Smart Factory – aber mit Sicherheit

Die Realisierung zuverlässiger Safety-Funktionen gehört zu den größten Herausforderungen des modernen industriellen Applikations-Engineerings. Mehr denn je sind Softwareingenieure heute gefordert, sich nicht nur auf die Programmierung der eigentlichen Anwendungen zu fokussieren, sondern parallel dazu auch die Entwicklung funktionaler Sicherheitslösungen für Geräte, Maschinen und Anlagen voranzutreiben. Im Grundsatz ist diese Aufgabe natürlich nicht neu: Schon immer ging es im Applikations-Engineering auch darum, im Kontext der jeweiligen Anwendungen für einen effektiven Schutz von Menschen, Maschinen und Umwelt zu sorgen und gezielte Vorkehrungen für den Fehlerfall im laufenden Betrieb zu treffen. Ein Roboterarm, der unkontrolliert umschwenkt oder absinkt, ein Transportband, das unvermittelt Richtung oder Geschwindigkeit wechselt oder ein Anlagenkessel, der kritische Volumina gefährlicher Flüssigkeiten oder Gase entweichen lässt – solche und ähnliche Gefährdungen mussten auch schon in der Vergangenheit bedacht und so weit wie möglich beherrscht werden.

Der digitalisierungsbedingte Strukturwandel der industriellen Produktion stellt die Anwender jedoch mittlerweile vor ganz neue Herausforderungen. Wo Produktionssysteme künftig so flexibel wie möglich agieren und Maschinen, Geräte und Anlagen in ständig wechselnden Konstellationen kollaborieren sollen, um kundenindividuelle Serienfertigungen oder auch Sonderfertigungen in kleinen Losgrößen zu realisieren, dort muss sich auch das Safety-Engineering an die veränderten Bedingungen anpassen.

Zeitdruck, strengere Vorschriften und Fachkräftemangel erschweren Safety-Projekte

Angesichts der Flexibilität, die industrielle Prozesse in smarten Fabriken und vollvernetzten Wertschöpfungsketten der Zukunft charakterisieren soll und wird, ist diese Anpassung eine anspruchsvolle und permanente Aufgabe. Zusätzlich erschwert wird sie durch den hohen Zeitdruck hinter vielen Projekten, die immer strengeren Sicherheitsvorschriften und den Fachkräftemangel im Engineering-Umfeld. Wenige hochspezialisierte Softwareingenieure müssen heute in immer kürzeren Entwicklungszyklen sowohl Updates und Upgrades als auch Neukonstruktionen so programmieren, dass die Interoperabilität der prozessbeteiligten Maschinen und Anlagen durch adäquate, den neuesten Standards entsprechende Sicherheitsfunktionen begleitet wird. Einkalkuliert werden müssen dabei zumeist auch aufwändige und langwierige Zertifizierungsprozesse, was die Projektkosten nach oben treibt und die zeitlichen Spielräume für die eigentliche Entwicklung weiter verengt.

Neues Konzept verknüpft Application- und Safety-Engineering in nur einem Tool

Durch technische Weiterentwicklungen im Bereich der Entwicklungsumgebungen zeichnet sich jedoch mittlerweile ein Ausweg aus diesem Dilemma ab. So hat beispielsweise der österreichische Engineering-Spezialist logi.cals eine branchen- und plattformunabhängige Multi-Language-Entwicklungsumgebung vorgelegt, die ein neues Engineering-Konzept verfolgt. Application- und Safety-Engineering sind hier von vorneherein systematisch verbunden, so dass Sicherheitsfunktionen schnell und einfach entlang der eigentlichen Anwendungen programmiert werden können.

Grundlage der Entwicklungsumgebung sind skalierbare und integrationsfreundliche Laufzeitsysteme, wobei für Safety-Lösungen sichere Laufzeitsystem-Varianten vorgehalten werden. Die Programmierung erfolgt über logi.CAD 3 – ein modular aufgebautes, flexibel erweiterbares Engineering-Toolkit, das auf den marktüblichen Windows-Betriebssystemen läuft und ein Applikations-Engineering in allen relevanten IEC 61131-3 Standardsprachen (SFC, ST, FBD) sowie darüber hinaus auch in Programmiersprachen wie C oder C++ unterstützt. Bei der Programmierung der beiden Laufzeitsysteme über dieses Tool fungiert der Application-Scheduler als Gateway zwischen logi.CAD 3 und dem Safety-Scheduler. Application- und Safety-Engineering werden so in enger Verknüpfung mit einem einzigen Tool und aus einer einzigen Entwicklungsumgebung heraus realisiert.

