Noch liefern die meisten Sensoren ein binäres oder analoges Ausgangssignal, doch Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle sind auf dem Vormarsch. Nicht verwunderlich, schließlich bietet die standardisierte, digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung Anlagenherstellern und -betreibern vielfältige Vorteile. Das Interface sorgt in der Feldebene für einen unkomplizierten, bidirektionalen Signal- und Datenaustausch. Zudem vereinfacht es als ein nach IEC 61131-9 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 abwärtskompatibel zu sämtlichen Standardsensoren und unempfindlich gegenüber Störeinflüssen. Das heißt, jegliche Art von Sonderleitungen sowie zusätzliche Anschaltboxen entfallen. 

Dank einer einheitlichen Gerätebeschreibung lässt sich IO-Link so einfach wie USB beim Computer nutzen. In der sogenannten IODD (IO Device Description) sind alle Funktionen der Geräte abgebildet. War es früher noch nötig, diese auf der Homepage des Geräteherstellers zu suchen, kann der Anwender sie sich heute in der Regel vom IODD-Portal der IO-Link-Community herunterladen. 

Mit IO-Link lassen sich intelligente Diagnose- und Parametrierkonzepte bis auf Feldebene umsetzen, wie sie das Konzept von Industrie 4.0 vorsieht. Über IO-Link lassen sich Schaltpunkte aus der SPS heraus ändern oder Konfigurationen anpassen. Darüber hinaus bietet der Standard die Möglichkeit, die Herkunft der Daten anhand zweier ID-Felder, die im Sensor hinterlegt sind, eindeutig sicherzustellen. Und mehr noch: Mittels einem Software- Tool, wie es beispielsweise Balluff anbietet, ist der direkte Zugriff auf die unterste Geräte-Ebene möglich. 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 beziehungweise Protokolle wie http, SNMP und andere überwachen, parametrieren und testen. 

IO-Link ergänzt Ethernet und die Feldbusse hinsichtlich Datendurchgängigkeit bis zum letzten Meter, denn für die große Menge an einfachen, schaltenden Sensoren rechnet sich eine direkte Anbindung via Internet an IT-Systeme nicht. Zudem sind Anwender mit IO-Link unabhängig vom Markt und von länderspezifischen Bedingungen, Gegebenheiten und Steuerungssystemen, da es von sich aus die verschiedenen Feldbus-Systeme unterstützt. 
 

Zusatzinformationen in Echtzeit

Die zunehmende Digitalisierung benötigt intelligente Sensoren, um Anlagenmodelle mit Echtzeit-Daten anzureichern und Klarheit über Anlagen- und Produktionsstatus zu haben. Hierzu müssen die ‚Augen und Ohren‘ der Automatisierung Zusatzinformationen liefern, die über ihre primäre Funktion hinausgehen. Dies sind neben Daten zu Lebensdauer, Belastungsniveau, Schadenserkennung auch Umgebungsinformationen wie Temperatur, Verschmutzung oder die Güte der Ausrichtung auf das zu erkennende Objekt. 

Selbstdiagnose erhöht die Anlagensicherheit in ­schwieriger Umgebung.

© Balluff

Einen solchen ‚Allrounder‘ bietet Balluff mit dem optoelektronischen Sensor ‚BOS 21M ADCAP‘. Der 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, sodass ein Remote-Teach-In über die Steuerung ausgelöst werden kann. Darüber hinaus erfasst der Sensor weit mehr Daten als nur das reine Schaltsignal: Detektionssignale werden schon im Sensor aufbereitet und vorverarbeitet, was die Anlagensteuerung entlastet und den Datenverkehr auf den Feldbus-Systemen reduziert. Umfangreiche, smarte Diagnosefunktionen liefern wichtige Informationen beispielsweise zu Lebensdauer, Betriebsstunden und Funktionsreserve. Zunehmende Verschmutzung, Sensor-Dejustage, Einstellungsfehler oder andere Unregelmäßigkeiten lassen sich frühzeitig durch die Überwachung der Lichtremissionswerte – als Maßstab für die Güte des Sensorsignals – erkennen. 

Formatwechsel automatisieren

Mit Wegmesssystemen mit IO-Link-Schnittstelle ist ein Formatwechsel der Anlage, etwa bei einem Produkt­wechsel, ‚auf Knopfdruck‘ in kürzester Zeit zu erreichen.

