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Industrielle Automation 2/2017

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Industrielle Automation 2/2017

HANNOVER MESSE

HANNOVER MESSE 2017 I SPECIAL Industrie-4.0-konform Intelligente Sensoren für die vernetzte Kommunikation von morgen Die zunehmende Digitalisierung stellt an Sensoren ganz besondere Anforderungen. Wir stellen Ihnen intelligente Systeme und Konzepte vor, die sich schon heute in Zukunfts- Szenarien einsetzen lassen. In Industrie-4.0-Szenarien spielen Sensoren als Informationsquelle eine wesentliche Rolle. Sie liefern einen Großteil der Daten, die in horizontal und vertikal vernetzten Strukturen übertragen werden. Die Kommunikation erfolgt dabei in Industrie-4.0- konformer Weise zwischen Industrie-4.0- Komponenten. Als solche Komponenten werden die Geräte selbst („Assets“) in Verbindung mit ihrer sogenannten Verwaltungsschale betrachtet, die alle Daten der Komponente über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg enthält und die Indus trie- 4.0-konforme Schnittstelle bereithält. Da nur die Verwaltungsschale in der Indus trie-4.0- Welt in Erscheinung tritt, können zur Kommunikation zwischen dem Asset und der Verwaltungsschale auch nicht ethernetbasierte Lösungen eingesetzt werden. Zudem kann die Verwaltungsschale oder Teile davon auch außerhalb des Assets selbst realisiert sein. Neben der Kommunikationsfähigkeit von Sensoren müssen sie auch möglichst klein und in Schutzart IP 67 ausgeführt sein, damit sie sich auch an Positionen einsetzen lassen, die nur einen geringen Einbauraum zur Verfügung stellen. Außerdem müssen Sensoren kostengünstig und wirtschaf tlich sein, damit deren Einsatz auch in großen Stückzahlen rentabel bleibt. Kommunikation & Identifikation Die an Industrie-4.0-Sensoren gestellten Anforderungen beziehen sich auf die wesentliche Faktoren Kommunikationsfähigkeit, Identifizierbarkeit sowie das Datenmanagement. Dabei lassen sich die verschiedensten industriellen Sensoren anhand ihrer Schnittstellen in drei Klassen einteilen. Das sind zum einen komplexe Sensoren mit Ethernet-Schnittstelle, Sensoren mit integriertem parametrierbaren Controller und bidirektionaler Schnittstelle sowie einfache Sensoren, die lediglich Schalt- oder Analogsignale ausgeben. Einfache Sensoren, die nur über eine unidirektionale Schnittstelle verfügen, sollen hier nicht näher betrachtet werden, da diese keine eindeutige Identifikation ermöglichen und somit keine Industrie-4.0-Konformität erreicht wird. Auf komplexen Geräten mit Ethernet-Schnittstelle gestaltet sich die Ausführung als Industrie-4.0-Komponente relativ einfach. Voraussetzung ist jedoch eine ausreichende Rechenleistung sowie genügend Speicherplatz. Die Kommunikations-Schnittstelle kann Industrie-4.0- konform ausgeführt werden, beispielsweise durch einen auf dem Gerät implementierten OPC/UA-Server. Bei Sensoren mit integrierten Controllern sind unterschiedliche Parametrier-Schnittstellen und -Techniken gebräuchlich. Lösungen, die auf RS232- oder USB-Hardware aufsetzen und proprietäre Protokolle umsetzen sind wegen der fehlenden Standardisierung für Industrie 4.0 nicht einsetzbar. Hier bietet sich IO-Link als geeigneter Standard an. Das Protokoll nutzt die bereits etablierte drei-, vier- oder fünf-adrige Verdrahtung zur bidirektionalen Kommunikation und ist zusätzlich im sog. SIO-Modus komplett abwärtskompatibel zu binären 24-V-Schaltsignalen. Sensoren, Aktoren, Anschaltmodule oder auch Steuerungen sind heute in vielen Varianten mit IO-Link- Funktionalität auf dem Markt verfügbar. Die IO-Link Community zählt mehr als 150 namhafte Hersteller au s aller Welt. Die Identifikation von Sensoren oder Aktoren ist mit IO-Link anhand von Vendor-Id, Device-Id und Seriennummer eindeutig möglich. Bei allen anderen Sensoren mit bidirektionaler Schnittstelle oder einer Ethernet-Schnittstelle ist die eindeutige Identifikation des Sensors zum Beispiel an hand einer Hersteller-Kennung und der Seriennummer möglich. Für alle Typen von Sensoren müssen mehr oder weniger große Teile der Verwaltungsschale extern abgebildet werden. Datenblätter, CAD-Konstruktionsdaten, Zulassungen etc. müssen allein schon wegen der Dateigrößen auf zentralen Servern gehalten werden. Rund um das Datenmanagement Neben den reinen Messwerten stellen Sensoren eine ganze Reihe von zusätzlichen Daten bereit, die zum Teil für Industrie-4.0- Prozesse zwingend erforderlich sind. Identifikationsdaten: Dies sind Herstellerund Typ-Kennung sowie Seriennummer. Als Ergänzung ist meistens eine vom Anwender beschreibbare Kennung vorgesehen, in welcher z. B. der Einbauort in geeigneter Form eingetragen werden kann. Parameter: Von Sensoren werden Anpassungsfähigkeiten an sich ändernde Bedingungen gefordert. So ist es beispielsweise in Dipl.-Ing. Benedikt Rauscher, Leiter Globale IoT/ I4.0 Projekte, Pepperl+Fuchs, Mannheim 26 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2017

