Die erste Entwicklung intelligenter Sensoren fand bereits Anfang der 90er Jahre des vorigen Jahrhunderts statt: Mittels zusätzlicher Schaltausgänge oder später dank AS-Interface war es möglich, induktive Sensoren auf Betriebssicherheit zu überwachen oder bei optischen Geräten eine zunehmende Verschmutzung der Linse zu melden.

Was einen intelligenten Sensor gegenüber einem 'normalen' auszeichnete, war vor allem die Kommunikationsschnittstelle – sie gestattete es, weitergehende Informationen online an die Steuerung zu übermitteln. In den Neunzigern konnten sich intelligente Sensoren nicht durchsetzen, was sicherlich auch der fehlenden Leistungsfähigkeit bei der Datenverarbeitung in der SPS geschuldet war. Die Kommunikationsbarriere zwischen der Sensorwelt und der Steuerungswelt besteht also nach wie vor.

Heute soll IO-Link den letzten Meter von der Busklemme zum Sensor überbrücken helfen. Dieses Interface setzt auf die 24-V-Schnittstelle, eine im rauen Industrieumfeld bewährte Technologie, und ermöglicht es, Schaltsignale, Messwerte, Diagnosedaten, Parameter und Events mit der Steuerung auszutauschen – die Grundlage für eine bis zum Sensor durchgängig vernetzte Fabrik.

Mit Hilfe von IO-Link steht einer durchgehenden Automatisierung von der Leit- bis zur Sensorebene nichts mehr im Wege. Die Sensoren fungieren als Sinnesorgane der Maschine und können Umgebungsänderungen melden, mehrere Messwerte zwischenspeichern, direkt mit anderen Geräten Informationen austauschen und sich bei Bedarf auf neue Situationen einstellen oder umparametrieren. Eine Ferneinstellung aus der Leitwarte verhindert Fehlbedienungen. Die Geräte-Identifikation sorgt dafür, Fehler beim Gerätetausch zu minimieren.

Duale Kommunikation

Für die Kommunikation zwischen Sensorik und Leitebene stehen Feldbusse wie Ethernet/IP, Profinet oder Ethercat zur Verfügung, die auf IT-Technologien aufsetzen. IT-Netze wiede-rum  erlauben den heterogenen Zugriff auf alle am Prozess beteiligten Geräte von mehreren Stellen gleichzeitig. Mit verzweigten Kommunikationsstrukturen lassen sich auf bestehenden Ethernet-Verkabelungen Echtzeit- und Diagnosedaten gleichzeitig übertragen. Beide Wege sind auf ein und demselben Ethernet-Netzwerk zu realisieren oder über zwei separate Netzwerke mit physikalischer Trennung, je nach Aufbau der Anlage oder der Nutzung bereits bestehender IT-Infrastruktur.

Ein Beispiel für den Einsatz einer solchen dualen Kom­munikation ist ein Drucksensor, der Druckspitzen proto­kolliert und eine E-Mail oder SMS an den Service-Ingenieur absetzt. Dieser wiederum kann sich einzelne Anlagenteile via Ferndiagnose ansehen, um die Ursache zu analysieren, bevor er überhaupt an den Ort des Geschehens geht. So lässt sich der Fehler gezielt beheben, ehe es zu teuren Stillständen kommt.

Sensorik 4.0 goes Web

Im Zuge der Zunahme Ethernet-basierter Feldbusse entstand auch der Wunsch, im Software-Bereich bekannte Internet-Tools zur Anlagenüberwachung einzusetzen. Programme wie beispielsweise Codesys bieten schon seit längerem die Möglichkeit der Web-Visualisierung, um plattformunabhängige Prozessvisualisierungen auf HTML-Basis zu erzeugen. Somit sind sowohl die Steuerungs-Diagnose als auch die Anwendungs-Visualisierung von beliebigen Rechnern im Netzwerk aufrufbar. Als Werkzeug dient ein normaler Web-Browser, wie er standardmäßig auf allen Web-fähigen Geräten vorinstalliert ist.

