Touchbedienung mit mehr Sicherheit Performance Level d für sichere Maschinensteuerungen

Anbieter zum Thema

RAFI GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

ISH Ingenieursozietät GmbH

N & H Technology GmbH

Mit einer neuen Technologieplattform hebt Rafi die Touchbedienung auf Performance Level d. Damit wird die funktionale Sicherheit von Touchdisplays für mobile und stationäre Maschinen erhöht. Und das durch weniger elektromechanische Schalter und mit mehr Flexibilität.

Touchscreen-Bediensysteme steigern die Flexibilität und Bedienerfreundlichkeit, weil sich verschiedenste Funktionen, Eingabefelder und Statusanzeigen variabel und anwendungsspezifisch abbilden lassen. Die intuitiven Bedienoberflächen reduzieren die Zahl elektromechanischer Taster und Schalter, die ansonsten in Steuerkonsolen mobiler und stationärer Maschinen verbaut werden müssen. Für sicherheitskritische Anwendungen mit besonderen Safety-Anforderungen gab es zur Touchbedienung bisher allerdings nur kostenträchtige Sonderlösungen. Jetzt hat Rafi eine neue Technologieplattform für die marktreife Serienfertigung von Touchsystemen auf Performance Level d entwickelt.

Als Spezialist für die Mensch-Maschine-Kommunikation verfügt Rafi über langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Fertigung industrietauglicher kapazitiver Touch-Displays und gehört mit seiner GLASSCAPE-Technik zu den Pionieren auf diesem Gebiet. Das Unternehmen hat seine Kapazitäten am Stammsitz Berg sukzessive ausgebaut und kann so gut wie alle Produktionsschritte für die gesamte Produktpalette mit Diagonalen von 4,3 bis zu 24 Zoll-GLASSCAPE-Systemen aus einer Hand anbieten. Für eine sichere Bedienung sorgen performante Touchcontroller mit leistungsfähiger Auswertelogik. Zu den speziellen Entwicklungen gehören Twin Touch, Haptic Touch und Flexscape. Sie erweitern das Funktionsspektrum um eine haptische und taktile Rückmeldung und bieten die Möglichkeit, Betätiger auf der geschlossenen Glasfront zu applizieren.

Mehr Funktionen per Touch und die funktionale Sicherheit nach der IEC 61508

Immer mehr Funktionen stationärer und mobiler Maschinen werden per Touch bedient und gesteuert. Die Kombination von Anzeige- und Eingabesystem ermöglicht im Vergleich zur elektromechanischen Eingabetechnik wesentlich variablere Bedienoberflächen mit hoher Funktionsvielfalt und intuitiver Benutzerführung. Damit steigen aber auch die Anforderungen an die funktionale Sicherheit von Bediensystemen. Die branchenübergreifenden Grundlagen für die funktionale Sicherheit von elektrischen, elektronischen oder programmierbaren elektronischen Systemen (E/E/PE) sind in der IEC 61508 festgelegt.

Je nach Branche und Maschinentyp werden diese Kriterien in weiteren Normen wie der Maschinenrichtlinie EN ISO 13849 oder der für Traktoren, Land- und Forstmaschinen geltenden ISO 25119 differenziert. Dementsprechend unterscheiden sich auch die Nomenklaturen, nach denen der Sicherheitsgrad der Steuerungselektronik bestimmt wird. Neben dem Safety Integrity Level (SIL) ist vor allem der in der EN ISO 13849 erfasste Performance Level (PL) relevant, um Steuerungssysteme für Maschinen und Anlagen entsprechend dem ermittelten Risikograd sicher auszulegen.

Potenzielle Fehlerquellen identifizieren

Die Ermittlung des erforderlichen Performance Levels basiert auf einer Gefahren- und Risikoanalyse, die alle sicherheitsrelevanten Komponenten und deren Einfluss auf die Betriebssicherheit des Teil- oder Gesamtsystems umfasst. Dabei wird das Gefährdungspotential, das vom Ausfall jeder sicherheitskritischen Komponente ausgeht, hinsichtlich der Schwere möglicher Verletzungen, der Eintrittswahrscheinlichkeit und der Möglichkeit der Schadensvermeidung ermittelt.

Ein bewährtes Analyseverfahren zur Ermittlung möglicher Fehlerquellen und -auswirkungen ist die Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis (FMEDA), mit der Risikofaktoren bereits in einem frühen Stadium der Produktentwicklung identifiziert werden können. Je größer die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Versagen zu schwerwiegenden Schäden führt, desto höher muss das durch Entwicklung und Konstruktion zu erreichende Schutzniveau sein. Um das geforderte Sicherheitsniveau zu erreichen, sind eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, von der Struktur der Systemarchitektur über den Diagnosedeckungsgrad und die mittlere Ausfallrate mit gefährlichen Folgen (MTTFd) bis hin zur Möglichkeit eines Ausfalls gemeinsamer Ursache (CCF).

