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Sensorik 4.0: Fokus auf den 2. Kanal

Jeder intelligente Sensor benötigt eine Möglichkeit, Prozessdaten an eine übergeordnete Intelligenz zu übergeben. Eine – wie bislang üblich – einkanalige Datenausgabe wird dem Thema Industrie 4.0 nicht mehr gerecht.

Sensor mit zweitem Kanal, Leuze Bildquelle: © Leuze

Ziel von Industrie 4.0 ist es, die Prozesse sowohl in der Fertigung als auch im Warenfluss effektiver, schneller und sicherer zu machen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die klassische, streng hierarchisch aufgebaute Automatisierungspyramide aufgebrochen werden. Diese besteht üblicherweise aus verschiedenen und voneinander getrennten Ebenen: der Feldebene (Ein-/Ausgangssignale), der Steuerung (SPS), der Prozessleitebene (SCADA), der Betriebsleitebene (MES) und der Unternehmensleitebene (ERP).

Eine wesentliche Voraussetzung für Industrie 4.0 ist, dass der Datenfluss nicht nur in einer Ebene möglich ist. Vielmehr gilt es, einen bidirektionalen Zugriff durch und zwischen allen Ebenen zu realisieren. Technisch machbar ist dies zwar heute schon, bedeutet aber in jeder Ebene einen hohen Aufwand, um die Daten von einer Ebene an die nächste zu übergeben.

Was bedeutet dies nun konkret für die Sensorik? Jeder intelligente Sensor, der in irgendeiner Form Prozess­daten wie beispielsweise Mess- und Positionsdaten oder Code-Informationen ermittelt, übergibt bereits heute seine Daten an eine übergeordnete Intelligenz. Neu ist, dass die Sensoren künftig parallel dazu auch Diagnosedaten etwa an ein ERP-System schicken werden, um zum Beispiel einen bevorstehenden Ausfall zu melden, mit dem Ziel, eine rechtzeitige Überprüfung des Sensors zu aktivieren, bevor dieser keine Daten mehr liefert.

Datenfluss der Automatisierungspyramiede, Leuze Bildquelle: © Leuze

Bezeichnend für Industrie 4.0 ist der Datenfluss durch alle Ebenen der Auto­matisierungspyramide bis in die Cloud.

Um all dies zu gewährleisten, müssen in sämtlichen Ebenen Systeme verfügbar sein, die beide Kanäle bedienen können. Der Sensor muss dementsprechend sowohl seine Prozessdaten in der horizontalen Ebene an die SPS übergeben können, als auch in der Lage sein, in der vertikalen Ebene im Sinne von Condition Monitoring eine Vor-Ausfallmeldung abzusetzen. 

Um beide Kommunikationsebenen zeitgleich und unabhängig voneinander bedienen zu können, muss der ­Sensor bereits in der Hardware die grundlegenden Technologien hierfür mitbringen. Da ausschließlich Ethernet die erforderliche zweikanalige Kommunikation ermöglicht, sollen im Folgenden auch nur solche Sensoren und Systeme betrachtet werden, die mehr als nur binäre Daten zur Verfügung stellen, wie zum Beispiel Mess-, Positionier- oder Identifikationsdaten.

Industrie-4.0-fähige Sensoren sind von der Prozessortechnologie her dual aufgebaute Systeme. Das bedeutet, dass sich ein Prozessor um die Berechnung und Auswertung der Daten kümmert; der zweite beschäftigt sich maßgeblich damit, die gewonnenen Daten an der Schnittstelle zur Verfügung zu stellen. Ob dies in nur einem Prozessor ­geschieht oder ob tatsächlich zwei ­getrennte Prozessoren zum Einsatz kommen, hängt sehr stark von der geforderten Performance der Produkte ab. 

