Intelligente Sensorik und Messtechnik auf dem Vormarsch

Wenn Maschinen mit Maschinen kommunizieren, müssen Sensoren vor allem eines sein: intelligent. Smarte Sensoren setzen neue Maßstäbe in der Anlagenüberwachung und Prozessoptimierung, indem sie sich selbstständig miteinander vernetzen. Wie rüsten sich Sensorikhersteller für die vierte industrielle Revolution und was können intelligente Sensoren bereits heute?

Mehr Produktivität durch Flexibilität: So lautet die Maxime bei der Entwicklung innovativer Maschinenkonzepte für die Fabrik der Zukunft. Die Vernetzung und Kommunikation von Maschinen untereinander hat das Ziel, durch geschickte Selbstorganisation dafür zu sorgen, dass jeder noch so ausgefeilte Kundenwunsch effizient erfüllt wird. Industrie 4.0 bedeutet, dass jede Komponente eines Automatisierungssystems – wie Sensor, Aktor oder Steuerung – mit jeder anderen im Netzwerk direkt kommunizieren kann, ohne über die zentrale Steuerung zu gehen.

„Sensoren müssen kommunizierende, mitdenkende und unterstützende Sinnesorgane für die Smart Factory sein“, erklärt Stefan Maier, Leiter strategische Geschäftsentwicklung bei Wenglor Sensoric. „Die zukünftigen Herausforderungen reichen vom einfachen Erkennen und Überwachen bis hin zur Echtzeit-Erfassung von Messwerten und der Bereitstellung einer Vielzahl von Daten für die vom Anwender genutzten Plattformen. Dies erfordert eine zunehmende Intelligenz der Sensoren am Anwendungsort und die Möglichkeit, bidirektional mit anderen Teilnehmern im Verbund zu kommunizieren. Mit anderen Worten ist eine durchgängige und direkte Kommunikation bis in die Feldebene die notwendige Ausgangssituation dafür.“

Für die dezentrale Steuerungstechnik ergeben sich dadurch einerseits neue Möglichkeiten, andererseits wird die klassische hierarchische Automatisierungspyramide mit der Steuerung als zentralem Element in der Smart Factory auf den Kopf gestellt. „Mit der dezentralen Intelligenz in den Maschinenkomponenten wandert Systemwissen in den Sensor, die Komponenten können selbständige Entscheidungen treffen und müssen keine Entscheidung aus einer zentralen Stelle abwarten“, beschreibt Dr. Thomas Simmons, Geschäftsführer AMA Verband für Sensorik und Messtechnik, die Sensorkommunikation in der Fabrik der Zukunft.

Die Spitze des Eisbergs ist jedoch längst noch nicht erreicht. Für viele Experten ist ein autarkes Zusammenspiel gleichberechtigter Komponenten noch Zukunftsmusik und die Hauptargumente für den alten zentralistischen Ansatz überwiegen: Dezentrale Ansätze mit verteilten Steuerungen müssen sich das Vertrauen der Anwender erst noch verdienen. Eine übergreifende Semantik im Sinne von Industrie 4.0 fehlt bislang.

Dr. Peter Adolphs, Geschäftsführer Entwicklung bei Pepperl + Fuchs: „Die Vernetzung von Sensoren im Rahmen von Industrie 4.0 stellt hohe Anforderungen an die moderne Sensorik. Nicht nur, dass die Sensoren über eine Kommunikationsschnittstelle verfügen müssen, diese muss auch semantisch kompatibel zu den anderen Komponenten der Automatisierung sein. Dies ist die eigentliche Herausforderung im Rahmen von Industrie 4.0. Lediglich dem Sensor ein Feldbus-Interface zu spendieren, reicht in Zukunft nicht mehr aus. Die Semantik der Kommunikation muss übergreifend standardisiert werden, damit Sensoren, Aktoren und andere Teilnehmer die Industrie 4.0-Kommunikation autark nutzen können. Hier sind wir im Rahmen der Plattform Industrie 4.0 gefordert, die notwendigen Grundlagen zu schaffen. Erst dann können wir von einem Smart Sensor im Sinne von Industrie 4.0 sprechen. Und smarte Sensoren sind unverzichtbarer Bestandteil der Cyber Physical Systems, die quasi die Bausteine von Industrie 4.0 sind.“

Anders sieht es aus, wenn die Kommunikationsfähigkeit der Sensoren noch nicht zur Abbildung der Steuerungsfunktion im Sinne von Industrie 4.0 genutzt werden soll, sondern erst einmal nur zum Austausch von Daten für Diagnose, Inbetriebnahme und Fehlersuche. Einen wesentlichen Beitrag zur Standardisierung leistet hier bereits heute das digitale Kommunikationsprotokoll IO-Link. IO-Link wird physikalisch über den ohnehin vorhandenen Prozessdatenanschluss übertragen. Dadurch muss kein zusätzlicher elektrischer Anschluss aus dem Sensor herausgeführt werden. Dies geht mit großen Kosteneinsparnissen einher, da elektrische Anschlüsse in der Regel in IP67 ausgeführt werden müssen und damit einer teuren Mechanik bedürfen. Adolphs geht davon aus, dass künftig sämtliche analogen und parametrierfähigen Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle ausgerüstet sind. Dadurch wäre der Zugriff auf alle relevanten Diagnose-Daten gegeben, wofür sich Anzeigeelemente, wie zum Beispiel Tablets oder Smartphones, anbieten.

Pepperl + Fuchs hat dazu bereits auf der SPS IPC Drives 2013 seine Studie Smart Bridge vorgestellt. „Mit der intuitiven Smart-Bridge-App werden Tablets und Smartphones zu grafischen Bedienoberflächen. Die App listet in einer Übersicht alle in Reichweite befindlichen Sensoren auf und bietet sie zum Verbinden an. Nach abgeschlossenem Connect-Vorgang zeigen sensorspezifische Bildschirmdialoge relevante Daten und dazugehörige Parameter an. Zur Übertagung der Sensordaten vom Sensor zum mobilen Endgerät dient Bluetooth 4.0“, erklärt Adolphs.

„In steigendem Maß werden messende Systeme – dort wo vorher ein Taster eingesetzt wurde – oder parametrierbare Systeme eingesetzt, um dezentral Informationen verarbeiten zu können“, erklärt Oliver Marks, Leiter Geschäftsbereich Automation Products bei Turck. „Die Möglichkeit, Sensoren über das Automatisierungssystem flexibel einzustellen, ist vor allem bei Maschinen von Vorteil, an denen häufig Wechsel von Formaten, Rezepturen oder Produktvarianten stattfinden.

Insbesondere Maschinen und Anlagen der Verpackungs-, Montage-, Holz- und Glasverarbeitungs- sowie Kunststoff- und Gummi-Industrie profitieren von dieser Funktionalität. Denn der Parameter-Download direkt aus einer Steuerung auf gleichzeitig beliebig viele Sensoren spart Zeit, vermeidet Fehler und ist jederzeit dokumentierbar.“ Soll heißen: Nur wenn man dem Sensor auf der einen Seite sagen kann, was er machen soll und auf der anderen Seite mehr Informationen bekommt, als lediglich ein Schaltsignal, arbeitet das Automatisierungssystem als Ganzes intelligent.