Der nächste logische Schritt ist die Erweiterung der Web-Technologie in Richtung Sensorik: Abhängig von der Preisklasse lassen sich Webserver im Feldbus-Knoten oder auch direkt im Sensor unterbringen. Je nach Ausführung stehen entweder vorprogrammierte Diagnoseseiten zur Verfügung oder eigene Seiten lassen sich über ftp-Server hochladen.

Vorausschauende Wartung

Da sich die vom Sensor zur Verfügung gestellten Web-Seiten einfach in bestehende Visualisierungen einbinden lassen, entfällt die aufwendige Programmierung jedes einzelnen Sensors. Eventgesteuert stellt jeder Sensor die benötigten Service- und Diagnosedaten zur Verfügung. Dies erfolgt nach dem Push-Prinzip, auftretende Störungen werden nur bei Bedarf übertragen.

Evolution bei intelligenten Sensoren

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Ein Beispiel stellen Schwingungssensoren dar, die in Form einer Ampel die Zustände 'grün = alles ok', 'gelb = Vorausfallmeldung Lager vorgeschädigt' und 'rot = Schaden erkannt, Lager defekt' melden; bei Bedarf übertragen sie konkrete Schwingungsmesswerte für eine gezieltere Auswertung gleich mit. Dieses Condition Monitoring ermöglicht es, Antriebe bedarfsgerecht anstatt nach festen Intervallen auszutauschen, was Wartungskosten und Maschinenstillstandzeiten reduziert, da nur dann ein Gerätetausch erfolgt, wenn er wirklich erforderlich ist.

Das Wesen der vorausschauenden Wartung erfordert die durchgängige Kommunikation zwischen Sensoren, Steuerung und MES- oder SCADA-System. Hier sind Systeme mit möglichst vielen universellen Schnittstellen gefragt, die verschiedene Datenformate beherrschen und in einem gemeinsamen, auswertbaren Format ablegen.

Betriebsweit lassen sich so unterschiedliche Steuerungen und Feldbusse einbinden. Der Weg vom Sensor zum MES steht offen.

Das Internet der Automatisierung

Bei der Idee des 'Internet der Dinge' erhalten alle elektronischen Geräte einen Internet-Zugang. Als klassisches Beispiel dient der Kühlschrank, der die Zu- und Abgänge von Lebensmitteln registriert und bei Bedarf automatisch im Supermarkt nachbestellt. Ein anderes Beispiel sind über RFID und GPS mit dem Internet verbundene Kühl-Container, die weltweit identifizierbar sind und bei Bedarf Temperaturschwankungen melden.

Realtime- und azyklische Daten werden vom Sensor übertragen.

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Und was passiert, wenn man die Vorstellung des Internet der Dinge auf ein künftiges 'Internet der Automatisierungskomponenten' überträgt? Alle elektronischen Komponenten einer Maschine sind über eine IP-Adresse mit dem Netzwerk verbunden. Dieser Aufbau verändert das bisherige Steuerungskonzept, das die Sensoren und Aktuatoren einer festen Steuerung zuordnet, dramatisch: In einer vernetzten Maschine können Steuerungsfunktionen an beliebigen Orten ausgeführt werden.

Dabei ist es völlig irrelevant, wo sich die Steuerung physikalisch befindet. Beispielsweise können Teilfunktionen auch in die Cloud verlagert werden oder aus Sicherheitsgründen in mehreren Rechnern gleichzeitig ablaufen. Solche dezentralen Software- und Hardware-Einheiten erfordern neue Geschäftsmodelle – bei den klassischen SPS-Herstellern ebenso wie bei der Elektrokonstruktion und Programmierung auf Seiten der Maschinenbauer und Anlagenplaner. Nicht zu unterschätzen ist der Effekt des 'Big Data', wenn alle Informationen in einem Netzwerk verfügbar sind. Die IT der Zukunft muss diese Informationen intelligent auswerten, kanalisieren und verknüpfen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Datensicherheit, die nicht erst seit Stuxnet in das öffentliche Bewusstsein gerückt ist.

Autor: Peter Wienzek ist Business Development Manager bei ifm electronic in Essen.