Dank integrierter Konnektivität wird der Sensor wird zum Wegebereiter für die Industrie 4.0, die Sensorik zur Datenquelle für Service- und Big-Data-Ansätze, verbunden mit erhöhter Datentransparenz.

Wenn es um digitale Wertschöpfung und neu gestaltete Geschäftsmodelle im Zuge der Industrie 4.0 geht, entwickelt sich die Optosensorik immer stärker zum Wegbereiter. Cloud-Dienste ermöglichen im zweiten Schritt den globalen Zugriff auf Daten, deren gründliche Analyse Unternehmen Zusatznutzen und langfristige Wettbewerbsvorteile bieten kann. Allerdings nur dann, wenn der deutsche Tellerrand bei der Umsetzung nicht die Grenze bleibt.

Cloud-Verfügbarkeit ist ein Muss

„Dass Prozess- und Diagnosedaten aus der Feldebene in verschiedene Ebenen bis in die Leitebene durchgereicht werden, ist nicht mehr neu, so Dr. Henning Grönzin, Director of Research & Development bei Leuze electronic. Hierfür bieten wir bereits Lösungen, beispielsweise mit der IO-Link-Schnittstelle und mit unserer so genannten integratedconnectivity, integrierten Feldbusschnittstellen. Für eine weitreichende Industrie 4.0-Implementierung müssen wir uns aber der Herausforderung stellen, die Daten künftig parallel zur Steuerung auch in der Cloud verfügbar zu machen. Der Sensor wird zum Wegbereiter für Industrie 4.0, die Sensorik zur Datenquelle für Service- und Big-Data-Ansätze, verbunden mit einer erhöhten Datentransparenz. Ziel unseres Konzepts Smart Sensor Business 4.0 ist es, für einen erhöhten Applikationsnutzen unserer Kunden zu sorgen.“

Der zweite Kanal

Eine wichtige Rolle bei der Industrie 4.0-Implementierung spielt der zweite Kanal. Die Aufgabe eines Sensors besteht darin, Sensordaten aufzunehmen und über die Schnittstelle nach außen zu übermitteln. Bei einfachen binär schaltenden Sensoren ist das meist nur ein Schaltbit, bei distanzmessenden Sensoren wird als Schnittstelle oft ein Analogausgang verwendet. Bei Absolutwertgebern werden die Positionsinformationen in der Regel über serielle Schnittstellen wie zum Beispiel SSI übertragen. Alle diese Schnittstellen sind ausschließlich dafür geeignet, Prozessdaten zu übermitteln.

Grundlegende Aufgabenstellungen auf dem Weg Richtung Industrie 4.0 sind die Themen Diagnose und Rezepturwechsel, beziehungsweise Formatumstellung bei der Parametrierung der Maschine im Produktionsbetrieb. Dafür ist es nötig, Diagnose- und Parametrierdaten mit dem Sensor auszutauschen. Eine Möglichkeit hierfür ist, in den Sensor eine Kommunikationsschnittstelle zu implementieren. Je nach Leistungsbedarf und Budget kann das eine Feldbusschnittstelle, wie beispielsweise Profinet, oder eine standardisierte serielle Kommunikationsschnittstelle wie IO-Link sein. Über diese Schnittstellen werden sowohl die Prozess- wie auch die Diagnose- und Parametrierdaten mit der Steuerung ausgetauscht. Das ist ein erster Schritt in Richtung verbesserter Datentransparenz - und damit ein Schritt in Richtung Industrie 4.0.

Dual-Channel-Betrieb

Schwieriger wird es mit der Datentransparenz, wenn es sich um Sensoren handelt, die normalerweise nicht an eine Steuerung angeschlossen sind. Das ist meist der Fall, wenn die hohen Echtzeitanforderungen die Kommunikation über die Steuerung nicht zulassen. Beispiele dafür sind der Kontrasttaster oder Absolutwertgeber.

