Safety
Drehgeber fit für SIL2 und SIL3
Die Open-Source-Schnittstelle BiSS lässt sich nun auch für Safety-Anwendungen nach SIL2 und SIL3 verwenden. Dabei bleibt das bisherige Protokoll mit seinem Standard Physical Layer erhalten.
Als Open-Source Schnittstelle für die Automatisierungstechnik wurde das BiSS-Protokoll im Jahr 2002 vom ASiC-Hersteller iC-Haus vorgestellt. Ziel war eine schnelle bidirektionale Sensor-Aktor-Kommunikation bei gleichzeitiger Hardware-Kompatibilität zur etablierten SSI-Schnittstelle (synchron, seriell). Neben technischen Details begründen drei Voraussetzungen den heutigen weltweit genutzten Standard: die kostenlose Lizenz für Applikationen, die Stabilität und Kontinuität des Protokolls seit seiner Einführung sowie die Physical-Layer-Kompatibilität zu vorhandenen Standard-Schnittstellen.
Was die Integrierbarkeit und die hardwaretechnische Realisierung der Nutzer-Applikation anbelangt, erfordert die elektrische Realisierung der BiSS-Schnittstelle sowohl im Sensor als auch im Drive (Master) lediglich zwei unidirektional angesteuerte Leitungen. Die Verwendung von Standard-RS422-Transceivern sorgt für hohe Störsicherheit bei geringem Hardware-Aufwand.
Technische Hintergründe
"BiSS Safety ist ein herstellerunabhängiges Protokoll für sichere Daten, das vielen Anwendern helfen wird, da eine breite Basis an Sensoren die Schnittstelle implementieren wird", erläutert Lothar Kübler, Geschäftsführer von Fritz Kübler.
© Fritz KüblerBiSS ermöglicht es, Befehle vom Master an Slaves zu senden, ohne den Sensordatenfluss zum Beispiel in einer Antriebsregelung zu unterbrechen. Hiervon profitieren vor allem schnelle digitale Regelungen wie Motor-Feedback-Systeme. Die Schnittstelle verwendet hierzu ein Inband-Protokoll und leitet mit jedem Zyklus auf der Taktleitung Bruchteile eines Datenworts an die angeschlossenen Slaves weiter. Die bidirektionale Kommunikation mit Inband-Protokollen lässt sich zudem vielseitig nutzen, beispielsweise für Wartungs- (Condition Monitoring) sowie für Temperatur-Informationen (Encoder- und Motortemperatur).
BiSS definiert Standard-Informationsinhalte wie Seriennummer, Hersteller-, Produkt-Kennung und ein elektronisches Typenschild (EDS) für Encoder, das dem Anwender zusätzlich die Möglichkeit bietet, eigene Daten – zum Beispiel Motordaten – im Encoder abzulegen und auszulesen. Über diese Standardisierung sind Encoder verschiedener Hersteller in Steuerungssystemen austauschbar einsetzbar; eine schnittstellenbedingte Bindung an bestimmte Komponentenhersteller gibt es nicht. Die BiSS-Schnittstelle wurde als offener Standard freigegeben und ist als herstellerneutrale Protokoll-Definition offengelegt. Verfahren und Ausführungen mit BiSS sind von iC-Haus patentiert und Bestandteil der kostenlosen Lizenz für BiSS-Device-Manufacturer. Diese Lizenz beinhaltet die Nutzung der Marke BiSS sowie der BiSS-IPs als Quellcode. Mittlerweile wurden mehr als 380 Lizenzen an Hersteller unter anderem von Encodern und Steuerungen vergeben.
Wachstumsmarkt 'Safety'
Auf dem Markt für Safety Encoder sind zumeist Sin/Cos-Analogübertragungen kombiniert mit digitaler Absolut-Information vorzufinden. Ebenfalls verfügbar sind aufwendigere Protokolle der Marktführer sowie proprietäre Lösungen.
Bei der Weiterentwicklung von BiSS für sicherheitsrelevante Anwendungen (BiSS Safety) wurde zweierlei vorausgesetzt: zum einen SIL2 und SIL3 mit dem bestehenden BiSS-Protokoll zu erreichen und zum anderen die physikalische Schnittstelle zur Nutzung vorhandener und neuer Sensoren in aktuellen Systementwicklungen zu erhalten. Erste Drives und Encoder wurden von verschiedenen Herstellern bereits für 2016 angekündigt.
