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Redundante Steuerungskonzepte

Doppelt genäht hält besser

Bei einer Jeans sorgen doppelte Nähte für 'bessere Verfügbarkeit': Wenn die erste Naht reißt, sorgt die zweite Naht dafür, dass die Hose hält und es nicht zu ungewünschten Ausfallerscheinungen kommt. Das gleiche Prinzip – redundantes, also doppeltes Auslegen der notwendigen Elemente – wird auch zur Erhöhung der Verfügbarkeit von Automatisierungsanlagen eingesetzt.

Anbindung hochverfügbarer Steuerungen an ein PRP-Netzwerk. Bild: Siemens

Man stelle sich eine Anwendung in einem Arbeitsumfeld vor, in welchem Hochverfügbarkeit und Ausfallsicherheit der Teilnehmer und Kommunikation unter den Teilnehmern oberstes Gebot ist. Das Ziel kann dabei sein, das Anlagenpersonal und auch die Anlage selbst vor Schaden zu schützen, oder dafür zu sorgen, dass die Versorgung des Endabnehmers zum Beispiel mit Strom unterbrechungsfrei gewährleistet werden kann – oder ein Produktionsprozess, der einfach nicht unterbrochen werden darf, da sonst das Endprodukt Schaden nimmt, zum Beispiel bei der Nahrungsmittel- oder Medikamentenherstellung. Die Hauptforderung lautet also, die Anlage hochverfügbar auszulegen. Das bedeutet, dass der Betrieb mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 99 Prozent gewährleistet wird – die Anlage muss also weiterlaufen, auch wenn ein Bagger ein Kabel durchgetrennt hat, ein unachtsamer Mitarbeiter eine Verbindung löst oder ein Netzteilnehmer wegen Überlastung plötzlich ausfällt. Die Anlage muss aber auch weiterlaufen, wenn ein PC in der Warte, eine Baugruppe in der Steuerung, oder gar eine Station ausfällt. Hier greifen Redundanzmechanismen, etwa in Form funktionsgleicher Ressourcen, die für den durchgehenden Betrieb auch im Falle einer Störung vorgehalten werden.

Die Steuerung als zentraler Hochverfügbarkeitsbaustein

Herzstück der Anlage ist die Steuerung, die über ein Netzwerk mit weiteren Teilnehmern, wie zum Beispiel anderen Steuerungen oder Leitwartenrechnern kommuniziert. Um Personal, Anlage und Materialen zu schützen, darf die Steuerung nicht ausfallen. Auch aus wirtschaftlichen Gründen müssen Stillstandzeiten beziehungsweise Wiederanlaufkosten vermieden werden. Eine Möglichkeit, die Anlage im Fehlerfall am Laufen zu halten, sind auch hier Redundanzmechanismen – also das doppelte Auslegen der Steuerung. Man spricht hier von einem hochverfügbaren System: Um die Ausfallwahrscheinlichkeit im Fehlerfall zu minimieren, muss das System eine stoßfreie Umschaltung und integrierte Fehlererkennung bieten, bevor der Fehler sich auf den Prozess auswirken kann. Es muss möglich sein, während des Betriebs defekte Komponenten auszutauschen oder Konfigurationsänderungen vorzunehmen. Bei Wiederkehr des regulären Betriebszustandes sollte es zudem einen automatischen Ereignisabgleich geben. Nicht zuletzt muss auch die Kommunikation redundant ausgelegt sein, etwa durch Unterstützung von parallelen Netzwerken.

Beide Stationen eines hochverfügbaren Systems laufen parallel neben einander her. Dabei übernimmt eine Station die Aufgabe eines ‚Masters‘ und kommuniziert mit den entsprechenden Teilnehmern, zum Beispiel einem anderen Hochverfügbarkeitssystem (H-System) oder einem PC im Netzwerk über ein eigenes, meist herstellerspezifisches Protokoll. Die beiden Stationen im H-System überwachen sich gegenseitig. Fällt die Master-Seite aus, übernimmt automatisch die zweite Seite deren Aufgabe und die Kommunikation. Für diesen Aufgabenbereich bietet Siemens mit der Steuerung Simatic S7-400H einen hochverfügbaren Controller an, um die Wahrscheinlichkeit eines Produktionsausfalls zu minimieren. Die Steuerung besteht aus zwei identisch aufgebauten Stationen, von denen eine die Masterfunktion übernimmt. Über ein Synchronisationskabel werden ständig die Daten zwischen beiden Stationen abgeglichen, so dass beide Stationen die gleichen Daten halten. Im Fehlerfall, wenn der Master ausfällt, werden die Aufgaben zur Prozesssteuerung automatisch von der Partnerstation übernommen.

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