Safety über Funk: So funktioniert die sichere und stabile Datenkommunikation mit PROFIsafe

Drahtlose Kommunikation als Alternative zum Kabel hat zahlreiche Vorteile gegenüber kabelgebundenen Systemen und ist der Goldstandard für flexible Produktionen und modulare Anlagen. Insbesondere für Anwendungen mit funktionaler Sicherheit sollten bei Auswahl und Installation der passenden Funklösung jedoch einige Themen beachtet werden, um eine stabile und sichere Datenkommunikation zu erreichen. In der Industrie kommt für solche Safety-kritischen Anwendungen häufig PROFIsafe als Bus-Protokoll zum Einsatz. Wir zeigen Ihnen, wie Sie damit eine sichere drahtlose Kommunikation erreichen und welche Besonderheiten Sie beim Einsatz von PROFIsafe im industriellen Umfeld beachten sollten.

PROFIsafe – gleiches Protokoll mit Funk und Kabel

Ganz gleich ob für eine Kran-Steuerung, die Not-aus-Übertragung einer Produktionsmaschine oder andere sicherheitsrelevante Kommunikation: PROFIsafe hat sich als Standard für funktional sichere Kommunikation etabliert und ist seit 2007 unter der Bezeichnung IEC 61784-3-3 internationale Norm. Über das sicherheitsgerichtete Protokoll werden Daten zwischen einer Sicherheitssteuerung (F-PLC bzw. F-Host) und Feldgeräten (F-Devices) übermittelt. Während Steuerung und Device in der Regel sicherheitsgerichtete Komponenten sind und entsprechend zertifiziert sein müssen, hat PROFIsafe gemäß Systembeschreibung keine Rückwirkung auf die eingesetzten Standard-Busprotokolle: ob mit Industrial Ethernet (PROFINET IO), per RS485 (PROFIBUS-DP), über Backplanes oder Wireless – das verwendete Verfahren für die Datenübertragung hat keinen Einfluss auf die Sicherheits-Einstufung. Es handelt sich bei den Übertragungskanälen lediglich um sogenannte „Black Channels“, von denen die tatsächliche PROFIsafe-Anwendung komplett unabhängig aufgebaut ist. Dem entsprechend heißt es auch in der PROFIsafe Systembeschreibung: Eine drahtlose Übertragung ist zulässig, solange eine ausreichende Verfügbarkeit (keine Fehlauslösungen) und IT-Sicherheit (Security) gewährleistet sind.

Sichere Datenübertragung per Funk: das Black-Channel-Prinzip im Detail 

Das heißt also, dass die Verwendung von Wireless-Technologien ebenso wie andere Funktechnologien auch qua Definition vorgesehen und möglich ist. Sowohl die Sicherheitssteuerung als auch das Remote-IO-System – zum Beispiel ein Safety-Switch – beinhalten das Safety-Protokoll. Die Schnittstelle dazwischen ist lediglich der Kanal zur Übertragung der Sicherheitsinformationen. Dem entsprechend ist für das drahtlose Gerät keine Sicherheitszertifizierung notwendig und es wird behandelt wie andere Infrastrukturkomponenten, beispielsweise Switches oder Kabel. Das spart beim Einsatz einer Black-Channel-Lösung die Neuberechnung oder Nachprüfung des Sicherheitslevels (SISTEMA). 

Maßnahmen für die drahtlose funktionale Sicherheit

Die Datenübertragung für PROFIsafe ist unabhängig vom Protokoll der Datenübertragung – und damit für jede drahtlose Technologie wie WiFi, Bluetooth und künftig auch 5G als Übertragungsstandard anwendbar. Faktoren wie Datenübertragungsrate und Fehlererkennung spielen zunächst keine Rolle. Um die drahtlose funktionale Sicherheit zu gewährleisten, nutzt PROFIsafe eine Reihe von Maßnahmen, die in das Protokoll integriert sind: So werden F-Nachrichten beispielsweise nummeriert; der Empfänger kann so prüfen, ob Nachrichten komplett und ohne Reihenfolgefehler erhalten wurden. Zeitüberschreitungen bis zur Quittierung einer Nachricht werden aufgedeckt und eine eindeutige Authentifizierung von Sender und Empfänger stellt sicher, dass keine Manipulation der Kommunikation möglich ist. Dafür nutzt PROFIsafe außerdem eine zyklische Blockprüfung für die Datenintegrität.

Mit diesen umfassenden Mechanismen können PROFIsafe-Anwendungen Sicherheitskennwerte bis SIL3 gemäß IEC 61508 bzw. bis Performance Level e (PLe) gemäß EN ISO 13849-1 erfüllen.