Von der notwendigen Risikoanalyse zum Performance Level

Aus dem in der Risikoanalyse ermittelten Performance Level ergeben sich die Anforderungen an die Sicherheit, die eine Schaltung oder ein Steuergerät erfüllen muss. Während beispielsweise bei PL a und b kein redundanter Hardwareaufbau erforderlich ist, können höhere Performance Level nur durch zusätzliche Sicherheitsfunktionen wie Hardwareredundanz, Diagnosesoftware und ausfallsichere Komponentenauswahl abgedeckt werden. Sicherheitskritische Funktionen, wie zum Beispiel das Stillsetzen der Maschine oder das Auslösen eines Werkzeugwechsels im laufenden Betrieb, müssen in der Regel nach PL d abgesichert werden (Bild 2).

Im Gegensatz zu elektromechanischen Schaltelementen, die vergleichsweise einfach durch redundanten Aufbau abgesichert werden können, ist die Sicherstellung des Performance Level d bei Touchscreen-Systemen mit einem erhöhten Aufwand verbunden. Denn Touchscreens können eine Vielzahl von Komponenten und Funktionen integrieren, unterschiedliche Bedienoberflächen mit variierenden Eingabefeldern darstellen und müssen gegen unbeabsichtigte Berührungen geschützt werden. Zu den besonderen Herausforderungen gehören neben der Verifikation der exakten Signalübertragung der Sensorkoordinaten insbesondere das Herausfiltern unbeabsichtigter Eingaben durch zufällige Berührung oder Medienkontakt sowie die Kontrolle der dargestellten Oberfläche und der eingeblendeten Eingabefelder.

Eine Touchbedienung auf neuem Safety-Niveau

Eine Möglichkeit, Touchscreen-Systeme auf Performance Level d zu bringen, besteht darin, alle sicherheitsrelevanten Schaltungen zweikanalig auszulegen. Allerdings ist das mit einem hohen konstruktiven Aufwand verbunden und dementsprechend montage- und kostenintensiv. Rafi hat sich daher für einen alternativen Entwicklungsansatz entschieden. Auf Basis ausfallsicherer Komponenten wurde eine sehr zuverlässige Systemarchitektur entworfen, die softwareseitig durch einen hohen Diagnosedeckungsgrad abgesichert ist. Um alle potentiellen Fehlerquellen mit sicherheitskritischen Auswirkungen zu überwachen, hat Rafi neben einem neuen Touch-Controller und einer Prozessor- und Steuerungseinheit zur Displayansteuerung und Ausführung der Touchsignale einen zusätzlichen Safety-Controller mit eigener Logik implementiert.

Diese Safety-CPU überwacht als redundante Instanz alle sicherheitsrelevanten Faktoren von der Sensormatrix und Displayanzeige über die Plausibilität der Befehlsein- und -ausgänge bis hin zur zyklischen Funktionsprüfung im Millisekundentakt. Parametrierbare Filterfunktionen sorgen dafür, dass Sensorsignale, die durch unbeabsichtigte Berührungen, Flüssigkeiten oder andere ungewollte Toucheffekte ausgelöst werden, nicht als Eingaben gewertet, sondern verworfen werden.

Zur Absicherung gegen Fehleingaben können die Touchscreens optional mit einer Krafterkennung auf Basis der Twin-Touch-Technik ausgestattet werden. Für die Displayüberwachung haben die Experten bei Rafi zusätzliche Komponenten integriert, die zur Laufzeit die Anzeige auf dem Display überwachen. Damit ist jederzeit sichergestellt, dass die angezeigte Bedienoberfläche mit den zur Verfügung stehenden Eingabemöglichkeiten übereinstimmt.

Support für Touchdisplays im Performance Level d

Die neue Rafi-Technologieplattform bietet die für Performance Level d erforderlichen Safety-Funktionen für Touchdisplays in serienreifer Ausführung. Dank zuverlässiger, langlebiger Hardware, redundanter Controller-Architektur und einer umfangreichen Diagnosesoftware ist das Safety-Konzept deutlich flexibler als im Vergleich zu den festverdrahteten Sicherheitsfunktionen. (heh)

Touch-Eingabe in Industrie und Medizin

Doppelter Schutz für eine sichere Bedienung

HMIs in der Medizintechnik

Einfluss der DIN EN ISO 13485 auf Entwicklung und Integration

(ID:50193881)