zur TÜV-Begutachtung inklusive der entsprechenden Dokumentation bereitstehen kann.“ Damit werde FuSi überhaupt umsetzbar, weil sich dank des Baukastens Zeit und Kosten halbieren.

In den FuSi-Baukasten hat ISH seine Expertise aus gut 25 Jahren Automatisierung und Messtechnik einfließen lassen. Die Unternehmensschwerpunkte liegen bei Dienstleistungen im Bereich der Automatisierungs- und Steuerungstechnik, der Elektronikentwicklung und -fertigung und der Herstellung von Industrie-PCs und TFT-Monitoren. Eigenentwicklungen aus der Schnittstellentechnik wie Extender und Umschalter sowie kundenspezifische Kleinserien stellt ISH zum Teil in der eigenen Elektronikfertigung her.

„Warum das Rad neu erfinden?“, fragt Axel Helmerth. „Wir begleiten unsere Kunden auf Wunsch von Anfang an bis zur Marktreife eines Produktes.“ Dabei habe man stets die weiterführenden Entwicklungsschritte im Blick bis zur Baumusterprüfung. Von der punktuellen Beratung über Implementierung und Durchführung der notwendigen Tests bis zur Übernahme des kompletten Zertifizierungsprozesses bietet der ISH Certifying Support maßgeschneiderte Unterstützung auf dem Weg zum sicherheitszertifizierten Produkt. Und mit den vorzertifizierten FuSi- Bausteinen verkürzt sich die Entwicklung deutlich bei minimiertem Risiko. Denn gerade die geforderte Zertifizierung eines Systems kostet viel Zeit und Geld.

Der FuSi-Baukasten im Detail

Die kompakte und effiziente Implementierung des FSoE-Master/Slave Stack V2 – entwickelt gemäß FSoE Spezifikation ETG.5100 S (D) V1.2.0 und IEC 61784-3 – ermöglicht die Integration in sehr kleine und kostengünstige Hardware-Strukturen, z.B. in Prozess-Sensoren, und zeichnet sich durch ihr performantes Laufzeitverhalten aus. Die Anbindung an vorhandene EtherCAT-Strukuren ist aufgrund der klaren Interface-Struktur des Stacks mit geringem Aufwand möglich. Das Modul ist entwickelt nach IEC 61508 zur Verwendung in Anwendungen bis SIL3 und vorzertifiziert als Compliant Item durch den TÜV Rheinland.

Der Stack arbeitet ohne Betriebssystem und stellt keine besonderen Anforderungen an die Entwicklungsumgebung. Mehrere I/O-Instanzen einer Zielhardware können von einem Stack verwaltet werden. Es gibt keine Beschränkungen bei der Größe des nutzbaren Prozessabbildes. Die einfache Integration durch das mitgelieferte Integration Guide mit direkt einbindbaren Requirements ist gegeben.

Unit-Tests sind als Option verfügbar, aber nur bei Änderungen am Code erforderlich. Und ISH hat Schnittstellen integriert für die Durchführung des FSoE-Konformitätstests.

Testlibrary mit vorzertifizierten Funktionen

Die ISH-Testlibrary CORA ist ein Werkzeug, mit dem sich große Teile des Hardwaretests, der nach IEC61508 notwendig ist, realisieren lassen. Durchführbare Tests betreffen u.a. die CPU, RAM, ROM und Block-CRC, ebenso wie Firmware- und Stack-Überwachung. Ein konfigurierbarer Testmanager ist ebenfalls integriert.

Dieser Testmanager als Kernstück der Library verwaltet die konfigurierten Tests und ruft die einzelnen Test-Funktionen auf. So sind für den Speichertest verschiedene Speicherblöcke anmeldbar, die dann vom Testmanager abgearbeitet werden. Um auch bei Systemen mit kurzen Laufzeiten sicherzustellen, dass alle Speicherbereiche nach den Systemstarts getestet wurden, verwaltet der Testmanager auch die jeweils letzten Testsegmente. Zusätzlich existiert eine Diagnosefunktion zur Überwachung der kontinuierlichen Testabdeckung.

Die Library ist geeignet für den Einsatz in Echtzeitumgebungen. Es wird kein Betriebssystem benötigt. Die zur Verfügung gestellten Funktionen sind durch den TÜV Rheinland vorzertifiziert und lassen sich in Sicherheitsprojekten einsetzen. Optional stehen alle Unit-Tests für eigene Erweiterungen zur Verfügung. Aktuell unterstützt das ISH-Tool Prozessortypen wie ARM7/9, Cortex M und Cortex A, kann natürlich auch an andere Controllertypen angepasst werden.

Universeller Hardware-Baukasten

Um die funktionale Sicherheit in kürzester Zeit umzusetzen, hat ISH den Hardware-Baukasten SIC mit einer 2-kanaligen Architektur entwickelt. Er besitzt eine Grundausstattung von gängigen Schnittstellen, Ein- und Ausgänge in TTL. Bis zu 24 sicheren I/O sind damit realisierbar. Die A/D-Wandler haben Diagnose-Funktionen. Zur Feldbus-Anbindung gibt es die Optionen FSoE (Safety over EtherCAT) und PROFIsafe.

Auf der Hardware läuft eine modulare Software, dessen Module sich entsprechend der geforderten Komplexität kombinieren lassen. Konfiguriert wird das über eine zentrale Lookup-Tabelle, die die logischen Objekte der Hardware zuordnet. Es gibt Schnittstellen zu benutzerdefinierter Software und ein Feldbus-Stack-Interface.

Damit sind sowohl einfache sichere IO-Module nahezu out of the box wie auch komplexe Integrationen von SPS-Laufzeitsystem mit sichere Feldbus-Anschaltung möglich. Unterstützt wird das durch die sicheren SPS-Laufzeitsysteme sowie entsprechende Engineering Tools des Schwesterunternehmens Logi.cals. Hier stehen sowohl innovative Browser-basierte Tools wie auch klassische Programmierumgebungen zur Verfügung.

Darüber hinaus unterstützt ISH mit weiteren Funktionen für z.B. sichere Antriebstechnik nach EN61800-5-2 oder Gleitkomma-Überwachungsfunktionen.