Für Unternehmen im Bereich industrieller Mess- und Regeltechnik bieten in Sachen Industrie 4.0 insbesondere die Themen ‚horizontale und vertikale Integration‘ interessante Ansatzpunkte. Bei ersterem geht es vor allen Dingen darum, die Kommunikation auf der Feldbus-Ebene zu verbessern: Sensoren müssen ‚smart‘ werden und weitaus mehr können, als Messwerte zuverlässig erfassen und weitergeben. So vereinfacht eine in den Sensor integrierte Elektronik nicht nur die Inbetriebnahme und Kalibrierung vor Ort, sie ermöglicht es zudem, den kompletten Lebenszyklus eines Sensors aufzuzeichnen und auszuwerten. Die Erfassung und der Abgleich all dieser Daten in einer industriellen Cloud kann in einem nächsten Schritt wichtige Erkenntnisse für zukünftige Sensorentwicklungen geben. Doch was zeichnet einen solchen smarten Sensor aus? 

Eine Tatsache bei physikalischen Sensoren bleibt immer gleich: Das eigentliche Sensorelement, in dem die physikalische oder chemische Messgröße aufgenommen wird, ist und bleibt ein analoges, den physikalischen Eigenschaften seines Messprinzips folgendes Stück Technik. Erst durch die Weiterverarbeitung und Verstärkung des analogen Signals in einer Elektronik entstehen aus den physikalischen Effekten verwertbare Messwerte. Doch ist das bereits ‚smart‘? 

Selbst wenn die Umwandlung der physikalischen Signale in einer digitalen Elektronik erfolgt, ist außer einer anderen Form der Signalumwandlung noch nichts ‚Smartes‘ geschehen. Werden aber solche Sensoren an moderne, aber separate Messverstärker angeschlossen, sind zusätzliche Funktionen realisierbar: mehrere Sensoren verarbeiten, Berechnungen durchführen, Plausibilitäten überwachen, Fehlermeldungen generieren, Meldungen absetzen bis zur Datenübermittlung ins Internet oder in eine Cloud. 
 

Keine Industrie 4.0 ohne smarte Sensoren

Der Systemaufbau bei 'Digiline': Sensoren für verschiedene Messgrößen lassen sich mittels sogenannter 'Hubs' zu smarten Netzwerken verbinden. Dies spart Zeit bei der ­Verkabelung und Inbetriebnahme.

© Jumo

Bei ‚smarten‘ Sensoren der neuen ­Generation wird – dank immer höherer Integrationsdichte bei den elektronischen Bauelementen und gestiegener Rechnerleistung selbst kleinster Mikroprozessoren – diese Zusatzarbeit des Messverstärkers näher an das analoge Ur-Sensorelement herangerückt beziehungsweise in den mechanischen Körper des Sensors in­tegriert. 

Die Vorteile sind offensichtlich: Weniger Verdrahtung ist nötig, eventuelle Messfehler werden minimiert, auf spezielle Messverstärker je Messgröße kann verzichtet werden. Statt analoger Messwertübertragung können nun auch digitale Schnittstellen bereits am Sensor die Kommunikation übernehmen.

Ein derart ‚smarter‘ Sensor avanciert zu einem selbstständigen Anlagenteil. Bei entsprechender Auslegung seiner Firmware – der Sensor-Software – speichert er seine individuellen Kalibrierdaten, seine Stressdaten (also Minimal- und Maximal-Werte) und Grenzwertüberschreitungen, er führt Berechnungen und Linearisierungen durch und meldet gegebenenfalls sogar vorausschauend mögliche Fehler. In Bussystemen kann sich ein solcher Sensor selbstständig in der Anlage anmelden und einfacher ausgetauscht werden. Ein solches selbstständiges und vorausschauendes Handeln des Sensors kann durchaus als ‚smart‘ bezeichnet werden. 
 

Digitale Netzwerke für die Flüssigkeitsanalyse

Wie nun die Firma Jumo das Thema ‚smarte Sensoren‘ konkret umsetzt, illustrieren zwei Beispiele.

Das erste Beispiel – das eigenentwickelte ‚Digiline‘-System – entstammt dem Bereich der Flüssigkeitsanalyse. Als busfähiges Anschlusssystem für digitale Sensoren ermöglicht es den Aufbau intelligenter Sensornetzwerke. So lassen sich alle wichtigen Messparameter der Flüssigkeitsanalyse mit nur einem System messen. Der Clou dabei: Die Digiline-pH- und Redoxsensoren werden als Einheit, bestehend aus einem Sensor mit wiederverwendbarer Elektronik, geliefert. Erst beim endgültigen Verschleiß der pH- oder Redox-Komponente wird die Verbindung getrennt und die Elektronik lässt sich mit einem neuen Sensor weiter nutzen. 

Das Sensornetzwerk Digiline erweitert die Anzahl anschließbarer Sensoren an die Mehrparameter-Mess- und Regelgeräte ‚Aquis touch‘. Darüber hinaus können die Sensoren direkt – also ohne zusätzlichen Messumformer – in das Automatisierungssystem ‚mTron T‘ von Jumo eingebunden werden.

Unterschiedlichste Sensoren lassen sich in Stern- oder Baumstruktur miteinander verbinden; nur eine einzige digitale Signalleitung geht dann noch zu einer Auswerte-Einheit oder Steuerung. Dies ermöglicht eine effiziente und schnelle Verkabelung von Anlagen, in denen mehrere Parameter gleichzeitig an verschiedensten Stellen zu messen sind.

Da es die meisten Digiline-Sensoren auch mit dem 4- bis 20-mA-Analog-ausgang gibt, ist eine Einbindung der smarten Sensoren in ältere Systeme ebenso möglich.

Dank der zum System gehörenden DSM-Software (Digital Sensor Management) kann die erforderliche Parametrierung sowie die Kalibrierung der pH- oder Redox-Sonde im Labor mit Hilfe eines PC oder Laptop, einem USB-Schnittstellenwandler und der Digiline-Software durchgeführt werden. Kalibrierdaten und die Bewertung des Sensorzustandes sind direkt im Sensor gespeichert und ermöglichen eine lückenlose Dokumentation über den gesamten Lebenszyklus.