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Industrielle Automation 5/2016

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Industrielle Automation 5/2016

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Wertschöpfungsketten auf dem Weg zur Vernetzung Was Sensoren der Zukunft alles können sollten und wie neue digitale Geschäftsmodelle entstehen Solche Schnittstellen lassen sich über den Mikroprozessor eines Smart Sensors recht einfach und kostengünstig realisieren. Industrie-4.0-konforme Sensoren der Zukunft Klaus-Dieter Walter Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things (IIoT) erfordern Sensoren mit deutlich verbesserten Kommunikationseigenschaften. Solche Sensoren müssen in Zukunft nicht nur Sensormessgrößen an eine Steuerung liefern, sondern darüber hinaus auch noch eine Smartphone-App oder sogar eine Cloud-Serviceplattform direkt mit Messdaten versorgen. Mit einem derartigen „Smart Connected Sensor“ lassen sich dann Wertschöpfungsketten vernetzen und digitale Geschäftsmodelle realisieren. Klaus-Dieter Walter ist Geschäftsführer bei der SSV Software Systems GmbH in Hannover In der Prozess- und Fertigungsautomatisierung existieren unzählige Sensoren, die über eine einfache analoge oder digitale Schnittstelle direkt mit einer Steuerung verbunden sind. Sie dienen dazu, den Ist- Zustand bestimmter physikalischer Größen zu messen und an eine Steuerungssoftware zu übermitteln, damit diese nach der Auswertung neue Soll-Vorgaben gemäß dem programmierten Regelwerk an Aktoren schicken kann. Im einfachsten Fall besteht ein Sensor aus einem Element zur Messgrößenerfassung mit analogem Ausgang. Aus der physikalischen Messgröße wird ein korrespondierendes analoges Ausgangssignal (Strom, Spannung, Widerstand) erzeugt, dass in der Steuerung digitalisiert und verwertet wird. Es sind allerdings auch zahlreiche „smarte Sensoren“ im Praxiseinsatz. Als „Smart“ wird ein Sensor bezeichnet, der neben dem Sensorelement zur Messgrößenerfassung eine integrierte Signalkonditionierung und einen zusätzlichen Mikroprozessor für die Signalverarbeitung besitzt. Der Sensormesswert steht der Steuerungssoftware dann über eine digitale Kommunikationsschnittstelle (z. B. Modbus, CAN, CANopen, IO-Link, Ethernet usw.) zur Verfügung. Für zukünftige Anwendungen im Umfeld von Industrie 4.0 (I4.0) und dem Industrial Internet of Things (IIoT) reichen die klassischen Sensoren nicht mehr aus. Schließlich will man hier komplette Wertschöpfungsketten mit externen und internen Fertigungsprozessen, die Logistik, die Produktnutzung durch den Kunden, den After-Sales-Service usw. vollständig vernetzen und sogar neue serviceorientierte bzw. digitale Geschäftsmodelle schaffen. In der Praxis werden aber noch keine I4.0/IIoT-konformen Sensorsysteme angeboten. Sie müssen durch ein individuelles Engineering für jeden einzelnen Anwendungsfall zunächst geschaffen werden. Dabei gibt es gerade in der Prozess- und Fertigungsautomatisierung durch Internet-basierte Kommunikationsaufgaben schon heute einen Bedarf an Sensoren, die etwas mehr können als eine physikalische Messgröße in einen 4 bis 20 mA-Strom oder ein digitales Feldbusdatum umzuwandeln. Der Industrie-4.0-konforme bzw. IIoTgeeignete Sensor der Zukunft mit „Verwaltungsschale“ und virtueller Repräsentanz ist bereits ab Werk mit einer offenen IT- Serviceplattform gekoppelt, um anderen Anwendungen den Zugriff auf die aktuellen Sensordaten zu ermöglichen. Ein solcher Smart Connected Sensor (SCS) benötigt idealerweise zwei Schnittstellen: Eine ist mit der Cloud, die andere – wie bisher – mit einer Steuerung verbunden. Eigenschaften eines Smart- Connected-Sensor Ein Smart Connected Sensor wandelt die Messgröße direkt oder indirekt in systemfähige Datenwerte bzw. Informationen um, die als virtuelle Repräsentanz auf einer Serviceplattform für weitere Anwendungen zur Verfügung stehen. Zu einem Smart Connected Sensor gehört daher immer eine spezielle (Cloud-) Serviceplattform zur Weiter gabe der Messgrößen, ohne dass dafür ein zusätzliches Engineering erforderlich wäre. 20 INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2016

