Sensoren als Datenlieferanten für Industrie 4.0

Sensoren als Datenlieferanten für Industrie 4.0
Grossansicht Bild
Der Allrounder BOS 21M ADCAP bietet ein umfangreiches Funktionsportfolio
29.06.2020 | Informationen erzeugen, transportieren und verarbeiten sind zentrale Prozesse im Industrie 4.0 Umfeld. Basis für alle Informationen sind dabei intelligente Sensoren vor Ort, die den erforderlichen Input liefern. Ihre primäre Aufgabe ist die Abbildung der Realität. Die SPS einer Anlage oder Maschine nutzt dann die erzeugten Daten zur Steuerung von Prozessen.

Das Positionsfeedback eines Greifers z.B., also Spannbacken „offen oder „geschlossen“, ermöglicht dann beispielsweise einem Roboter, ein Teil gezielt greifen zu können.

Derzeit liefern die meisten Sensoren noch ein binäres oder analoges Ausgangssignal. Dies wird sich ändern, denn Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle sind auf dem Vormarsch. Dies ist nicht verwunderlich, schließlich bietet die standardisierte, digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung Anlagenherstellern und -betreibern vielfältige Vorteile. So sorgt das Interface unterhalb der Feldebene für einen unkomplizierten, bidirektionalen Signal- und Datenaustausch. Außerdem vereinfacht es als ein nach IEC 61 131-9 international zertifizierter Standard Installations- und Verkabelungsprozesse deutlich, denn in Verbindung mit einem IO-Link-Master genügt für alle Kommunikationsaufgaben eine gewöhnliche, ungeschirmte, dreiadrige Standardleitung. Dabei ist IO-Link auch noch abwärtskompatibel zu sämtlichen Standardsensoren und unempfindlich gegenüber Störeinflüssen. Jegliche Art von Sonderleitungen sowie zusätzliche Anschaltboxen entfallen - kein Klemmen mehr, nur noch M-12-Stecker setzen und die Geräte sind nach dem Einbau sofort einsatzfähig.


IO-Link lässt sich dank einer einheitlichen Gerätebeschreibung so einfach wie USB beim Computer nutzen. In der sogenannten IODD (IO Device Description) sind alle Funktionen der Geräte abgebildet. Während man sich diese früher noch von der Homepage des Geräteherstellers heruntersuchen musste, kann der Anwender sie sich in der Regel heute bequem vom IODD-Portal der IO-Link-Community herunterladen, was eine deutliche Zeitersparnis darstellt.


Mit IO-Link lassen sich intelligente Diagnose- und Parametrierkonzepte bis auf Feldebene umsetzen, wie sie das Konzept von Industrie 4.0 vorsieht. So können über IO-Link Schaltpunkte aus der SPS heraus geändert oder Konfigurationen angepasst werden. Außerdem bietet der herstellerunabhängige Standard die Möglichkeit, eindeutig die Herkunft der Daten anhand zweier ID-Felder, die im Sensor hinterlegt sind, sicherzustellen. IO-Link gibt den Sensoren Gehör, eine Stimme und eine Identität.


IO-Link kann aber noch weit mehr. So zeigt die Firma Balluff eindrucksvoll auf, wie mittels eines Software Tools der direkte Zugriff auf die unterste Geräteebene möglich wird. Von nahezu jedem beliebigen Ort aus und parallel zum Steuerungssystem lassen sich sämtliche IO-Link Prozessgeräte in einer Anlage zentral über verschiedene Schnittstellen wie UDP und TC/IP bzw. Protokolle wie http, SNMP …überwachen, parametrieren und testen. Ein konsequenter Schritt in Richtung flexibler Produktionsprozesse und eines integrierten Netzwerkmanagements.


IO-Link ist die perfekte Ergänzung zu Ethernet und den Feldbussen bezüglich Datendurchgängigkeit bis zum letzten Meter, denn für die große Heerschaar an einfachen, schaltenden Sensoren rechnet sich eine direkte Anbindung übers Internet an IT-Systeme nicht. Es wäre viel zu teuer, sie mit einer Ethernet-Schnittstelle auszustatten
Zudem sind Anwender mit IO-Link unabhängig vom Markt und länderspezifischen Bedingungen, Gegebenheiten und Steuerungssystemen. IO-Link unterstützt ja von sich aus die verschiedenen Feldbussysteme.

