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Enabler der Konstruktion Sensordaten über zwei Kanäle gezielt bereitstellen

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

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(Bild: Leuze; ©ktsdesign - stock.adobe.com; [M]Grimm)

Die zunehmende Digitalisierung eröffnet in der Automatisierungstechnik ganz neue Möglichkeiten, die Produktivität und Effizienz von Maschinen und Anlagen zu steigern. Heute ist ein viel präziserer Blick in die Maschine möglich, als es in der Vergangenheit der Fall war. Man erhält detailliertere und zudem jederzeit verfügbare Zustandsinformationen der Maschine – und das nicht nur vor Ort, sondern auch Remote, also aus der Ferne und digital.

Allerdings bedeutet ein Mehr an Informationen eine immer größer werdende Datenmenge, um nicht zu sagen Datenflut, die es zu beherrschen gilt. Dies erfordert neue Strategien, Kompetenzen und zukunftsorientierte Technologien. Auf diese Herausforderung reagiert der Sensorspezialist Leuze mit smarten Sensoren. Smart meint in diesem Zusammenhang Sensoren, die einerseits relevante Echtzeit-Prozess­daten erfassen, andererseits viele Zusatzinformationen bereitstellen, deren Auswertung jederzeit Auskunft über den aktuellen Maschinenzustand geben kann.

Enabler der Konstruktion: Sensorik

Simulation, Leichtbau, smarte Komponenten – welche Entwicklungen werden sich durchsetzen? konstruktionspraxis hat mit den „Enablern der Konstruktion“ Unternehmen ausgezeichnet, deren Lösungen Konstruktion und Entwicklung nachhaltig verändern können.

Herausforderung: Industrie 4.0 ermöglicht neue Funktionen wie Rezepturwechsel, Formatumstellung oder vorausschauende Wartung. Die hierfür erforderlichen Sensordaten werden meist nicht für die eigentlichen Automatisierungsaufgaben benötigt und daher von herkömmlichen Sensoren selten bereitgestellt.

Lösung: Mit dem Dual-Channel-Prinzip von Leuze machen Sensoren erstmals Daten getrennt und je nach Kundenforderung verfügbar. 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 – ohne zusätzliche physikalische Schnittstelle.

Was bringt’s: Dank dem neuen Dual-Channel-Prinzip können Konstrukteure mit geringem konstruktiven und finanziellen Mehraufwand Maschinen auf Industrie-4.0-Applikationen und die Cloud-Anbindung vorbereiten, zum Beispiel für Predictive Maintenance oder Condition Monitoring.

Zwei Kanäle für unterschiedliche Daten

Mit dem Dual-Channel-Prinzip ist es möglich, Daten getrennt nach Verwendungszweck verfügbar zu machen. Ein Sensor, der das Dual-Channel-Prinzip einsetzt, stellt Daten für Steuerung und Monitoring parallel bereit.
Mit dem Dual-Channel-Prinzip ist es möglich, Daten getrennt nach Verwendungszweck verfügbar zu machen. Ein Sensor, der das Dual-Channel-Prinzip einsetzt, stellt Daten für Steuerung und Monitoring parallel bereit.
(Bild: Leuze electronic)

Damit diese unterschiedlichen Informationen auch den jeweiligen Adressaten erreichen – etwa die Prozesssteuerung, den Maschinenbetreiber oder den Support – bedarf es neuer Kommunikationstechnologien. Diese müssen zum einen ausreichende Bandbreite wie z.B. Industrial Ethernet-Schnittstellen zur Verfügung stellen, zum anderen Mehrkanaligkeit eröffnen. Nur so können die jeweiligen Daten gezielt zugestellt und weiterverarbeitet werden. Genau diese Voraussetzungen erfüllt das innovative Dual-Channel-Prinzip von Leuze: Es bietet einen echtzeitfähigen Prozessdatenkanal und einen bedarfsorientierten Informationskanal zum Austausch von Statusinformationen und Konfigurationseinstellungen.