Integrierte Safety-Toolchain erschließt höchste Sicherheitslevel

Um die Sicherheitslösung parallel zur jeweiligen Anwendung programmieren zu können, ist in logi.CAD 3 eine Safety-Toolchain integriert, die in naher Zukunft das Engineering von Safety-Funktionen bis zu Level SIL 3 nach IEC 61508, PLe nach ISO 13849 und ASIL C unterstützen wird. Kernkomponenten dieser Toolchain, die von der logi.cals-Schwestergesellschaft ISH konzipiert wurde, sind eine statische Code-Analyse sowie ein zweistufiger Testmanager, mit dessen Hilfe die programmierten Safety-Funktionsbausteine erst in einer Simulationsumgebung („Software-in-the-loop“) und anschließend in der eigentlichen Zielumgebung („Processor-in-the-loop“) getestet und nach bestandenem Testlauf freigegeben werden. Die Implementation der Bausteine kann über die Programmiersprachen FBD, SFC und ST erfolgen. Der Quellcode wird am Ende automatisch in C-Code umgewandelt. Nach der finalen Zertifizierung, die gewöhnlich nur noch eine Formsache ist, besteht die Möglichkeit, die Bausteine in speziellen Safety-Bibliotheken zur Verfügung zu stellen.

Maschinen- und Anlagentechniker finalisieren den Engineering-Prozess

Sind solche Bibliotheken erst einmal erzeugt, kommt mit dem webbasierten Simple-Application-Engineering-Tool logi.SAFE gewissermaßen eine zweite Ebene der logi.cals-Entwicklungsumgebung ins Spiel. Denn mit Hilfe dieses Tools können letztlich auch Geräte-, Maschinen- und Anlagentechniker ohne vertiefte Programmierkenntnisse auf die einzelnen Softwarebausteine zugreifen, sie auf die jeweilige Steuerung laden und die vorgesehenen Sicherheitsfunktionen zusammenstellen.

Dadurch wird ein arbeitsteiliges Safety-Engineering möglich, das alle Programmierprozesse deutlich beschleunigt. Die Spezialisten können sich somit auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren, während die praxisorientierten Techniker das Engineering finalisieren. Änderungen an den Sicherheitsanwendungen können dabei sogar noch während des Feldeinsatzes vorgenommen werden. Alle Bibliothekszugriffe und die Zusammensetzung der Bausteine erfolgen ganz einfach über eine intuitive grafische Benutzeroberfläche – die Nutzung von Programmiersprachen ist nicht erforderlich. Ergänzend zu den Bibliotheken, die von den Softwarespezialisten angelegt wurden, können logi.SAFE-Anwender dabei auch auf die wachsende Anzahl qualifizierter Online-Standardbibliotheken zurückgreifen, die validierte Softwarebausteine für eine Vielzahl industrietypischer Safety-Funktionalitäten bereitstellen.

Fazit

Mit dem logi.cals-Lösungspaket steht Anwendern eine ganzheitliche Safety-Lösung zur Verfügung, die es ermöglicht, Application- und Safety-Engineering nahtlos miteinander zu verbinden. Durch arbeitsteilige Prozesse und die optimale Nutzung personeller Kapazitäten gelangen Smart-Factory-Betreiber schnell und sicher zu validen Ergebnissen und stellen nicht zuletzt mit Blick auf künftige Entwicklungen das nötige Maß an Flexibilität sicher. Die Vorteile dieses Ansatzes werden schon heute von zahlreichen Anwendern genutzt, etwa in industriellen Produktionsstraßen im Automotive-Sektor oder auch im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen und der Personenbeförderung. Sie wissen zu schätzen, dass sich mit Hilfe der logi.cals-Lösung maximale Interoperabilität mit größtmöglicher Funktionssicherheit verbinden lässt und die Vorteile der Digitalisierung somit ohne Einschränkung genutzt werden können.