IO-Link Für smarte Sensoren

Smart Sensors werden mit Industrie 4.0 in einem Atemzug genannt. Doch was sind überhaupt smarte Sensoren und warum benötigt man diese? Fragen, die vielfach gestellt werden und auf die es hier eine Antwort gibt. Mit IO-Link steht eigentlich schon seit 2006 eine Technologie zur Verfügung, die alle Voraussetzungen für den Einsatz intelligenter Sensoren schafft.

Der Maschinenbau in Deutschland ist weltweit führend. Um diese Position zu sichern und Deutschland auch weiterhin als Produktionsstandort attraktiv zu gestalten, wurde 2013 die Initiative für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 gestartet – als Leittechnologie ausgelobt. Mit politischer Unterstützung sollen Deutschland und Europa auf die nächste Entwicklungsstufe in der industriellen Automation gesetzt werden. Doch wie sieht es aktuell in den technischen Anlagen aus – ist Industrie 4.0 schon spürbar? Die geführten Diskussionen reichen von Resignation bis Euphorie. Sicherlich ist noch keine ganzheitliche Lösung über alle Ebenen vorhanden und die Umsetzung der Visionen benötigt noch Zeit. Doch wird der aktuelle Status häufig zu negativ beurteilt. Die Industrie hat in vielen Bereichen bereits die Hausaufgaben gemacht. Ein Beispiel soll in diesem Artikel näher beleuchtet werden: smarte Sensoren. Hierunter versteht man Sensoren, die neben der eigentlichen Messaufgabe auch komplexe Signalverarbeitung durchführen, parametrierbar und diagnostizierbar sind oder zusätzliche Informationen über sich und die Umwelt bereitstellen können. Diese Sensoren findet man am untersten Ende der Automatisierungspyramide in der Feldebene.

Spricht man über Industrie 4.0, dann sind die Begriffe CPS (Cyber-Physical Systems), IoT (Internet of Things) und „intelligente vernetzte Welten“ nicht weit. Der Begriff des IoT bzw. „Internet der Dinge“ impliziert, dass die Systeme direkt über das Internet verbunden sind. Die technische Realität sieht aufgrund der technischen und kommerziellen Randbedingungen jedoch anders aus. Mit den steigenden Anforderungen der Fertigungsprozesse in der Produktionsindustrie sind die Echtzeitanforderungen dramatisch gestiegen. Zykluszeiten von Steuerungssystemen im Bereich einstelliger Millisekunden, einigen 100 µs oder sogar 10 µs geben die technologischen Randbedingungen vor. Man kann feststellen, dass nur bei einer signifikanten Reduktion der Verarbeitungszeiten die Produktionszahlen steigen oder die Fertigungsgenauigkeit besser wird. Hohe Messraten sind damit Voraussetzung für eine optimierte Produktion. Darüber hinaus werden Sensoren immer komplexer, da im Sinn einer hohen Verfügbarkeit und geringer Anlagenstandzeiten frühzeitig Verschmutzungen oder Verschleißerscheinungen detektiert und präventiv behoben werden sollen.

TCP/IP hat ein Echtzeit-Problem

Würden die Steuerungskomponenten mit konventioneller IP-Technik für die Kommunikation ausgerüstet, dann wären die erforderlichen Performance-Werte mit vertretbarem Aufwand und zu akzeptablen Preisen nicht zu erreichen. All-IP bis in den Sensor kann also nicht das erklärte Ziel sein.

Es zeichnet sich ab, dass man an einer hierarchischen Organisation der Echtzeitwelt nicht umherkommt. Für Kommunikationsanforderungen im Bereich einiger 100 ms ist eine konventionelle TCP/IP-Kommunikation sehr gut geeignet. Uneingeschränkte IT-Kompatibilität stellt umfassende Interoperabilität und eine definierte Sicherheit und Vertraulichkeit her. Dieses ist bis hin in die Steuerung möglich. Für Systeme und Automatisierungsaufgaben mit Zykluszeiten besser als 10 Millisekunden sind speziell abgesetzte Netzwerke notwendig. Unterschiedlichste industrielle Feldbusse – in der Regel Ethernet-basiert – sind hier möglich, jedoch nur mit spezialisierten Protokoll-Stacks, die auf IP-Routing-Eigenschaften verzichten und auf ihren Einsatzfall optimiert sind [1] (Bild 1).

Harte Echtzeitanforderungen sind mit einem TCP/IP Stack mit vertretbarem Aufwand nicht mehr zu erreichen. Fast alle Systemlösungen der verschiedenen Organisationen und Hersteller nutzen nur für zeitunkritische, asynchrone Dienste TCP/IP-Kommunikation. Bei einer deterministischen Kommunikation mit Reaktionszeiten unterhalb einer Millisekunde sind performantere Protokolle notwendig. Dies widerspricht der Idee einer durchgängigen Kommunikation nicht. Die Hersteller bieten von Haus aus Gateways an, die die Echtzeitwelt mit der TCP/IP-Welt verbinden. Darüber hinaus sind offene Standards wie OPC-UA geeignet, die Daten aus der Echtzeitwelt für generelle Anwendungen mit geringeren zeitlichen Anforderungen zur Verfügung zu stellen.

Bleibt die Fragestellung nach der Anbindung von „einfachen“ Sensoren wie Lichtschranken, Initiatoren oder anderen Low-End-Systemen. Die Anforderungen an den intelligenten Sensor sind eng verbunden mit den Forderungen an die Smart Factory:

  1. Durchgängiges Engineering vom Sensor bis zum ERP-System
  2. Verbesserte Instandhaltung durch prädiktives Handeln
  • Automatische Parametrierung von Komponenten nach einem Servicefall
  • Plug-and-Play-Funktionalität für Anlagenkomponenten
  • Lebenszyklusüberwachung von allen produktionsrelevanten Komponenten
X