Wie profitieren Industrie-4.0- oder IIoT-Anwendungen (Industrial Internet of Things) von diesem Zweikanal-Prinzip? In erster Linie geht es bei Industrie 4.0/IIoT darum, Daten und deren Austausch über alle Systemgrenzen hinweg bis in die Cloud zu standardisieren. Ein Großteil dieser Daten wird mit Hilfe von Sensoren generiert. Deren Aufgabe ist es, Prozessgrößen zu erfassen und in Form von Daten über eine oder mehrere Schnittstellen an die empfangenden Systeme zu übertragen.

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Neue Applikationen rücken in den Fokus

Durch die Themen Industrie 4.0 und IIoT rücken zusätzliche, durchaus auch neue Themen, wie zum Beispiel ein Rezepturwechsel, eine Formatumstellung oder die Zustandsüberwachung sowie die vorausschauende Wartung einer Maschine oder Anlage stärker in den Fokus. Die bei diesen Applikationen erforderlichen Daten sind zwar häufig nicht zwingend für die eigentliche Automatisierungsaufgabe notwendig. Sie helfen dem Anwender aber, Wartungen planbar zu machen. Präventive Wartungsintervalle erhöhen letztendlich die Verfügbarkeit seiner Maschine oder Anlage, da die Wartung durchgeführt werden kann, bevor seine Maschine oder Anlage überhaupt zum Stillstand käme und damit ein Produktivitätsverlust entstünde.

Dies zeigt: Typische Industrie-4.0/IIoT-Anwendungen haben ganz unterschiedliche Informationsbedarfe, die ohne besonderen Aufwand unter Einsatz der Dual-Channel-Technologie bedient werden können.

Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things verändern zudem die Kommunikationsinfrastruktur. So haben in der Vergangenheit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen der Steuereinheit und dem jeweiligen Sensor oder Aktuator die industrielle Automatisierung bestimmt. Derzeit überwiegt ein Master-Slave-Kommunikationsmodell. Das bedeutet, dass eine Steuereinheit meist über eine Leitung in Linientopologie mehrere Endgeräte bedient (Feldbusinstallation). Durch den Einsatz neuer Technologien erfolgt ein Übergang zu einer netzartigen oder sternförmigen Kommunikationsarchitektur, wie sie aus dem IT-Umfeld gewohnt ist.

Daten auf neuen Wegen

Seitdem die Schnittstellen zu Steuerungen zunehmend Ethernet-basiert und damit leistungsfähig genug sind, zwei Datenkanäle gleichzeitig zu bedienen, werden sie den Anforderungen der vernetzte Welt von Industrie 4.0 gerecht: Zwei Datenkanäle legen durch die integrierte Industrial Ethernet-Schnittstelle mit zusätzlichem TCP/IP-Kanal und der Möglichkeit ihrer Erweiterung für OPC-UA-Kommunikation hierfür die Basis – bis hin zu neuen Cloud-basierten Applikationen. An dieser Stelle ist die standardisierte IO-Technologie für Sensoren und Aktoren IO-Link nicht mehr wegzudenken. Diese einfache 3-Draht-Schnittstelle stellt alle Funktionen bereit, die für neue IIoT-Ansätze wie Asset Management oder Condition Monitoring benötigt werden. Sie kann kostengünstig auch in kleinste Devices integriert werden.

Ergänzendes zum Thema
Ganz auf industrielle Automatisierung und Safety eingestellt

Die Sensor People von Leuze sind seit über 50 Jahren Wegbereiter für Innovationen und technologische Meilensteine in der industriellen Automation. Zum Hightech-Portfolio des führenden Technologieanbieters zählen eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren für die Automatisierungstechnik. Zum Beispiel schaltende und messende Sensoren, Identifikationssysteme, Lösungen für die Datenübertragung und Bildverarbeitung. Einen weiteren Schwerpunkt setzt Leuze als Safety-Experte auf Komponenten, Services und Lösungen für die Arbeitssicherheit. Das Unternehmen konzentriert sich auf seine Fokusindustrien, in denen die Sensor People über tiefgreifendes, spezifisches Applikations-Know-How und langjährige Erfahrung verfügen: etwa Intralogistik und Verpackungsindustrie, Werkzeugmaschinen, die Automobilindustrie sowie die Labor Automation. Gegründet wurde Leuze 1963 an ihrem Stammsitz in Owen/Teck, Süddeutschland. Heute setzen sich weltweit über 1200 Sensor People für den dauerhaften Erfolg ihrer Kunden ein.