BiSS Safety basiert zu 100 % auf BiSS C und nutzt sämtliche Protokollmöglichkeiten. Die Merkmale der Identifikation, Elektronische Datenblätter und Diagnosemöglichkeiten bleiben vollständig erhalten.
Der äußere Aufbau des Encoders bleibt eine Punkt-zu-Punkt-Verkabelung wie bei einem Standard-BiSS-Encoder. Geräte-intern werden jedoch zwei unabhängige Sensoren bei der Erzeugung der Positionsdaten und der Absicherung der Übertragung verwendet. BiSS Safety nutzt den 'Black Channel'-Ansatz zur sicheren Übertragung. Dabei werden in einem Zyklus zwei unabhängige Positionsworte gemeinsam übertragen: die Positionsdaten für die Regelung (Control Position Word) und die Positionsdaten für die Sicherheitsüberwachung (Safety Position Word). Beide Sensoren nutzen innerhalb des Gerätes die BiSS-Busstruktur und erfassen zeitgleich die jeweilige Position. Die Sensoren können an einer gemeinsamen Codescheibe eine redundante oder auch eine diversifizierte Positionserfassung durchführen, zum Beispiel in Kombination aus optischer und magnetischer Technologie.
Das Control Position Word (CPW) bietet eine erhöhte Auflösung für exakte Regelungsanwendungen und ist mit Statusinformationen und CRC-Polynom identisch mit dem Positionswort eines Standard-BiSS-Encoders. Je nach Anwendung kann das CPW direkt von einem Standard Drive verarbeitet werden.
Das Safety Position Word (SPW) liefert die Position für den Vergleich mit dem CPW und bietet zusätzlich zu den Standard-Statusinformationen einen 'Sign-Of-Life' Counter. Dieser Counter unterscheidet einen einmaligen Startzustand '0' und fortlaufende gezählte Zyklen 1 bis 63. Durch die standardisierte Länge von 6 Bit sind bei typischen Zykluszeiten Zeiträume im Millisekunden-Bereich eindeutig abgedeckt. Das CRC-Polynom im SPW mit 16 Bit erlaubt zusätzlich eine hohe Fehlererkennungsrate beziehungsweise Hamming-Distanz.
Systemstruktur von BiSS-Safety: Einblick in einen 'BiSS Safety Drive' und einen BiSS-Safety-Encoder
© iC-HausVertauschungsfehler oder Wiederholungsfehler sind durch den unterschiedlichen Aufbau von CPW und SPW, kombiniert mit der seriell angeordneten BiSS-Hardware-Struktur, eindeutig identifizierbar. Bei BiSS Safety werden zur Überprüfung der Übertragung die beiden unabhängigen Positionswerte von CPW und SPW verglichen.
Für Hersteller von BiSS-Safety-Encodern bleibt die Infrastruktur für Identifikation, Datenübertragung und Kalibrierung erhalten. Die interne Systemstruktur des Encoders wird über eine Kombination verfügbarer Bausteine erweitert.
Für den Hersteller von BiSS Safety Drives bleibt die Infrastruktur für Datenübertragung und Identifikation erhalten. Die Kommunikation muss nach Sicherheitsgesichtspunkten im Drive umgesetzt und überwacht werden. Hierfür ist bereits vorhandene Hardware für BiSS Safety nutzbar, existierende Konzepte sind übertragbar.
Der Safety Communication Layer von BiSS Safety wurde 2015 vom TÜV Rheinland überprüft und nach DIN EN 61784-3:2010-02 zur Eignung für sicherheitsrelevante Kommunikation bis einschließlich SIL3 folgend der IEC 61508:2010 bestätigt.
Einen wichtigen Gesichtspunkt von BiSS Safety erläutert Dr. Heiner Flocke, Geschäftsführer von iC-Haus: "Mit BiSS Safety bleiben das Protokoll sowie die physikalische Schnittstelle und damit das weltweit erarbeitete Nutzer-Know-how erhalten. Genutzt werden der vorhandene Standard und die protokolleigenen Freiheitsräume für BiSS Safety."
BiSS-Systeme sind 'Industrie 4.0'-fähig und erfüllen alle Merkmale der Digitalisierung. Der Markt reagiert mit terminierten Produktneuerungen, die BiSS Safety auch für eine Kommunikation über zwei Leitungen als 'BiSS Line' vorbereiten.
Autor:
Marko Hepp ist Applikationsingenieur bei iC-Haus in Bodenheim.
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