Smart Factory 26.05.2021, 08:00 Uhr

Mit Smart-Safety-Agenten die Maschinensicherheit automatisch bewerten

Modulare Industrie 4.0-Anlagen können schnell und flexibel auf variable Marktanforderungen umgestellt werden. Die manuelle Sicherheitsbewertung jeder neuen Anlagenkonfiguration hemmt jedoch die Wirtschaftlichkeit.

Das "Qualitätsmodul 1" wird in den Demonstrator implementiert. Dies entspricht dem Use-Case "Modultausch" in einer Muster-Produktionslinie des SmartFactory-KL. Foto: SmartFactory-KL

Das "Qualitätsmodul 1" wird in den Demonstrator implementiert. Dies entspricht dem Use-Case "Modultausch" in einer Muster-Produktionslinie des SmartFactory-KL.

Foto: SmartFactory-KL

In der Technologie-Initiative „SmartFactoryKL“ wird das Konzept einer automatisierten, dynamischen Maschinensicherheit erprobt – mit „smarten Agenten“ und standardisierten Safety-Profilen.

Die Initiative SmartFactory KL e.V. mit Sitz in Kaiserslautern ist ein im Jahr 2005 gegründeter gemeinnütziger Verein, der zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie aktuelle Forschungs- und Entwicklungsprojekte rund um das Thema Industrie 4.0 umsetzt. Gemeinsam mit dem TÜV SÜD hat der Verein kürzlich analysiert, wie „Smart Safety“ in der Praxis umgesetzt werden kann.

Screen der zertifizierten und automatisierten Sicherheitsprüfung nach einem Modultausch.

Foto: SmartFactory-KL /TÜV SÜD

Digitaler Zwilling als optimaler Ort für sicherheitsrelevante Daten

Die Verwaltungsschale (VWS) ist eines der zentralen Elemente moderner Industrie 4.0-Anlagen. Letztlich handelt es sich bei der VWS um die technische Realisierung des Digitalen Zwillings einer physischen Komponente. Sie besteht in der Regel aus einem allgemeinen Teil mit Identifikationsinformationen und weiterführenden Teilen, die u.a. Leistungsangaben, Statusinformationen und Grenzwerte für den Betrieb enthalten. Die Inhalte der VWS können je nach Anwendungsgebiet und Perspektive variieren. Das breite Spektrum der Möglichkeiten reicht von einfachen, beschreibenden Parametern zur technischen Dokumentation bis hin zu produktionstechnischen Daten. Informationen über Ersatzteile sind beispielsweise relevant für den Einkauf und Vertrieb. Aktuelle Leistungsdaten können für eine optimierte Produktion und Instandhaltung herangezogen werden. Durch ihre Vielseitigkeit ist die VWS aber auch der optimale Ort für sicherheitsrelevante Daten, die bei einer digitalen Bewertung der Maschinensicherheit herangezogen werden können.

Voraussetzungen für einen reibungslosen Informationsaustausch

Damit Betreiber modulare Anlagenkonzepte schneller umsetzen und flexibler nutzen können, benötigt jedes Modul bzw. jede Komponente (Asset) eine eigene Verwaltungsschale. Der Grundstein für eine automatisierte Sicherheitsbewertung sind darin hinterlegte, Safety-relevante Informationen. Dadurch sind auf der digitalen Ebene alle nötigen Informationen über mögliche Gefährdungen und vorhandene Sicherheitseinrichtungen der Anlagenkomponenten verfügbar. Um eine dynamische Maschinensicherheit weitgehend ohne manuelle Eingriffe realisieren zu können, müssen die Safety-Informationen in einer maschinenlesbaren Form vorliegen und in einer einheitlichen Struktur definiert sein.

Automatisierte Bewertung der Sicherheit durch Smart-Safety-Agenten

Sind die sicherheitsrelevanten Informationen in einer standardisierten Safety-Semantik abgelegt, kann der Smart-Safety-Agent die Informationen zu möglichen Gefahren und den vorhandenen Sicherheitseinrichtungen der verbundenen Module abfragen. Anschließend vergleicht er den Ist-Zustand – welche Sicherheitseinrichtungen stehen möglichen Gefahren gegenüber – mit dem Soll-Zustand aus Perspektive der Maschinensicherheit der Gesamtanlage. Der Software-Agent bewertet auf dieser Basis, welche Risiken in der aktuellen Konfiguration auftreten können, und wählt unter den verfügbaren Schutzmaßnahmen die jeweils am besten geeignete aus, um diese Risiken zu beherrschen. Der Smart-Safety-Agent ist dabei in der Lage, unter den verschiedenen vorhandenen Schutzmaßnahmen diejenigen auszuwählen, die sowohl Mensch und Maschine effizient schützen als auch die Produktion bzw. den Betrieb möglichst wenig beeinträchtigen.

