Warum kam es historisch gesehen zu den technologischen Veränderungen, den 'industriellen Revolutionen'? Nicht nur das Vorhandensein einer jeweils neuen Technologie war dabei entscheidend, sondern vielmehr, dass durch deren Einführung ein Nutzen entstand. So konnte mit der Dampfmaschine die Limitation der mensch­lichen Kräfte überwunden, mit der Fließbandfertigung Effizienz und Qualitätsniveau der Fertigung erhöht und letztendlich mit der Computertechnik die Automation flexibler und präziser werden. All dies waren massive Fortschritte für den Kunden, so dass der Begriff 'industrielle Revolution' wohl zu Recht genutzt wird.

Da bei Industrie 4.0 von einer Revolution die Rede ist, die erst noch bevorsteht, scheint die Frage berechtigt, ob auch hier ein entsprechender Kundennutzen zu erwarten ist oder lediglich eine neue Technologie zur Verfügung steht. Davon wird es schließlich abhängen, ob in 20 Jahren rückblickend tatsächlich von einer industriellen Revolution gesprochen werden wird.

Ein Argument für Industrie 4.0 ist die höhere Flexibilität der Produktionsan­lagen gegenüber vielfältigen und indi­viduellen Kundenwünschen. Die Vernetzung der Maschinen weit über die Grenzen der jeweiligen Fabrik hinweg soll dazu führen, dass Maschinen und Anlagen durch geschickte Selbstorganisation dafür sorgen, dass jeder noch so ausgefallene Kundenwunsch einigermaßen effizient erfüllt werden kann. Dabei verketten sich Arbeitsabläufe innerhalb und außerhalb der Fabrik selbstständig und steuern das benötigte Material an die richtigen Stellen. Ob diese Vorgehensweise letztlich tatsächlich einen Kundennutzen bringt, ist noch keine ausgemachte Sache – denn es gibt durchaus auch einen gegenläufigen Trend: die Sammlung individueller Wünsche vieler Kunden weltweit und die Abbildung dieser Wünsche auf die jeweils am besten passende Fabrik weltweit. Ein Beispiel dafür ist der Druck von Kleindrucksachen: Per Internet-Auftragsvergabe landen die diesbezüglichen Wünsche bei wenigen Großdruckereien, die die Aufträge aus aller Welt so geschickt auf einem Bogen zusammenfassen, dass sich auch Kleinserien wirtschaftlich erstellen lassen. Das heißt, wo früher in jeder Stadt eine kleine Druckerei mit unterschiedlichen Aufträgen zu kämpfen hatte, fasst heute eine Großdruckerei viele Kleinaufträge zu einem großen Auftrag zusammen und schafft damit den nötigen Effizienzgewinn, der zu attraktiven Preisen trotz individueller Wünsche führt.

Durch eine fortschreitende Vernetzung der Komponenten eines Automatisierungssystems wird allerdings nicht nur die Flexibilität erhöht, es ergeben sich auch vielfältige Möglichkeiten für den direkten Austausch von Daten und Diensten zwischen den Komponenten. Zu erwarten ist dadurch mehr Transparenz sowie eine bessere Beherrschbarkeit komplexer Anlagen.

Was heißt das nun konkret im Umfeld der industriellen Sen­sorik? Pepperl+Fuchs ist dieser Frage im Rahmen der Studie 'SmartBridge' nachgegangen.

Industrie 4.0 für die Sensorik

Die Einführung von Industrie 4.0 bedeutet zunächst einmal, dass jede Komponente eines Automatisierungssystems – wie Sensor, Aktor oder Steuerung – mit jeder anderen im Netzwerk direkt (Peer-to-Peer) kommunizieren kann, ohne dabei über die zentrale Steuerung zu gehen. Solche Elemente eines Cyber-Physical-Production-Systems (CPPS) nennt Pepperl+Fuchs I4.0-Komponenten.

Der SmartBridge-Adapter, eingeschleift in das IO-Link-Sensor­anschlusskabel.

