Safety Was ist ASi-5 Safety?

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ASi-5 Safety spielt eine wichtige Rolle bei der sicheren Kommunikation und Informationsgewinnung in der industriellen Automatisierung. Warum entstand ASi-5 Safety? Für welche Anwendungen eignet sich das System? Dieser Artikel gibt Antworten.

ASi-5 Safety ist eine Weiterentwicklung des AS-Interface (ASi) und wurde speziell für Sicherheitsanwendungen in der industriellen Automatisierung entwickelt. Die Abkürzung ASi steht für „Actor-Sensor-Interface“ (Aktor-Sensor-Schnittstelle) und verbindet somit Aktoren sowie Sensoren auf der unteren Automatisierungsebene über ein einziges zweiadriges Profilkabel mit einer Steuerung, wobei ein Kabel sowohl Strom als auch Daten überträgt.

Wie entstand ASi?

1990 initiierten mehrere Firmen (Balluff, Baumer, Elesta, Festo, IFM Electronic, Leuze Electronic, Pepperl+Fuchs, Sick, Siemens, Eaton Corporation, Turck und Visolux) ein System zur einfachen Vernetzung von Sensoren und Aktoren im Feld. Die Idee zum AS-Interface war geboren. Bereits ein Jahr später wurde der „Verein zur Förderung busfähiger Interfaces für binäre Sensoren und Aktuatoren e. V.“ gegründet, der heute als AS-International Association die Interessen der Mitgliedsunternehmen weltweit vertritt.

Im Jahr 2018 wurde auf der Messe SPS IPC Drives (heute SPS) in Nürnberg mit ASi-5 eine neue Technologie vorgestellt, die von namhaften Herstellern der Automatisierungsindustrie in Kooperation mit der Chip-Industrie und den Universitäten Stuttgart und Rostock sowie mit der HTWK Leipzig entwickelt worden war.¹

Laut Bihl+Wiedemann, das eine zentrale Rolle bei der Entwicklung und Bereitstellung von ASi-Technologien einnimmt, ist ASi-5 ein wichtiger Baustein auf dem weiterhin rasant fortschreitenden Weg der Digitalisierung, die vor allem eine gute Datenbasis benötigt. ASi-5 sei daher vor allem aus dem Grund entwickelt worden, immer größere Datenmengen ohne Einschränkung dorthin zu transportieren, wo aus ihnen wertvolle Informationen gewonnen werden können.²

Warum gibt es kein ASi-4 Safety?

Bevor ASI-5 entwickelt wurde, gab es bereits ASi-3. Doch warum wurde mit dem 2018 erstmals im Markt vorgestellten System ein Entwicklungsschritt übersprungen? Eine Antwort hierauf gibt ebenfalls Bihl+Wiedemann auf seinen Internetseiten: ASi-5 sollte verdeutlichen, dass im Vergleich zu ASi-3 ein sehr großer Entwicklungsschritt vollzogen wurde. Zudem sollte nicht der Eindruck erweckt werden, dass Industrie 4.0 der alleinige Innovationstreiber für die neue ASi-Generation ist.³

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Weniger Stecker, mehr Verbindung

ASi-5 unterstützt große Netzwerke mit verschiedenen Topologien (Linien, Ring und Stern) und ist im Übrigen kompatibel zu allen gängigen Bussystemen wie etwa Profinet, EtherNet/IP und ModbusTCP, EtherCAT, Powerlink sowie Sercos. Da es zudem kompatibel mit allen bisherigen ASi-Generationen ist, wird auch ein sogenannter Mischbetrieb (ASi-3 und ASi-5 Komponenten) möglich, ohne bereits bestehende Geräte ersetzen zu müssen, was die Integration des Systems erheblich erleichtert.

Welche Vorteile bietet ASi-5 Safety?