Spezielle Anforderungen an sicherheitsgerichtete Wireless-Systeme

Grundsätzlich unterscheidet sich das Verfahren für den Einsatz einer PROFIsafe-Anwendung – ob kabelgebunden oder kabellos – also nicht. Trotzdem gibt es einige Punkte und wesentliche Unterschiede, die für sichere drahtlose Kommunikation im industriellen Umfeld beachtet werden sollten: Im Vergleich zur Datenübertragung per Kabel müssen beim Einsatz einer Funklösung die geringere Übertragungsrate und schwankende Latenzzeiten berücksichtigt werden. Wird hier das Standard-Aktualisierungsintervall von 1ms verwendet, wie es bei kabelgebundener PROFINET-Kommunikation üblicherweise zum Einsatz kommt, würden Funkstrecken schnell überlastet. In der Folge kommt es zu verlorenen Telegrammen, die letztlich zu Busfehlern und damit einem Abschalten und Stillstand der Anlage führen.

Zum Ausgleich der niedrigeren Datenraten und schwankenden Latenzen ist es möglich, die Aktualisierungszeit zu verlängern. Das hat allerdings zur Folge, dass die gesamte Anwendung langsamer wird – bei sicherheitsgerichteten Funktionen einer Anlage oder Maschine ist das oft problematisch. So darf beispielsweise bei Kran-Steuerungen die Überwachungszeit maximal 500ms betragen. 

Patentierte Vorverarbeitung erhöht Schnelligkeit und Stabilität der Anwendung

Ein Anlagenstillstand aufgrund eines Busfehlers kostet oft viel Zeit für die Wiederinbetriebnahme der Anlage – und damit bares Geld für den Betreiber. Deshalb gilt es, das Risiko solcher Fehler bereits bei der Auswahl der Komponenten für funktionale Sicherheit über Funknetze zu berücksichtigen. Speziell geeignet ist dafür die patentierte DATAEAGLE Technologie für sichere drahtlose Kommunikation im industriellen Umfeld. Sie wurde eigens von Schildknecht entwickelt und kompensiert die im Vergleich zu Kabellösungen geringere Datenrate und schwankende Latenz der Funkkommunikation. Dazu setzt DATAEAGLE auf eine Vorverarbeitung der Telegramme. Sie filtert die Informationen und überträgt keine redundanten Informationen. Das reduziert die Datenmenge, sodass der Controller trotz Funkübertragung mit der schnellstmöglichen Aktualisierungszeit von 1ms senden kann. Das Übertragungsintervall wird dabei flexibel an die Funkstrecke angepasst. Ändert sich nur ein Teil der Daten, dann wird auch nur dieser Teil übertragen. Damit sorgt DATAEAGLE für eine Stabilisierung der PROFIsafe Datenübertragung bei gleichzeitig hoher Aktualisierungsgeschwindigkeit. Die Lösung ist optimal, um mit Datenfunk zuverlässige und stabile Automatisierungslösungen zu schaffen.

Auf einen Blick: Safety über Funk mit PROFIsafe und DATAEAGLE

• PROFIsafe kann mit Funklösungen realisiert werden – mit dem Black-Channel-Prinzip hat die Datenübertragung keinen Einfluss auf die Sicherheits-Einstufung.
• Bei der Auswahl der passenden Funklösung sollte die niedrigere Datenrate und schwankende Latenz von Funk gegenüber Kabel berücksichtigt werden.
• Optimal eignen sich Funkübertragungen mit vorverarbeiteten Datenpaketen, wie z.B. DATAEAGLE von Schildknecht. Das Verfahren senkt die Datenmenge und erhöht die Stabilität.
• Safety-kritische Anwendungen können mit PROFIsafe und Datenfunk realisiert werden – und haben sich im industriellen Umfeld bewährt, teils über viele Jahre Laufzeit und ohne Unterbrechung durch Busfehler.

Fazit: Finden Sie schnell und einfach die optimale Lösung für Ihre Anwendung

Intelligente Datenfunksysteme mit stabilisierter Funkübertragung zeichnen sich aus durch Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer ohne Wartungsaufwand, durch sichere Kommunikation und Robustheit gegenüber Störungen. Damit eignen sie sich ideal für den Einsatz in der Automatisierungstechnik. Die patentierte DATAEAGLE Produktfamilie bietet außerdem ein Höchstmaß an Flexibilität und eine unkomplizierte Plug & Play-Installation. So kommen Sie in kürzester Zeit zur optimalen Lösung für die drahtlose Datenübertragung.

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