© Pepperl+Fuchs

Die Multi-Kommunikationsfähigkeit der I4.0-Komponenten hat zwei Seiten: Auf der einen Seite eröffnen sich dadurch neue Möglichkeiten für eine dezentrale Steuerungstechnik, auf der anderen Seite geht aber die klassische hierarchische Automati­sierungspyramide mit der Steuerung als zentralem Element verloren. Davor werden viele Anwender Angst haben, weil der Vertrauen schaffende zentralistische Ansatz heutiger automatisierter Anlagen fehlt. Insofern ist der Ansatz eines autonomen Zusammenspiels gleichberechtigter Komponenten als 'verteilte' Steuerung noch sehr fern.

Ganz anders sieht es aber aus, wenn diese neue Kommunikationsfähigkeit im ersten Schritt nicht zur Abbildung der Steuerungsfunktion, sondern zum Austausch von Daten für Diagnose, Inbetriebnahme und Fehlersuche genutzt wird. Und zwar so, dass dieser Austausch parallel und rückwirkungsfrei zur laufenden Steuerungsfunktion ausgeführt werden kann und dabei der Steuerung nicht einmal bekannt sein muss. Dann entsteht eine Zusatzfunktionalität, die keinen Zusatzaufwand in der Steuerung bedeutet und einfach nachzurüsten ist. Der Anwender kann sich dabei nach wie vor auf das bekannte und deterministische Verhalten der Steuerung verlassen und bekommt zusätzlich einen direkten Kommuni­kationskanal in die Komponente. Pepperl+Fuchs nutzt hierfür den Begriff „Sensorik 4.0“ und lehnt sich dabei stark daran an, was in der Prozessautomation HART ist. Die HART-Kommunikation wird dort für Diagnose und Störmeldungen genutzt und läuft getrennt von der Prozessdatenübermittlung.

IO-Link als Basis

Bei der auf der SPS IPC Drives 2013 erstmals öffentlich präsentierten Studie „SmartBridge“ dienen die zusätzlichen Kommunikationskanäle dazu, um auf Sensoren während des Betriebs rückwirkungsfrei zuzugreifen und damit ein In-Line-Sensor-Management zu ermöglichen.

Prototyp der SmartBridge-App zur Anzeige der Sensordaten auf einem Tablet-Computer.

© Pepperl+Fuchs

Die besondere Herausforderung liegt darin, eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren mit einem geeigneten Kommunikationskanal auszurüsten, ohne zusätzlich Bauraum und Kosten für Steckverbinder und Verkabelung zu beanspruchen. Die Integration einer Internet-tauglichen Netzwerk-Schnittstelle in jeden einzelnen Sensor scheidet aus Kosten- und Aufwandsgründen aus.

Mit IO-Link steht ein digitales Kommunikationsprotokoll zur Verfügung, das die meisten Sensorhersteller unterstützen. Physikalisch wird es über den ohnehin vorhandenen Prozessdatenanschluss übertragen, so dass kein zusätzlicher elektrischer Anschluss aus dem Sensor herausgeführt werden muss – ein enormer Kostenvorteil, da elektrische Anschlüsse von Sensoren in der Regel in IP67 ausgeführt werden müssen und somit auch mechanisch teuer in der Realisierung sind. Zudem bedeutet IO-Link kaum Mehraufwand auf der Sensorseite; es ist davon auszugehen, dass künftig sämtliche analogen und parametrierfähigen Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle ausgerüstet sind. Dadurch ist der Zugriff auf alle relevanten Diagnose-Daten gegeben.

Als Anzeige- und Einstell-Element für Diagnose-Daten und -Parameter bieten sich mobile Endgeräte wie Tablets oder Smartphones an. Diese Geräte verfügen über kontraststarke Multitouch-Displays sowie eine Vielzahl von Schnittstellen; zudem sind sie zu vergleichsweise günstigen Preisen erhältlich. Mit der intuitiven „SmartBridge-App“ werden Tablets und Smartphones zu grafischen Bedienoberflächen. Die App zeigt in einer Übersicht alle in Reichweite befindlichen Sensoren an und bietet sie zum Verbinden an. Nach abgeschlossenem Connect-Vorgang zeigen sensorspezifische Bildschirm-Dialoge relevante Daten und dazugehörige Parameter grafisch aufbereitet und übersichtlich an.