Zusatzinformationen in Echtzeit bieten Mehrwert


Die zunehmende Digitalisierung benötigt intelligente Sensoren, um Anlagenmodelle mit Echt-Daten anzureichern und Klarheit über Anlagen- und Produktionsstatus zu haben. Auch hier kann IO-Link punkten. Dazu müssen die „Augen und Ohren“ der Automatisierung allerdings Zusatzinformationen liefern, die über ihre primäre Funktion hinausgehen. Das sind neben Daten zur Lebensdauer, dem Belastungsniveau, Schadenserkennung auch Umgebungsinformationen wie Temperatur, Verschmutzung oder die Güte der Ausrichtung auf das zu erkennende Objekt. Auch hier kann IO-Link punkten.


Einen solchen Allrounder bietet Balluff mit dem optoelektronischen Sensor BOS 21M ADCAP. Der vielseitige Multifunktionssensor arbeitet mit Rotlicht und erlaubt die Wahl zwischen vier Sensormodi: Hintergrundausblendung, energetischer Lichttaster, Reflexionslichtschranke oder Einweglichtschranke. Alle Funktionen lassen sich über IO-Link auch im laufenden Betrieb konfigurieren, so dass ein Remote-Teach-In über die Steuerung ausgelöst werden kann. Darüber hinaus erfasst er weit mehr Daten als nur das reine Schaltsignal. Detektionssignale werden schon im Sensor aufbereitet und vorverarbeitet. Das entlastet die Anlagensteuerung und reduziert den Datenverkehr auf den Feldbussystemen. Umfangreiche, smarte Diagnosefunktionen liefern wichtige Informationen etwa beispielsweise zu Lebensdauer, Betriebsstunden und Funktionsreserve. Zunehmende Verschmutzung, Sensor-Dejustage, Einstellungsfehler oder andere Unregelmäßigkeiten lassen sich so frühzeitig durch die Überwachung der Lichtremissionswerte - als Maßstab für die Güte des Sensorsignals - zuverlässig erkennen.

Formatwechsel automatisieren


Nutzt man solche Industrie-4.0-fähigen Sensoren lassen sich Maschinen und Anlagen auch wesentlich effizienter automatisieren und steuern. Ein Beispiel dafür ist eine Verpackungsanlage, auf der Produkte von unterschiedlicher Größe, also unterschiedlichen Formaten, zu verpacken sind. Bei einer konventionellen Anlage müssen bei jedem Formatwechsel die Schienen und Führungen zumeist händisch angepasst bzw. ausgetauscht werden und die Schaltpunkte der Sensoren sind manuell direkt am Sensor einzustellen. Dies alles ist zeitaufwändig und teilweise auch fehleranfällig. Sind jedoch IO-Link-Sensoren verbaut, können diese von der SPS aus direkt auf das neue Format parametriert werden. Im besten Falle geschieht dies automatisch gesteuert durch eine Formaterkennung. Die gleiche Vorgehensweise gilt dann in einem zweiten Schritt auch für Führungen und Schienen, sofern sie mit elektrischen Antrieben ausgestattet sind.


Es wird aber nicht nur die Funktionsvielfalt bei den Sensoren insgesamt zunehmen, auch die Anzahl der Sensoren selbst wird im Zuge von Industrie 4.0 rasch anwachsen. Dort, wo früher nur die SPS aus den Informationen eine Aktion abgeleitet hat, kommt mehr und mehr auch noch die IIOT-Welt hinzu. Auch hier ist eine große Anzahl von Variablen aus dem Feld, also aus dem Innersten der Prozesse, mit Sensoren zu erfassen und zu analysieren, um die Abläufe ganzheitlich betrachten zu können.

Big Data als Herausforderung

Big Data als Herausforderung
Grossansicht Bild
Selbstdiagnose erhöht Anlagensicherheit in schwieriger Umgebung

Dabei fallen allerdings Datenvolumina an, die zu groß, zu komplex, zu vergänglich oder zu wenig strukturiert sind, um sie mit manuellen und herkömmlichen Methoden der Datenverarbeitung auswerten zu können. Es sind also Verfahren gefragt, mit denen Big Data auf einfache Art und Weise interpretiert werden können: Außerdem sind Mechanismen zu ihrer Übermittlung und Vorverarbeitung erforderlich.