Über die Cloud-Serviceplattform müssen sich Zusatzfunktionen realisieren lassen, zum Beispiel der Abgleich der vom Sensor erhaltenen Messgröße mit einer IT-Datenbank, um die Messdaten in einen Anwendungskontext zu setzen und bei Bedarf einen Alarm oder eine Benachrichtigung zu verschicken. Stellen Sie sich als Beispiel einfach einen Füllstandssensor vor, der den jeweils gemessenen Füllstand bei jeder Änderung an eine Cloud-Serviceplattform im Internet schickt. Dort wird der Messwert von einer dem SCS zugeordneten Softwarekomponente entgegengenommen und bzgl. bestimmter Grenzwerte geprüft. Wird zum Beispiel der Wert für den Mindestfüllstand unterschritten, verschickt die Serviceplattform eine Auffüllbenachrichtigung an eine hinterlegte Adresse. Vielfalt der Kommunikation Um sowohl eine Cloud als auch die lokale Steuerung mit Messwerten zu versorgen, benötigt der SCS zwei voneinander unabhängige Kommunikationsschnittstellen mit unterschiedlichen Eigenschaften (siehe Bild unten). Über ein solches Dual-use-Interface wird – wie bei einem Smart Sensor – eine Steuerung per Modbus, CAN, CANopen, IO-Link, Ethernet usw. mit den Sensordaten versorgt. Das zusätzliche Sensor-Interface ist indirekt oder direkt mit einer Cloud-Serviceplattform verbunden. Ändert sich der Sensor-Datenwert um einen bestimmten Prozentsatz, wird ein Daten- Update an die Cloud geschickt und dort gespeichert. In der Cloud existiert zum Beispiel ein JSON-Datenobjekt als virtuelle Repräsentanz für die Sensordaten. Dieses Datenobjekt beinhaltet zu jedem Zeitpunkt das aktuelle Messgrößenabbild des jeweiligen Sensors. Auf die virtuelle Repräsentanz der Sensordaten können andere Anwendungen über Standard-IT-Schnittstellen zugreifen. IoT-Technologie-Stacks für Sensoren, wie zum Beispiel Thinglyfied, ermöglichen darüber hinaus die Ausführung spezieller Script-Programme direkt in der Cloud, um die für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Zusatzfunktionen zu realisieren. Direkte oder indirekte Vernetzung Ein Smart Connected Sensor kann auf unterschiedliche Art und Weise mit der Cloud-Serviceplattform kommunizieren. Im für den Anwender einfachsten Fall besitzt der Sensor ein internes 2G/3G/4G-Mobilfunkmodem mit integrierter SIM-Karte und kann über das Mobilfunknetz eines Netzwerkproviders die Cloud erreichen. Diese Lösung ermöglicht eine vollständige Vorkonfiguration ab Werk, sodass der Sensor im Feld einfach nur noch installiert werden muss. Auch ein integriertes Wi-Fi- Interface ist denkbar, oder aber eine „Wireless Sensing“-SCS-Variante, die per Short- Range Wireless Network (z. B. ZigBee, Bluetooth, Wireless M-Bus) mit einem speziellen Gateway kommuniziert, das die Sensormessgrößen an die Cloud-Serviceplattform weiterleitet. Dann sind TCP/IP plus Security nur im Gateway erforderlich. Der einzelne Wireless Sensing-Knoten wäre dann sehr viel kostengünstiger realisierbar. Für viele Anwendungen reicht es aus, wenn der Sensor lediglich eine preiswerte Bluetooth Low Energy- (BLE-) Schnittstelle besitzt und zusammen mit einer Smartphone-App ausgeliefert wird. Der Sensor selbst hat dann keine direkte Verbindung in die Cloud. Diese wird über die App realisiert. Die App kann Sensordaten vorverarbeiten, verändern, zwischenspeichern und auch gleich vor Ort visualisieren. Überschaubare Herausforderungen Die erweiterten Anforderungen an die Kommunikationsfähigkeiten zukünftiger Industrie-4.0-geeigneter bzw. IIoT-fähiger Sensoren stellen eine technische Herausforderung dar, die sich durch den Einsatz passender Werkzeuge mit überschaubarem Aufwand bewältigen lässt. Ein IoT-Technologie-Stack für Sensoren, wie Thinglyfied (http://goo.gl/MzNr6O), hilft bei der Umsetzung und ermöglicht wettbewerbsfähige Sensoren mit höherem Kundennutzen. www.ssv-embedded.de Klein. Robust. Präzise. Magnetoresistive Sensoren Zum berührungslosen Messen von Weg, Winkel, Position, Strom oder Magnetfeld. Zuverlässig und flexibel einsetzbar, vor allem unter extremen Bedingungen. Curiosity auf dem Mars. Sensoren von Sensitec mit an Bord. Besuchen Sie uns: electronica, B1 | 334 SPS IPC Drives, 3A | 250 Smart Connected Sensor (SCS) mit einem Dual-use-Interface Sensitec GmbH Georg-Ohm-Str. 11 · 35633 Lahnau Tel.: +49 6441 97 88-0 Fax: +49 6441 97 88-17 E-Mail: sensitec@sensitec.com www.sensitec.com

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