Zur Übertragung der Sensordaten vom Sensor zum mobilen Endgerät dient Bluetooth 4.0. Damit wird räumlich begrenzt eine verschlüsselte drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufgebaut, ohne dass diese Verbindung Teil eines vorhandenen Rechner-Netzwerkes wird – wie es bei einer WLAN-Übertragung der Fall wäre. Auf diese Weise ist systembedingt die Übertragung von Computerviren oder Ähnlichem in das Netzwerk ausgeschlossen und IT-Security intrinsisch gegeben.
Zur Auskopplung der Sensordaten aus dem IO-Link-Anschluss und zum Übertragen per Bluetooth dient ein sogenannter 'SmartBridge-Adapter'. Er wird in die 3- oder 4-Draht-IO-Link-Leitung zwischen Sensor und Steuerung eingeschleift und benötigt keine zusätzliche Versorgung. In verschiedenen Betriebsarten lassen sich damit Daten aus dem Sensor lesen oder Parameter verändern, ohne die Verbindung zwischen Sensor und Steuerung zu stören oder gar aufzutrennen.

Nutzen für den Anwender

Um den mit diesem Konzept verbundenen Nutzen zu eruieren, ein Blick auf die verschiedenen Use-Cases:

Exponat auf der SPS IPC Drives 2013: Mehrere jeweils mit SmartBridge-Adapter ausgerüstete Sensoren kommunizieren mit einem Tablet-Computer.

© Pepperl+Fuchs

■ Monitoring: Das Mobilgerät stellt Messwerte, Diagnosewerte und Parameter übersichtlich dar. Damit wird das Mobilgerät zur Anzeige-Einheit und kann Geräte-gebundene Elemente wie zum Beispiel blinkende LEDs ersetzen, die unter Umständen schwer zugänglich sind.
■ Parametrierung: Das Mobilgerät erlaubt Zugriffe auf die Parametrierung des Sensors mit Hilfe eines einfachen und leicht verständlichen HMI. Einstellungen lassen sich in Dateien archivieren oder aus diesen heraus lesen, zum Beispiel um Auslieferungszustände zu sichern beziehungsweise wieder herzustellen oder um Sensoren zu „klonen“.
■ Daten-Recording: Das Mobilgerät dient dazu, Mess- und/oder Diagnosedaten aus dem Sensor kontinuierlich aufzuzeichnen, um die Ergebnisse im Nachhinein auszuwerten.

Diese drei Use-Cases sind sowohl bei der Inbetriebnahme als auch bei einer späteren Fehlersuche hilfreich. Der SmartBridge-Adapter wird dazu jeweils temporär in die Leitung eingeschleift und – kurzfristig – eine Verbindung zum Mobilgerät hergestellt. Beim Monitoring ist auch eine längerfristige Nutzung denkbar, wenn zum Beispiel eine gut lesbare Vor-Ort-Anzeige für den Sensor gebraucht wird. Das oft mühsame Ablesen von kleinen LCD-Anzeigen oder Ähnlichem entfällt. Aufgrund der drahtlosen Kopplung von Mobilgerät und Sensor lässt sich die Anzeige-Einheit ohne Verkabelungsaufwand so aufstellen, dass sie leicht einzusehen ist, was mit integrierten Anzeigen unter Umständen nicht möglich ist.

Ausblick
Derzeit ist SmartBridge erst eine Studie, verkaufsfähige Produkte sind noch nicht verfügbar. Die Reaktionen auf das Messe-Exponat der SPS IPC Drives haben gezeigt, dass der Nutzen erkannt wird und ein echter Bedarf existiert.

Autor: Dr. Peter Adolphs ist Geschäftsführer Entwicklung & Marketing bei Pepperl+Fuchs in Mannheim.