Über dem darf die originäre Messaufgabe der Sensoren nicht vergessen werden – zumal viele hochdynamische Applikationen ein hohes Maß an zeitlichem Determinismus an prozessrelevante Informationen stellen. Exakt diese Anforderung unterstützt das Dual Channel Prinzip von Leuze: Über den ersten Sensorkanal werden die Daten zur Prozesssteuerung in Echtzeit übertragen. Parallel dazu laufen über den zweiten Sensorkanal die Informationen für das Monitoring und die Analyse der Maschine. Die klassische IO-Link-Schnittstelle bei einem binär schaltenden Sensor kann dies nicht leisten. Sie erlaubt im SIO Mode (Standard IO Mode) ausschließlich ein Schaltsignal, bei aktiver Punkt-zu-Punkt-Kommunikation maximal den direkten Datenaustausch der Steuerung. Für die Prozesssteuerung aber sind beide Informationen parallel, mit unterschiedlichen Zeitanforderungen erforderlich.

Das Dual-Channel-Prinzip in der Praxis

Das Dual-Channel-Prinzip ist übrigens bei allen Sensoren mit einer oder mehreren integrierten Datenschnittstellen gleich – unabhängig von deren Komplexität.

So viel zur Theorie. Wie präsentiert sich das Dual-Channel-Prinzip nun in der Praxis? Auf diese Frage geben die nachfolgenden drei Anwendungsbeispiele eine Antwort.

1. Anbindung an die SPS

Dual Channel mit Anbindung an die SPS.
Dual Channel mit Anbindung an die SPS.
(Bild: Leuze electronic)

Der binär schaltende Kontrasttaster KRT 18B von Leuze erkennt in einer schnell laufenden Verpackungsmaschine die exakte Position von Druckmarken. Hier hängt die Packqualität der Maschine von der Echtzeitfähigkeit des Schaltausgangs am Kontrasttaster ab. Deshalb wird das Triggersignal vom Schaltausgang des Kontrasttasters nicht über die Steuerung verarbeitet, sondern direkt an den Aktuator angeschlossen. Dieser löst dann ohne zeitlichen Verzug direkt die Platzierung eines Etiketts aus.

Neben der schnellen Reaktionszeit der Maschine, ist das exakte Einlernen der Kontrastunterschiede zwischen Druckmarke und Hintergrund maßgeblich für den konstanten Betrieb der Maschine oder Anlage. Optische Kontrasttaster wie beispielsweise der beschriebene KRT 18B bieten die Möglichkeit, über mehrere Senderfarben das optimale Kontrastverhältnis für jedes Gebinde bzw. Etikett entsprechend zu ermitteln. Aus diesem Grund verfügt der KRT 18B zusätzlich zum schnellen Schaltausgang über eine IO-Link-Kommunikationsschnittstelle.

Über eine Teach-Routine werden die Senderfarben einmalig eingelernt und dann im jeweiligen Sensor oder der Steuerung gespeichert. Über IO-Link können dann definierte bzw. eingelernte Produkte aus dem Rezepturspeicher des Sensors jederzeit ausgewählt werden. Bei einem Formatwechsel der Maschine wird der komplette Konfigurationsdatensatz von der Steuerung übertragen. Dank dieser Funktionalität entfällt ein erneuter Teach-In-Prozess.

