Sensorik Sensordaten in Zeiten von Industrie 4.0 bedarfsgerecht bereitstellen

Industrie-4.0-Anwendungen nutzen andere Sensordaten als typische Automatisierungslösungen. Sensoren mit dem neuen Dual-Channel-Prinzip bedienen beide gleichzeitig.

Firmen zum Thema

Leuze electronic GmbH & Co. KG

Hans Turck GmbH & Co. KG

CADFEM GmbH

Industrie 4.0 ändert vieles: Während Sensoren in Automatisierungslösungen primär Prozessgrößen erfassen und diese etwa in Echtzeit an eine SPS übermitteln, ermöglicht Industrie 4.0 neue Funktionen wie Rezepturwechsel, Formatumstellung oder vorausschauende Wartung. Die hierfür erforderlichen Sensordaten werden meist nicht für die eigentlichen Automatisierungsaufgaben benötigt und seltener aktualisiert – sind dafür jedoch umfangreicher. Da sie häufig mit Daten aus anderen Quellen etwa in einer Cloud zentral zusammengeführt werden, sollten sie weltweit und in einem standardisierten Format vorliegen.

Ein Prinzip für jede Datenkommunikation

Wie sind aktuelle Sensoren auf diese Anforderungen vorbereitet? Jeder Sensortyp stellt unterschiedliche Datenmengen bereit, die Schnittstellen sind der jeweiligen Komplexität der Datenübertragung angepasst: einfache binär schaltende Sensoren geben Prozesswerte, Status- und Diagnosemeldungen über IO-Link weiter. Komplexere Sensoren mit höherer Funktionalität sind häufig in echtzeitfähige Feldbus-Netzwerke integriert. Sie stellen Prozess- und Alarmwerte sowie Status- und Diagnosemeldungen bereit und können über die Steuerung vollständig parametriert werden. Diese kurze Zusammenfassung zeigt: Aktuelle Sensoren werden den speziellen Anforderungen von Industrie-4.0-Anwendungen an die Datenkommunikation nicht gerecht.

Diese Problematik behebt Leuze Electronic mit einer neuen Erfindung: Mit dem sogenannten Dual-Channel-Prinzip können erstmals Daten getrennt und je nach Kundenforderungen verfügbar gemacht werden. Während über den ersten Sensorkanal die Daten zur Prozesssteuerung in Echtzeit übertragen werden, laufen über den zweiten die Informationen für das Monitoring und die Analyse der Maschine.

Ein Sensor, zwei Kanäle

Wie funktioniert Dual Channel in der Praxis? Bei einem binär schaltenden Sensor mit Anbindung an eine SPS etwa so: Wird z.B. der Kontrasttaster KRT18B in einer schnell laufenden Verpackungsmaschine eingesetzt, um eine exakte Schnittmarkenposition zu ermitteln, hängt von der Echtzeitfähigkeit des Schaltausgangs die Packqualität der Maschine ab. Daher wird der Schaltausgang des Kontrasttasters besser direkt an einen Aktor angeschlossen. Um ein Monitoring und die Analyse der Maschine zu ermöglichen, verfügt der Taster zusätzlich über eine IO-Link-Schnittstelle. Darüber können Prozesswerte beobachtet, Funktionsreserven bestimmt und Parametrierungen vorgenommen werden – oder Rezepturwechsel und Formatumstellungen. Mit einer klassischen IO-Link-Schnittstelle im SIO Mode (Standard IO Mode), der entweder das Schaltsignal oder auf Anforderung die Punkt-zu-Punkt Kommunikation mit dem Sensor erlaubt, ginge das nicht – erst das Dual-Channel-Prinzip ermöglicht die beschriebene Anwendung.

Gleiche Maschine mit Industrie-4.0-Funktionalität: Sollen die Daten z.B. für das Monitoring und zur Parametrierung anderen Automatisierungsteilnehmern in einer Cloud zur Verfügung stehen, ist nun statt der IO-Link-Verbindung zur SPS wie oben beschrieben eine Verbindung zu einem IO-Link-Koppelmodul mit Ethernet-Schnittstelle und OPC-UA-Kommunikationsprotokoll nötig. Die Cloud-Anbindung erfolgt etwa über ein IoT Edge Gateway.

Ergänzendes zum Thema

Drei Fragen an Ingo Baumgardt

Ingo Baumgardt ist Head of Sensor Communication bei der Leuze electronic GmbH + Co. KG

Wann lohnt sich der Einsatz von Dual-Channel-Sensoren?

Dual-Channel (= der zweite Kanal) wurde speziell dafür ausgeprägt, dass Anwender neben den notwendigen schnellen Prozesswerten auch dynamische, zeitlich eher unkritische Daten mit den Geräten austauschen können. Letzteres sind vor allem Diagnose- und Monitoringdaten, die über den Gerätezustand und damit indirekt über die Maschinenverfügbarkeit und -produktivität Auskunft geben. Die Kosten für einen ungeplanten Maschinenstillstand oder gar -ausfall relativieren schnell den geringen Mehraufwand auf der Geräteseite.

Verfügen die Sensoren tatsächlich über zwei getrennte Schnittstellen – für jeden Kanal eine?

Nein, das Dual-Channel-Prinzip benötigt keine zusätzliche physikalische Schnittstelle. Die Zusatzinformationen werden sowohl bei Verwendung von IO-Link als auch bei OPC UA über die vorhandene Leitung übertragen, so dass die kompakte Bauform heutiger Sensoren beibehalten werden kann.

Wie groß ist der Aufwand, wenn ich Dual-Channel-Sensoren in einer neuen Maschine einsetzen möchte oder eine bestehende Maschine nachträglich damit ausstatten?

Hier unterscheiden sich die beiden Konzepte etwas. Um einen heute binär schaltenden Sensor im Dual-Channel zu betreiben, muss die Maschinensteuerung um eine Kommunikation mit IO-Link erweitert werden. Hierzu werden typischerweise Masterbaugruppen eingesetzt, die in vorhandene EA-Systeme integriert werden können. Bei Maschinen, die heute schon Profinet als Prozessschnittstelle verwenden, beschränkt sich die Erweiterung um den Dual-Channel OPC UA auf ein Update des verwendeten Sensors, da die Daten über das vorhandene Netzwerk übertragen werden können.

Auch komplexe Sensoren werden unterstützt

Auch für komplexe Sensoren mit integrierter Feldbusschnittstelle bietet Leuze Electronic eine Dual-Channel-Lösung. Der Barcodescanner BCL 348i etwa bietet u.a. eine Profinet-Feldbusschnittstelle, über die prinzipiell Prozess- und Alarmwerte, Status- und Diagnosemeldungen und die Geräteparametrierung aus der Steuerung heraus vorgenommen werden. Für Cloud-Anwendungen stellt der Sensor Daten über seine Industrial-Ethernet-Schnittstelle mit dem OPC-UA-Kommunikationsprotokoll an. (jv)

Hannover Messe 2019: Halle 9, Stand F68

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