Der Smart-Safety-Agent analysiert die Risiken und wählt die Schutzmaßnahmen aus, die den Betrieb am wenigsten beeinträchtigen. Grafik: TÜV SÜD AG

Die herkömmlichen Schutzeinrichtungen der funktionalen Sicherheit bleiben auch weiterhin Teil des mehrstufigen Entscheidungsprozesses: Sollte die smarte Risikoreduktion fehlschlagen oder keine besser geeignete Einrichtung vorhanden sein, greifen sie auf der untersten Stufe und übernehmen die Rolle einer „Fall-back“-Lösung. Mit diesem Konzept einer smarten Risikobewertung kann die Produktivität gesteigert werden, ohne das Sicherheitsniveau zu senken.

Beispiel: fahrerlose Transportsysteme

Wie dies in der Praxis funktioniert, macht folgendes Beispiel deutlich: In einer Produktionshalle droht der Zusammenstoß eines fahrerlosen Transportsystems (FTS) mit einem weiteren FTS. Um die Gefahr abzuwenden, stehen dem Agenten-System – vereinfacht dargestellt – drei Handlungsoptionen zur Verfügung: „Fahrspur anfragen“, „Route ändern“ und „stehen bleiben“. Sind mehrere Fahrspuren verfügbar, organisiert der Smart-Safety-Agent eine Fahrspuränderung, sodass beide Transportfahrzeuge einander gefahrlos passieren können. Ist das nicht der Fall, aber ein Fahrbereich steht zur Verfügung, in dem sich keine Menschen aufhalten, schlägt der Smart-Safety-Agent eine Routenänderung vor. Beides sind wirtschaftlich sinnvolle Optionen, da sie einen Stillstand vermeiden.

Falls jedoch beim Ausweichen das FTS in einen aktuell von Menschen frequentierten Bereich einfahren müsste – und daraus eine Gefährdung resultieren könnte – greift die herkömmliche Sicherheitseinrichtung und das FTS bleibt stehen. Dies wäre auch dann der Fall, wenn die Kommunikation zwischen den Systemen scheitert.

Cybersecurity „mitdenken“

Modulare Anlagen im Industrial Internet of Things (IIoT) eröffnen die Möglichkeit, Anlagen aus der Ferne zu warten, Updates einzuspielen und Produktionsdaten kontinuierlich auszuwerten. Allerdings schafft die Vernetzung auch potenzielle Einfallstore für Cyberangriffe. Durch diese könnten die Integrität der in der VWS hinterlegten Informationen kompromittiert und der sichere Betrieb der Anlage gefährdet werden. Damit stehen die Verantwortlichen in der Pflicht, ihre Anlagen in ihrer Gesamtheit wirksam vor Angriffen von außen zu schützen. Denn die regulatorischen Anforderungen an die Maschinensicherheit fordern den durchgängigen sicheren Betrieb und Handhabung.

Das Qualitätskontrollmodul vergleicht in einem Use Case zum Beispiel die Kundenbestellung mit dem ausgelieferten Teil, hier ist es ein USB-Stick.

Foto: SmartFactory-KL/A.Sell

Die Ursache einer Gefährdung spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Cybersecurity und Safety sollten daher von Beginn an in die Planung eines ganzheitlichen SecureSafety-Konzepts einbezogen und aufeinander abgestimmt werden. Dies gilt nicht nur für Anlagen und Maschinen der I4.0, sondern auch für vernetzte Maschinen der „I3.x“ ohne digitalen Zwilling, für die TÜV SÜD ein konventionelles Bewertungsverfahren entwickelt hat.

Fazit und Ausblick

Modulare Anlagenkonzepte entfalten ihr volles wirtschaftliches Potenzial vor allem dann, wenn die Risikobeurteilung und Zertifizierung neuer Anlagenkonstellationen in einer Simulation – oder dynamisch zur Laufzeit – und automatisiert ablaufen. Eine Voraussetzung dafür ist die Standardisierung der Safety-Inhalte und der Safety-Semantik der digitalen Repräsentanzen aller Anlagen und ihrer Komponenten. Damit Safety-Agentensysteme die Sicherheitsbewertung eigenständig vornehmen können, sollten herstellerübergreifend Verwaltungsschalen verfügbar sein, die den Anforderungen der Sicherheit gerecht werden. Wie Smart Safety in der Praxis realisiert werden kann, haben die Technologieinitiative SmartFactoryKL (https://smartfactory.de) und TÜV SÜD (www.tuvsud.com) im Whitepaper „Safety-Anforderungen an die digitale Maschinenrepräsentanz 2020“ skizziert.

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Von Michael Pfeifer, Dimitri Harder

Michael Pfeifer ist Experte für Maschinensicherheit und I4.0 bei der TÜV SÜD Industrie Service GmbH. Foto: TÜV SÜD
Dimitri Harder ist Projektmanager Automation bei der TÜV SÜD Product Service GmbH.

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