Bei einem Kontrasttaster liegt die Ansprechzeit typischerweise im Bereich 20 – 50 μs. Sie ist damit um zwei bis drei Größenordnungen kürzer als typische Reaktionszeiten von Feldbussen und Steuerungen. Diese extrem kurze Ansprechzeit und ein kleiner Jitter werden benötigt, um in schnell laufenden Verpackungsmaschinen eine exakte Schnittmarkenposition zu ermitteln, um dadurch eine hohe Packqualität zu erreichen. Aus diesem Grund wird der Schaltausgang eines Kontrasttasters meist nicht an die Steuerung, sondern direkt an ein Ventil oder einen Antrieb angeschlossen. Um trotzdem die Möglichkeit eines automatischen Rezepturwechsels zu schaffen, sind moderne Kontrastsensoren wie zum Beispiel der KRT 18B mit einer Dual-Channel-Schnittstelle ausgestattet. Neben dem schnellen Schaltausgang haben die Sensoren eine IO-Link-Kommunikationsschnittstelle, die eine Kommunikation mit der Steuerung und damit eine Diagnose und Parametrierung über das SPS-Programm zulässt.

Auch bei Absolutwertgebern führen die hohen Echtzeitanforderungen dazu, dass die Positionsdaten in der Regel direkt an einen Motortreiber übertragen werden und nicht über die Maschinensteuerung laufen. Auch hierfür bietet Leuze electronic Dual-Channel-Lösungen: zum Beispiel ist das optische Lasermesssystem AMS 300 mit einer SSI-Schnittstelle ausgestattet, die eine schnelle Übertragung der Positionswerte an den Frequenzumrichter und somit eine hochdynamische Positionierung ermöglicht. Parallel dazu gibt es eine Feldbusschnittstelle, die Daten für eine einfache Diagnose und Parametrierung mit der Maschinensteuerung austauscht. Durch den Dual-Channel-Betrieb erfüllen die Sensoren die Echtzeitanforderungen und lassen trotzdem Diagnose und Parametrierung aus der Steuerung heraus zu.

OPC UA als zweiter Kanal

OPC UA ist eine weitere Form eines zweiten Kanals für Sensoren. Im Gegensatz zu der ursprünglichen Bezeichnung OPC steht OPC UA für eine plattformübergreifende Implementierung und ist damit nicht mehr an Windows-Plattformen gebunden, sondern kann auch auf Embedded-Systemen, wie sie üblicherweise in Sensoren vorkommen, implementiert werden. Zudem lassen sich Daten, die auf dem OPC UA-Informationsmodell basieren, mit den OPC UA Protokollen über alle Ethernet-basierenden Busschnittstellen wi Profinet oder EtherCat übertragen. Des Weiteren beinhaltet OPC UA Sicherheitsfunktionen, die aus Authentifizierung, Autorisierung, Verschlüsselung und Datenintegrität mit Signaturen bestehen. Da-mit erlaubt OPC UA eine sichere Kommunikation.

Von der Feldebene der Automatisierungspyramide kann OPC UA über zwei unterschiedliche Mechanismen in höhere Schichten kommunizieren. Entweder über eine Client/ Server-Kommunikation oder über ein Publisher-Verfahren. Bei der Client/ Server-Kommunikation wird in der Datenquelle, wie einem Sensor, ein OPC UA Server integriert, der Daten an einen Datenabnehmer liefern kann. Beim Publisher-Verfahren wird ein UPC UA Publisher in der Datenquelle integriert. Dieser Publisher kann dann verschiedenen Datenabnehmern seine Daten zur Verfügung stellen. Gibt es mehr als eine Datenquelle bzw. Sensoren im System, kann der Datenabnehmer entscheiden, an welchen Daten von welchem Publisher er interessiert ist. Der Abnehmer muss damit nicht immer die Daten aller Publisher empfangen. Über dieses Verfahren ist zum einen eine Kommunikation von m-Datenquellen zu n-Datenabnehmern möglich. Zum anderen kann sich eine Datencloud interessante Daten direkt von der Datenquelle holen. Auch in der gegengesetzten Richtung, von der Cloud in den Sensor, wird in Zukunft eine Kommunikation möglich sein.

Da Industrie 4.0 und IoT für den Austausch von Daten zwischen erfassenden und agierenden Einheiten (Sensoren und Aktoren) über alle Systemgrenzen hinweg steht, ist OPC UA ein wichtiger Bestandteil von Industrie 4.0.