SPECIAL I HANNOVER MESSE 2017 flexiblen Produktionsmaschinen erforderlich, dass Schaltschwellen von Sensoren bei Produktwechseln – insbesondere bei kleinen Losgrößen – schnell und automatisch angepasst werden können. Dazu müssen Parameter zu den Sensoren übertragen und zu Archivierungszwecken auch wieder aus diesen ausgelesen werden können. Statusdaten: Diese geben Auskunft über den Zustand, in dem sich ein Sensor befindet. Das können zusätzliche Temperaturwerte oder die Betriebsdauer sein, aber auch auf die Messung bezogene Qualitätswerte. Hier ist als Beispiel das Verhältnis von ausgesandtem zu empfangenem Signal zu nennen, welches Rückschlüsse über die Stabilität der Messwerte ermöglicht (sog. “Funktionsreserve“). Diese Daten werden typischerweise nicht auf der Steuerungsebene verarbeitet, da sie für die reine Sensor-Aufgabe nicht erforderlich sind. Vielmehr können solche Informationen in übergeordneten IT-Systemen für Anwendungen wie Bestandsverwaltung („Asset Management“), zustandsbasierte Wartung („Condition based maintenance“) oder vorausschauende Wartung („predictive maintenance“) genutzt werden. Die Datenübertragung kann hier in vergleichsweise langsamen Taktzyklen von mehreren Sekunden oder rein eventbasiert erfolgen, da sich die Werte im Betrieb des Sensors nur langsam oder auch gar nicht ändern. Datenübertragung über cloud-basierte Plattformen Ein wichtiger Anwendungsbereich von Sensoren liegt in Regelkreisen, bei denen Sensoren Ist-Werte aufnehmen, um diese mit Soll-Werten zu vergleichen. Häufig bestehen dabei harte Echtzeit-Anforderungen. Denn um schnelle Prozesse zu regeln, müssen Sensorwerte im Mikro-/Millisekunden-Takt bereitgestellt werden. Gemäß der traditionellen Automatisierungs-Pyramide sind Sensoren als Feldgeräte daher entweder direkt oder indirekt über Feldbus-Anschaltmodule an Steuerungen angeschlossen, sodass jegliche Sensordaten auch nur auf der Steuerungsebene bereitstehen. Dort werden die Sensor-Signale von leistungsfähigen und modular aufgebauten Steuerungs-Systemen verarbeitet, für die auch komfortable Programmier-und Test-Umgebungen bereitstehen. Diese von Sensoren zusätzlich gelieferten Informationen müssen jedoch in hohen Datenvolumina sowie über längere Zeiträume hinweg verwaltet werden. Und dafür eignen sich die üblichen Steuerungs-Systeme nicht. Daher setzen Unternehmen 01 Ultraschall-Sensor UC500 mit Verwaltungsschale gerne auf cloud-basierte Plattformen, auf die IT-Systeme mit verschiedensten Anwendungen zugreifen können. Somit müssen die Sensordaten zur Cloud-Plattform geschickt werden, während parallel die zeitkritische Übertragung an die Steuerung erfolgt. In den meisten Fällen werden Gateways eingesetzt, um die unterschiedlichen Anforderungen zu trennen. Solche Geräte gibt es in verschiedenen Ausführungen. Häufig stellen sie meh rere IO-Link Ports zum Anschluss von IO-Link Sensoren bereit und kommunizieren mit der Steuerung über ein Feldbus-Protokoll wie Profinet, EtherCat oder Ethernet IP. Die Datenübertragung zur Cloud-Plattform erfolgt über dort übliche Protokolle wie MQTT, AMQP oder OPC/UA. Bilder: Aufmacher Fotolia, sonstige Pepperl+Fuchs www.pepperl+fuchs.com 02 Abstandssensor OMT100 mit IO-Link Schnittstelle und Funktionsreserve-Signal Your Global Automation Partner Multiresistent! Verschleißfreie Kompakt-Drehgeber Perfekt zugeschnitten auf Mobile Arbeitsmaschinen: übertrifft e1/E1-Anforderungen, 8…30 VDC, -40…+85 71 x 64 x 20 mm, Deutsch-, AMP-, M12-Steckverbinder oder Kabel Absolut verschleißfrei durch komplett umschlossenen Positionsgeber und berührungsloses Resonator-Messprinzip Dauerhaft dicht (Schutzart IP67/IP69K) durch komplett vergossene und dichtungslose Bauweise °C, Hannover Messe Wir sind für Sie da! Halle 9, Stand H55 www.turck.de/qr20

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