Ein Großteil der für Industrie 4.0 oder IIoT nötigen Daten wird mit Hilfe von Sensoren generiert. Ihre Aufgabe ist es, Prozessgrößen zu erfassen und in Form von Daten über Schnittstellen an abnehmende Systeme zu übertragen. Diese Prozessdaten sind im Grunde die originären Daten zur Lösung der eigentlichen Automatisierungsaufgabe. Je nach Sensortyp steht eine unterschiedliche Menge an Daten zur Verfügung. Als Schnittstellen werden solche eingesetzt, die der Komplexität der Datenübertragung am besten angepasst sind: Einfache binär schaltende Sensoren übertragen den Prozesswert sowie Status- und Diagnosemeldungen über die IO-Link-Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsschnittstelle. Komplexere Sensoren mit einer höheren Funktionalität sind häufig in echtzeitfähige Feldbus-Netzwerke integriert. Sie übertragen auch mehrere Prozess- und Alarmwerte sowie Status- und Diagnosemeldungen und lassen sich über die Steuerung vollständig parametrieren.

Das Dual-Channel-Prinzip: Über Kanal 1 laufen Daten zur Prozesssteuerung, über den Kanal 2 Informationen für Monitoring und Maschinen-Analyse.

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Durch Industrie 4.0 rücken 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 mit planbaren präventiven Wartungsintervallen dabei, die Verfügbarkeit seiner Anlage zu erhöhen. Die Daten werden hierbei aus unterschiedlichsten Quellen an einer zentralen Stelle zusammengeführt, zum Beispiel in einer Cloud. Da sich trotz geringeren Aktualisierungsraten durchaus höhere Datenvolumina ergeben, entsteht ein anderer Kommunikations-Charakter.

Diesen unterschiedlichen Kommunikations-Charakter 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. Das Prinzip ist bei allen Sensoren mit Schnittstellen dasselbe, unabhängig von deren Komplexität.

Der binär schaltende Sensor

1. Anbindung an eine SPS

Beim Kontrasttaster ‚KRT18B‘ beispielsweise, der in einer schnelllaufenden Verpackungsmaschine eingesetzt wird, um eine exakte Schnittmarkenposition zu ermitteln, hängt die Packqualität der Maschine von der Echtzeit-Fähigkeit des Schaltausgangs 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. Über sie lassen sich der Prozesswert beobachten, die Funktionsreserve bestimmen und Parametrierungen vornehmen. Zudem unterstützt sie den Kunden bei Rezepturwechsel oder bei Formatumstellung.

2. Dual Channel und Industrie 4.0

Im Rahmen von IIoT und Industrie 4.0 müssen Daten anderen Automatisierungsteilnehmern – zum Beispiel für das Monitoring und zur Parametrierung – möglichst ortsunabhängig und weltweit zur Verfügung stehen. Dies erfolgt in der Regel über Cloud-Lösungen. Gelten die identischen Voraussetzungen wie oben beschrieben, 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 Feldbus-Schnittstelle

Dual Channel und IIoT/Industrie 4.0 beim Sensor mit Feldbus-Schnittstelle: Über einen integrierten Cloud-Connector oder ein IoT Edge Gateway lassen sich Monitoring-Daten bis in die Cloud transportieren.

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Bei komplexeren Sensoren mit integrierter Feldbus-Schnittstelle bietet Leuze electronic ebenfalls eine Dual-Channel-Lösung. So besitzt beispielsweise der Barcode-Scanner ‚BCL 348i‘ unter anderem eine Profinet-Schnittstelle. Über diese können prinzipiell Prozess- und Alarmwerte, ausführliche Status- und Diagnosemeldungen sowie die vollständige Geräteparametrierung aus der Steuerung heraus vorgenommen werden. Sollen die Daten zum Monitoring jedoch ortsunabhängig und global zur Verfügung stehen, bietet der Sensor dies über seine Industrial-Ethernet-Schnittstelle mit dem OPC-UA-Kommunikationsprotokoll an. Über einen integrierten Cloud-Connector oder ein IoT Edge Gateway lassen sich diese bis in eine Cloud-Applikation transportieren.

Eine Frage der Echtzeit-Fähigkeit

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 Echtzeit-Fähigkeit bestehen. Mit dem Dual-Channel-Prinzip ist es ­möglich, Daten getrennt und je nach Kundenforderungen verfügbar zu machen. Über Kanal 1 werden Daten mit Echtzeit-Anforderung, über Kanal 2 Daten zur Prozessbeobachtung und zur Parametrierung übertragen. Die klassische IO-Link-Schnittstelle beim binär schaltenden 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 nicht leisten. Denn für die Prozesssteuerung sind beide Informationen parallel erforderlich. Für den Anwender muss es 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 Abweichungen vom Sollzustand frühzeitig zu erkennen. Hierbei hilft das Dual-Channel-Prinzip. 

Bei Sensoren mit Feldbussen sind Echtzeit-Fähigkeit und Daten zum Monitoring und zur Parametrierung zumindest bei Echtzeit-Ethernet-Schnittstellen verfügbar – allerdings nur lokal und nicht ortsun-abhängig und weltweit zugänglich. Darüber hinaus werden die Informationen, die ein Sensor für die Zustandsüberwachung oder vorausschauende Wartung liefert, zumeist nicht ausgewertet. Auch hier bietet sich das Dual-Channel-Prinzip an.

Autor:
Stefan Ambos ist Head of Product Marketing Management bei Leuze electronic in Owen.