2. Industrie 4.0 und IIoT

Dual Channel und Industrie 4.0/IIoT bei einem binär schaltenden Sensor: Die Daten für Monitoring und zur Parametrierung gehen in die Cloud.
Dual Channel und Industrie 4.0/IIoT bei einem binär schaltenden Sensor: Die Daten für Monitoring und zur Parametrierung gehen in die Cloud.
(Bild: Leuze electronic GmbH)

Im Rahmen von Industrie 4.0 und IIoT müssen Daten möglichst ortsunabhängig und weltweit anderen Automatisierungsteilnehmern zur Verfügung stehen. So zum Beispiel für das Monitoring und zur Parametrierung. In der Regel werden hierfür Cloud-Lösungen gewählt. Sofern die identischen Voraussetzungen wie oben beschrieben gegeben sind, kann – statt der direkten IO-Link-Verbindung zur SPS – die Verbindung über ein dezentrales IO-Link-Koppelmodul mit Ethernet-Schnittstelle und OPC-UA-Kommunikationsprotokoll erfolgen. Die Daten werden dann etwa über ein IoT-Edge-Gateway an die Cloud angebunden.

Sichere Erkennung transparenter Objekte mit den Reflexionslichtschranken PRK 3C, PRK 55 oder PRK 18B.
Sichere Erkennung transparenter Objekte mit den Reflexionslichtschranken PRK 3C, PRK 55 oder PRK 18B.
(Bild: Leuze electronic)

Hierzu ein praktisches Anwendungsbeispiel aus dem Bereich der Flaschenabfüllung: Transparente Objekte wie zum Beispiel Glas- oder PET-Flaschen müssen auf einem Transportband auch bei schwierigen Umweltbedingungen – Beschlag, Wasserdampf oder Verschmutzung – im laufenden Prozess sicher erkannt werden. Durch den Einsatz einer Reflexionslichtschranke für transparente Objekte mit IO-Link wie beispielsweise die Leuze-PRK 3C, PRK 55 oder PRK 18B werden solche Umwelteinflüsse erkannt und entsprechend analysiert, sodass die Maschinensteuerung reagieren kann. Auch in diesem Fall wird ein schnelles Triggersignal benötigt. Beispielweise um eine Inspektionskamera zu triggern oder mangelhafte Teile auszuschleusen.

Neben dem komfortablen Teach-In mittels IO-Link kann über den zweiten Kanal eine einfache, aber effektive Verschmutzungsüberwachung realisiert werden. Hierfür kann der Empfangspegel des Sensors mit der eingestellten Schaltschwelle jederzeit verglichen und so eine Reduktion der Funktionsreserve erkannt werden. Wird diese Information, zum Beispiel über das OPC-UA-Interface des IO-Link-Koppelmoduls, an den Service-Verantwortlichen der Maschine oder Anlage übermittelt, lassen sich aus deren Analyse die jeweils notwendigen Reinigungsmaßnahmen ableiten und störungsfrei in Produktionspausen einplanen (Predictive Maintenance).

3. Sensoren mit Feldbusschnittstelle

Dual Channel und Industrie 4.0/IIoT beim Sensor mit Feldbusschnittstelle.
Dual Channel und Industrie 4.0/IIoT beim Sensor mit Feldbusschnittstelle.
(Bild: Leuze electronic)

Auch bei komplexeren Sensoren mit integrierter Feldbusschnittstelle bietet Leuze dem Anwender eine Dual-Channel-Lösung. So besitzt beispielsweise der Barcodescanner BCL 348i primär eine Profinet-Feldbusschnittstelle. Über diese können Prozess- und Alarmwerte, ausführliche Status- und Diagnosemeldungen sowie die vollständige Geräteparametrierung aus der Steuerung heraus vorgenommen werden.

Sollen die Daten für eine Monitoring-Applikation ortsunabhängig und global zur Verfügung stehen, bietet der Sensor diese Möglichkeit über seine Industrial-Ethernet-Schnittstelle mit dem OPC-UA-Kommunikationsprotokoll an. Über einen integrierten Cloud-Connector oder ein IoT-Edge-Gateway können die Daten dann bis in eine Cloud-Applikation transportiert werden. (jv)

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