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Werden solche Industrie-4.0-fähigen Sensoren genutzt, lassen sich Maschinen und Anlagen 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 sind bei jedem Formatwechsel die Schienen und Führungen zumeist händisch anzupassen beziehungsweise auszutauschen. Zudem müssen die Schaltpunkte der Sensoren manuell direkt am Sensor eingestellt werden. Dies alles ist zeitaufwendig 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 Format-Erkennung. Die gleiche Vorgehensweise gilt in einem zweiten Schritt auch für Führungen und Schienen, sofern sie mit elektrischen Antrieben ausgestattet sind. 

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

Herausforderung Big Data

Dabei fallen 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. Verfahren sind gefragt, um Big Data auf einfache Art und Weise interpretieren zu können. Weiterhin sind Mechanismen zu ihrer Übermittlung und Vorverarbeitung erforderlich. 

Ein induktiver Sensor für sich genommen beispielsweise erzeugt bislang in der Regel einen Zustandswert – beispielsweise ‚Teil da‘ oder ‚Teil nicht da‘. Um diese Information sinnvoll interpretieren zu können, ist auf Seiten von Big Data die Frage wichtig, wer diese Informationen wo und wann zur Verfügung gestellt hat. Darüber hinaus müssen frühere und spätere Werte in die Betrachtung miteinbezogen werden. Erst wenn diese Informationen dem Zustandswert angehängt werden, lassen sie sich in eine sinnvolle Analyse einbeziehen. 

Daten in übergeordnete Systeme einbinden

Ohne eine hersteller- und plattformunabhängige Vernetzung von Geräten und Anlagen ist Industrie 4.0 nicht umzusetzen. Genau hierfür ist OPC UA 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 steigern lässt: 

Das OPC-UA-RFID-Lesegerät mit Secure Element verhindert das Ausspähen von Daten oder deren Manipulation in der Produktion.

© Balluff

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 mit wenig Aufwand und nahtlos in MES- und ERP-Systeme einbinden. Dies wird oft als ‚Sensor-to-Cloud‘-Funktionalität bezeichnet.

Eine solche Datenübertragung vom Feld- in die Leitebene ist nichts grundsätzlich Neues, dies hat es früher bereits gegeben: Bei zahlreichen RFID-Anwendungen waren die Daten nicht nur für eine Steuerung, sondern auch für ein MES- oder ERP-System gedacht – schließlich findet dort Auswertung, Datenerfassung und Rückverfolgung der Produktionsdaten statt. 

Aber: Diese Informationen sind bisher über die SPS ins IT-System gelangt, was mit einem entsprechenden Programmieraufwand verbunden war. Heute bietet IO-Link eine schlanke Alternative. Aus diesem Grund hat die IO-Link Community die Companion-Spezifikation ‚OPC-UA for IO-Link‘ als Standard für das Daten- und Funktionsmodell ausgearbeitet, um zukünftig IO-Link-Devices und IO-Link-Master entsprechend in OPC UA repräsentieren zu können. Die Spezifikation wurde einem Review durch die IO-Link Community und die OPC Foundation unterzogen und als finale Version V1.0 verabschiedet. Erste Implementierungen und Beispiele waren auf der SPS IPC Drives 2018 zu sehen. 

Das Forschungsprojekt IUNO

Wie Kommunikation sicher gestaltet werden kann, hat Balluff mit Partnerunternehmen im Forschungsprojekt IUNO an einer RFID-Applikation aufgezeigt. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte 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 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 und dabei immer sicher zu identifizieren sein muss. Das Problem dabei: Herkömmliche RFID-Tags sind in der Regel nicht datensicher, Unbefugte können sie abhören oder manipulieren.

Um hier Abhilfe zu schaffen, hat Balluff ein OPC-UA-RFID-Lesegerät mit Secure  Element von Wibu-Systems, einem Spezialisten für Schutz und Lizenzierung von Software und Dokumenten, entwickelt. Genutzt wird dabei das OPC-UA-Protokoll mit einer End-to-End-Verschlüsselung. Die Daten auf dem RFID-Tag werden digital signiert und wahlweise verschlüsselt. Über den Schlüssel, der sich im Secure Element direkt im RFID-Lesegerät befindet, kann die Authentizität der Daten des RFID-Tags geprüft werden. Das Lesegerät verhindert so wirkungsvoll das Ausspähen von Daten oder deren Manipulation in der Produktion.

Autor: 
Dr. Detlef Zienert ist Press Relations Manager bei Balluff in Neuhausen a.d.F.