ASi-5 Safety bietet eine Reihe an Vorteilen gegenüber früheren Versionen wie ASi-3 Safety und erweitert die Potenziale, gemeinsam nicht-sichere und sichere Signale zu übertragen:

• Datenbandbreite, Busauslastung und Geschwindigkeit: So lassen sich mit ASi-5 Safety bis zu 16 sichere Ein- und Ausgänge sowie nicht-sichere Signale über eine einzige Teilnehmeradresse austauschen bzw. unter einer einzigen Teilnehmeradresse bündeln. Somit wird die Anzahl an Signalen pro Master erheblich gesteigert und im Vergleich zu ASi-Safety at Work und ASi-3 Safety der Aufwand und die Kosten reduziert. ASi-Safety at Work und ASi-3 Safety benötigen hingegen für jeden sicheren Ein- und Ausgang eine separate Adresse, wodurch die Busauslastung einschränkt und die Anzahl an anschließbaren Geräten limitiert wird. ASi-5 Safety ist außerdem kompatibel zu IO-Link-Safety-Geräten und lässt sich überdies problemlos in höhere Automatisierungsebenen integrieren.
  Im Vergleich zu ASi-3 Safety ermöglicht ASi-5 Safety deutlich kürzere Zykluszeiten bis zu 1,72 ms für bis zu 384 Ein- und 384 Ausgangsbits. Dies kann für Anwendungen mit Echtzeitanforderungen zur gleichzeitigen Übertragung von sicheren und nicht-sicheren Daten (die in ASi-3 Safety separat verarbeitet werden müssen) erhebliche Vorteile haben.

• Verdrahtung und Hardware: Durch die effizientere Nutzung der Adressen und die Möglichkeit, sichere und nicht-sichere Signale gemeinsam übertragen zu können, wird mit ASi-5 Safety der Bedarf an zusätzlichen Modulen und in der Folge der Aufwand sowie die Kosten für die Verdrahtung und Hardware reduziert.

• Diagnose: ASi-5 Safety verfügt im Gegensatz zu ASi-3 Safety über erweiterte Diagnosemöglichkeiten. Mit ASi-5 Safety sind Anwender etwa in der Lage, alle Projektierungsdaten (u. a. Hardware-Konfigurationen und Parametereinstellungen) im Gateway zu speichern und vor Ort auszulesen, um zum Beispiel eine präventive oder prädiktive Wartung und die Fehlerdiagnose zu erleichtern. Darüber hinaus stehen azyklische Kanäle für detaillierte Diagnosen bereit, ohne die Zykluszeiten zu beeinflussen.

• Cybersicherheit: Da bei ASi-5 Safety die Datenübertragung nach dem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) erfolgt, ist ein Zugriff von außen auf die Kommunikation bzw. ein Abhören nahezu unmöglich. Die Cybersicherheit wird außerdem noch durch die Entkopplung von TCP/IP und ASi-5 erhöht, das somit keine direkte Kommunikation zwischen den Modulen und externen Netzwerken erlaubt. Hierdurch wird die Angriffsfläche im Vergleich zu Systemen mit direkter TCP/IP-Anbindung deutlich kleiner.

• Sicherheitsstufen: ASi-5 Safety erreicht u. a. die Sicherheitsstufe SIL3 (Safety Integrity Level 3) als Teil der internationalen Standards IEC 61508 und IEC 61511 sowie den Performance Level e gemäß EN ISO 13849 und ist vom TÜV zertifiziert.⁴

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ASi-5 Safety für effizientere Mutingapplikationen

Wie funktioniert das „Orthogonale Frequenzmultiplexverfahren“ (OFDM)?

Da Cybersicherheit auch durch mehrere in Deutschland bekannte Angriffe auf namhafte Unternehmen weiterhin an Relevanz gewinnt, soll hier in diesem Zusammenhang kurz auf die Funktionsweise des orthogonalen Frequenzmultiplexverfahrens bei ASi-5 Safety eingegangen werden, das durch die Nutzung mehrerer orthogonaler Trägerfrequenzen ein hohes Maß an Effizienz und Sicherheit bietet.

Zunächst wird der Eingangsdatenstrom in mehrere parallele Teildatenströme mit niedrigerer Datenrate aufgeteilt. Jeder Teildatenstrom wird hierbei einer eigenen Trägerfrequenz zugeordnet. Die Trägerfrequenzen sind so gewählt, dass sie orthogonal zueinander sind. Ihre Signale im Frequenzbereich stören sich daher nicht gegenseitig, da das Maximum einer Trägerfrequenz jeweils immer auf den Nulldurchgang der benachbarten Träger fällt. Hierdurch werden Interferenzen und ein Übersprechen zwischen den Kanälen minimiert. Jeder Teildatenstrom wird mit einem Modulationsverfahren moduliert, um die Daten auf die jeweiligen Träger aufzubringen. Sämtlich modulierten Trägersignale werden dann zur Erzeugung eines zusammengesetzten Breitbandsignals addiert, das anschließend über den Kommunikationskanal gesendet wird.