Ein induktiver Sensor für sich genommen beispielsweise, erzeugt bislang in der Regel einen Zustandswert, etwa „Teil da“ oder „Teil nicht da“. Um diese Information sinnvoll interpretieren zu können, muss man auf Seiten von Big Data wissen. Wer hat mir wo und wann diese Informationen zur Verfügung gestellt? Darüber hinaus müssen frühere und spätere Werte in die Betrachtung miteinbezogen werden. Erst dann, wenn diese Informationen dem Zustandswert angehängt werden, können diese in eine sinnvolle Analyse miteinbezogen werden

Mit OPC-UA- Daten in übergeordnete Systeme einbinden


Ohne eine hersteller- und plattformunabhängige Vernetzung von Geräten und Anlagen ist Industrie 4.0 nicht umzusetzen. OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) ist genau dafür konzipiert. Das Protokoll basiert auf dem Client-Server-Prinzip und gilt als ideales Kommunikationsprotokoll für die Umsetzung von Industrie 4.0. Für IO-Link ist eine feldbusunabhängige Einbindung über OPC UA sehr interessant, da sich damit das Spektrum möglicher Automatisierungslösungen noch steigern lässt: IO-Link Master oder Edge-Gateways, die die Daten von Sensoren und Aktoren bündeln, können diese Daten nicht nur als Feldbus-Teilnehmer verarbeiten, sondern über OPC UA auch übergeordneten Ebenen innerhalb und außerhalb der Automatisierungspyramide zur Verfügung stellen. Auf diese Weise lassen sich Sensordaten dann auch mit wenig Aufwand und nahtlos in MES- und ERP-Systeme einbinden, was oft als „Sensor-to-Cloud“-Funktionalität bezeichnet wird. Für viele Anwendungen bedeutet diese Öffnung zu OPC UA neue Flexibilität im Einsatz von Sensoren und Aktoren.


Eine solche Datenübertragung vom Feld- in die Leitebene ist natürlich nicht etwas grundsätzlich Neues, sondern hat es auch schon früher gegeben. So sind bei zahlreichen RFID-Anwendungen die Daten nicht nur für eine Steuerung, sondern auch für ein MES- oder ERP-System gedacht gewesen. Schließlich findet dort Auswertung, Datenerfassung und Rückverfolgung der Produktionsdaten statt. Allerdings sind diese Informationen bisher über die SPS ins IT-System gelangt, was mit einem entsprechenden Programmieraufwand verbunden war.
 
Heute verfügt man mit IO-Link über eine besonders schlanke und elegante Alternative.
Und so hat die IO-Link-Community, um zukünftig IO-Link-Devices und IO-Link-Master entsprechend in OPC UA repräsentieren zu können, die Companion Spezifikation „OPC-UA for IO-Link“ als Standard für das Daten- und Funktionsmodell ausgearbeitet, einem Review durch die IO-Link-Community und der OPC Foundation unterzogen und als finale Version V1.0 verabschiedet. Erste Implementierungen und Beispiele waren dann bereits auf der SPS IPC Drives 2018 zu sehen.
 
Produktionsprozesse für Industrie 4.0 datensicher gestalten


Wie eine Kommunikation sicher gestaltet werden kann, hat Balluff mit Partnerunternehmen im Forschungsprojekt IUNO an einer RFID-Applikation aufgezeigt. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderter Forschungsprojekt ist ein nationales Referenzprojekt zur Industrie 4.0-IT-Sicherheit. Am Beispiel einer Möbelproduktion untersuchten die Beteiligten die einzelnen Prozessschritte von der Produktentwicklung über die Produktplanung und Produktion bis hin zum Service. Daraus konnten sie entsprechend Schutzmaßnahmen ableiten und exemplarisch umsetzen.
 
Dabei stellten die Forscher zwei Risiken in den Vordergrund: Zum einen die Bedrohung durch Hacker, zum anderen die Herausforderung, dass ein Werkstück jederzeit den richtigen Weg durch die Fertigung finden muss und dabei immer sicher zu identifizieren sein muss. Problem dabei: herkömmliche RFID-Tags sind in der Regel nicht datensicher. Unbefugte können sie abhören oder manipulieren
 
Die Lösung: Balluff hat ein OPC UA RFID-Lesegerät mit Secure Element von WIBU-Systems, einem Spezialisten für Schutz und Lizenzierung von Software und Dokumenten, entwickelt. Zum Einsatz kommt dabei das OPC-UA Protokoll mit einer End-to-End-Verschlüsselung. Dafür wurde das intelligente BIS U-6127 UHF Long Range RFID-Lesegerät von Balluff um das Secure Element CmASIC von Wibu-Systems ergänzt, um die Kommunikation vom RFID-Lesegerät zu anderen Systemen zu sichern. Die Daten auf dem RFID-Tag werden digital signiert und wahlweise verschlüsselt. Auf diese Weise kann die Authentizität der Daten des RFID-Tags geprüft werden, über den Schlüssel, der sich im CmASIC direkt im RFID-Lesegerät befindet. Das neue Lesegerät verhindert so wirkungsvoll das Ausspähen von Daten oder deren Manipulation in der Produktion.


Fragen und Kommentare (0)