Wenn ein Sensor nun technisch in der Lage ist, auf dem einen Kanal die Prozessdaten zu liefern und auf einem zweiten Kanal Diagnose- oder Statusdaten, ist letztlich noch festzulegen, wie die Daten übergeben werden sollen. Auf der Prozessebene wird dies durch Protokolle wie Profinet oder Ethercat klar beschrieben und definiert. Parallel dazu setzen sich zur Zeit Kommunikationsstandards wie beispielsweise OPC UA durch. Damit ist es möglich, Daten durch alle Ebenen hindurch sowie in alle Ebenen hinein zu kommunizieren – bis in eine Daten-Cloud.

In der Cloud angekommen, lassen sich diese Daten dann nach Belieben auswerten. Hierfür bietet beispielsweise Microsoft eine spezielle, auf die Industrie zugeschnittene Lösung an: die Azure Cloud. In ihr ist es nicht nur möglich, Daten zu sammeln und zu bewerten, sondern der Nutzer kann über sie auch direkt auf ein Gerät zugreifen – beispielsweise zum Zwecke eines Firmware-Updates. Dazu verwendet der Sensor den sogenannten ‚IoT Hub‘ der Azure Cloud. Der Zugriff auf die in der Cloud liegenden Daten ist unabhängig vom Ort und Nutzer. Möchte man die Cloud-Technologie nicht einsetzen, können die Daten alternativ sehr einfach über einen ‚OPC UA Client‘ auf jedem PC ausgewertet werden.

Ein Sensor, der also Prozessdaten an die Steuerung schickt, von einer Steuerung parametriert wird und gleichzeitig über Protokolle wie OPC UA oder HTML Diagnosedaten senden kann, bezeichnet Leuze als Sensor mit ‚integrated connectivity‘. Industrie-4.0-fähig ist ein Sensor ebenfalls dann, wenn auch Daten zum Condition Monitoring vorhanden sind. Das heißt: Es muss nicht nur die Möglichkeit geschaffen werden, die Daten überall verfügbar zu machen. Vielmehr muss auch der Sensor selbst relevante Daten ermitteln und zur Verfügung stellen können. Ein Beispiel: Damit ein optischer Sensor fehlerfrei funktioniert, muss die Optik schmutzfrei sein, so dass genügend Lichtenergie hindurch gelangen kann. Ist die Optik verschmutzt, kann es zu Störungen kommen. Ob die Scheibe durchlässig oder verschmutzt ist, kann  ein Industrie-4.0-fähiger Sensor letztlich selbst ermitteln und diese Information ausgegeben. Hierdurch ergeben sich Möglichkeiten, den Sensor rechtzeitig zu warten und die Optik des Sensors dann zu reinigen, wenn die Maschine nicht im Einsatz ist.

Die Information, dass die Optik zu reinigen ist, wird parallel zu den eigentlichen Prozessdaten über die OPC-UA-Kommunikation vom Sensor in die Cloud geschickt, dort bewertet und dargestellt. Die Cloud speichert also nicht nur die Daten, sondern ­reagiert auf die eingehende Informa­tion und meldet die Wartung des ­Sensors zum nächsten Schichtwechsel bei der Instandhaltung an. Ebenso vorstellbar ist, dass ein Sensor beispielsweise rechtzeitig meldet, dass das Ende seiner Produktlebenszeit ­erreicht ist – und zwar bevor er ausfällt. Da sich über die Cloud auch die Gerätedaten wie Hersteller, Artikelnummer und Artikelbezeichnung zur Verfügung stellen lassen, kann der ­Einkauf eines Unternehmens bereits mit der Meldung im Vorfeld ein neues Gerät bestellen, wodurch die Kosten für die Ersatzteilhaltung entfallen und der Sensor vor seinem Ausfall rechtzeitig getauscht wird.

Bei einfachen, binär schaltenden Sensoren kann die ‚integrated connectivity‘ aus Platz- und Kostengründen nicht angeboten werden. Diese Art von Sensoren beinhaltet keinen Prozessor und hat meist auch kein eigenes Dateninterface. Deshalb reicht ein einfacher M12-Stecker zur Kontaktierung aus.