Um am Ende die ursprünglichen Datenströme zurückzugewinnen, trennt der Empfänger die einzelnen Trägersignale mithilfe einer Fourier-Transformation wieder auf und demoduliert sie.

Aufgrund der Orthogonalität der Träger lassen sich viele Signale gleichzeitig auf engem Frequenzraum übertragen, sodass das verfügbare Frequenzspektrum effizient genutzt wird. Die dynamische Frequenzzuweisung innerhalb von OFDM erschwert es zudem erheblich, in die Kommunikation einzudringen, da ein potenzieller Angreifer hierzu den gesamten Kontext des Verbindungsaufbaus kennen müsste. Dies sorgt für nahezu abhörsichere Übertragungen bei ASi-5 Safety.⁵

Welche Einsatzgebiete eignen sich besonders für ASi-5 Safety?

Der Begriff „Safety“ in der Systembezeichnung impliziert bereits, dass sich das Interface für Aufgaben in der Automatisierung mit hohen bzw. sehr komplexen Sicherheitsanforderungen sowie Anlagen mit besonders sicherheitskritischen Komponenten eignet.

• So ist ASi-5 Safety beispielsweise ideal für Anwendungen, in denen eine hohe Anzahl an sicheren und nicht-sicheren Signalen parallel verarbeitet werden müssen. Das kann zum Beispiel bei Maschinen mit mehreren Not-Halt-Tastern, Sicherheitslichtgittern oder sicheren Schlüsselhaltern der Fall sein.

• Palettierer, Förderanlagen oder ähnliche Maschinen, die u.a. eine Fülle an digitalen Sensoren, Ventilinseln und Sicherheitskomponenten integrieren und daher eine Vielzahl an Signalen verarbeiten, profitieren von ASi-5 Safety zum Beispiel durch die hohe Datenbandbreite und kurzen Zykluszeiten.

• ASi-5 Safety kann sowohl sichere als auch Standardsignale unter einer Adresse bündeln, wodurch das System eine kosteneffiziente Lösung zum Beispiel für Bedienpanels mit Leuchttastern, Not-Halt-Tastern und anderen Steuerungselementen sein kann.

• Im Maschinen- und Anlagenbau dient ASi-5 Safety zur kosteneffizienten Übertragung sicherer und nicht-sicherer Signale bspw. unter Einbindung von IO-Link-Sensoren und IO-Link-Safety Devices sowie erweiterter Diagnosefunktionen.

• Letzteres ist ein weiterer Pluspunkt für ASi-5 Safety im Hinblick auf Umsetzung von wirtschaftlichen zustandsorientierten (prädiktiven) Instandhaltungsstrategie, weil Fehler frühzeitig noch vor einem Ausfall identifiziert und behoben werden können.

• Last, but not least ist ASi-5 Safety auch bei der Modernisierung von bestehenden Anlagen (Retrofits) zu finden, um die Sicherheitstechnik der Maschinen fit für die Zukunft zu machen.

ASi-5 Safety unterstützt somit die gestiegenen Sicherheitsanforderungen im Zuge der stetig wachsenden Digitalisierung der industriellen Automatisierung.⁶

Anbieter und Unterstützer von ASi und ASi-5 Safety

• ABB

• Alfa Laval

• Aquaduna

• Auer

• Bardiani

• Baumer

• Beckhoff

• Bernstein

• Bihl+Wiedemann

• BizLink

• Bray

• Bürkert

• Cosys

• Danfoss

• Eaton

• Elesta

• Emerson

• Endress+Hauser

• Euchner

• Festo

• Helukabel

• ifm electronic

• Lapp

• Leuze

• Phoenix Contact

• Pepperl+Fuchs

• Renesas

• Rohde

• SEW Eurodrive

• Siemens

• Turck

• Wieland

Diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Fußnoten

Quellen

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