Was bedeuten Digitalisierung und Industrie 4.0 eigentlich? In erster Linie geht es bei Industrie 4.0 oder Industrial Internet of Things (IIoT) darum, Daten und deren Austausch über alle Systemgrenzen hinweg bis in die Cloud zu standardisieren. Ein Großteil dieser Daten wird mithilfe von Sensoren generiert. Deren Aufgabe ist es, Prozessgrößen zu erfassen und über die Schnittstelle(n) an abnehmende Systeme zu übertragen. Diese Prozessdaten sind die originären Daten zur Lösung der eigentlichen Automatisierungsaufgabe. Je nach Sensortyp steht eine unterschiedliche Menge an Daten zur Verfügung. Dabei werden solche Schnittstellen eingesetzt, die der Komplexität der Datenübertragung am besten angepasst sind: einfache binär schaltende Sensoren übertragen den Prozesswert, Status- und Diagnosemeldungen über die IO-Link-Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsschnittstelle. Komplexere Sensoren mit einer höheren Funktionalität sind häufig in echtzeitfähige Feldbusnetzwerke integriert. Sie übertragen auch mehrere Prozess- und Alarmwerte sowie Status- und Diagnosemeldungen und können über die Steuerung auch vollständig parametriert werden. Durch Industrie 4.0 rücken andere Themen wie beispielsweise Rezepturwechsel und Formatumstellung sowie Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung stärker in den Fokus. Die dort erforderlichen Daten sind häufig nicht zwingend für die Automatisierungsaufgabe notwendig, helfen dem Anwender aber wohl mit planbaren präventiven Wartungsintervallen, die Verfügbarkeit seiner Anlage zu erhöhen. Die neuen Industrie-4.0-Ansätze führen Daten aus unterschiedlichsten Quellen an einer zentralen Stelle, zum Beispiel in einer Cloud, zusammen. Damit entsteht ein anderer, erweiterter Kommunikationscharakter.
Das Dual-Channel-Prinzip
Diesen unterschiedlichen Kommunikationscharakter unterstützt Leuze electronic mit dem Dual-Channel-Prinzip. Während über den ersten Sensorkanal die Daten zur Prozesssteuerung in Echtzeit übertragen werden, laufen über den zweiten Sensorkanal die Informationen für das Monitoring und die Analyse der Maschine.
Betrachtet man beispielsweise den Kontrasttaster KRT18B, der in einer schnelllaufenden Verpackungsmaschine eingesetzt wird, um eine exakte Schnittmarkenposition zu ermitteln, dann hängt von der Echtzeitfähigkeit des Schaltausgangs die Packqualität der Maschine ab. Aus diesem Grund wird der Schaltausgang eines Kontrasttasters besser nicht über eine Steuerung geschleift, sondern direkt an einen Aktor angeschlossen. Um dennoch die Möglichkeit für das Monitoring und die Analyse der Maschine zu schaffen, verfügt der Kontrasttaster zusätzlich zum schnellen Schaltausgang über eine IO-Link-Kommunikationsschnittstelle. Darüber können der Prozesswert beobachtet, die Funktionsreserve bestimmt und Parametrierungen vorgenommen werden. Sie unterstützt zudem den Kunden beim Rezepturwechsel oder bei der Formatumstellung.
Im Rahmen von IIoT und Industrie 4.0 müssen Daten zum Beispiel für das Monitoring und zur Parametrierung möglichst ortsunabhängig und weltweit anderen Automatisierungsteilnehmern zur Verfügung stehen. In der Regel erfolgt dies über Cloudlösungen. Gelten die identischen Voraussetzungen wie zuvor beschrieben, so ist statt der IO-Link-Verbindung zur SPS eine solche Verbindung zu einem IO-Link-Koppelmodul mit Ethernet-Schnittstelle und OPC-UA-Kommunikationsprotokoll notwendig. Die Anbindung an die Cloud erfolgt dann beispielsweise über ein IoT Edge Gateway.
Sensoren mit Feldbusschnittstelle
Bei komplexeren Sensoren mit integrierter Feldbusschnittstelle bietet Leuze electronic ebenfalls eine Dual-Channel-Lösung. So besitzt beispielsweise der Barcodescanner BCL 348i u. a. eine Profinet-Feldbusschnittstelle. Über diese können prinzipiell Prozess- und Alarmwerte, ausführliche Status- und Diagnosemeldungen und die vollständige Geräteparametrierung aus der Steuerung heraus vorgenommen werden. Sollen die Daten zum Monitoring jedoch ortsunabhängig und global zur Verfügung stehen, so bietet der Sensor diese über seine Industrial Ethernet Schnittstelle mit dem OPC-UA-Kommunikationsprotokoll an. Über einen integrierten Cloud-Connector oder ein IoT Edge Gateway können diese bis in eine Cloudapplikation transportiert werden.
Vorteile des Dual-Channel-Prinzips
Themen wie Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) oder vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance), die im Rahmen von IIoT und Industrie 4.0 intensiv diskutiert werden, erfordern Sensoren, die in der Lage sind, Daten weltweit und in einem standardisierten Format zur Verfügung zu stellen. Dabei muss generell unterschieden werden, welche Anforderungen hinsichtlich Echtzeitfähigkeit bestehen. Mit dem Dual-Channel-Prinzip ist es möglich, Daten getrennt und je nach Anwenderforderungen verfügbar zu machen. Über Kanal 1 werden Daten mit Echtzeitanforderung, über Kanal 2 Daten zur Prozessbeobachtung und zur Parametrierung übertragen.
Die klassische IO-Link-Schnittstelle beim binärschaltenden Sensor, die im SIO Mode (Standard IO Mode) entweder das Schaltsignal oder auf Anforderung die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit dem Sensor erlaubt, kann das allein nicht leisten. Für die Steuerung des Produktionsprozesses ist die hochdynamische Schaltfunktion als Triggerinformation erforderlich. Trotzdem muss es für den Anwender möglich sein, zum Beispiel in einem Kontrasttaster Prozesswert, Schaltreserven zu den Schwellwerten oder Verschmutzungszustand kontinuierlich und online im Packprozess einer Verpackungsmaschine auswerten zu können, um Abweichung vom Sollzustand frühzeitig zu erkennen. Genau dabei hilft das Dual-Channel-Prinzip.
Bei Sensoren mit Feldbussen sind Echtzeitfähigkeit und Daten zum Monitoring und zur Parametrierung zumindest bei Echtzeit-Ethernet-Schnittstellen verfügbar. Allerdings nur lokal und nicht ortsunabhängig und weltweit zugänglich. Und meist werden die Informationen, die ein Sensor für die Zustandsüberwachung oder vorausschauende Wartung liefert, nicht ausgewertet. Auch hier bietet also das Dual-Channel-Prinzip die passende Lösung.
Suchwort: dei0619leuze
Autor: Ingo Baumgardt
Head of Sensor
Communication,
Leuze electronic
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