Bild: ra2 studio - Fotolia

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Sie sind die Sinnesorgane der Industrie: Sensoren. Ohne Sensoren arbeiten Maschinen taub und blind. In der Smart Factory warten neue Herausforderungen auf die kleinen Hightechwunder. 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? Eine Bestandsaufnahme…

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.

SmartBridge von Pepperl + Fuchs

SmartBridge von Pepperl + Fuchs: „Die intuitive Smart-Bridge-App listet in einer Übersicht alle in Reichweite befindlichen Sensoren auf und bietet sie zum Verbinden an.“ Bild: Pepperl + Fuchs

„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.

Hintergrundinfo

AMA Trendstudie
In seiner Trendstudie Sensor-Trends 2014 weist der AMA Fachverband für Sensorik detailliert auf die Anforderungen der Industrie an moderne Sensoren hin. Alleine die Zahl der Hersteller industrieller Sensoren und Messsysteme wird vom AMA Fachverband auf europaweit annähernd 1000 Unternehmen geschätzt. Insgesamt sind ungefähr 3000 Firmen, vom Hersteller bis zum Wiederverkäufer, vom Ingenieurbüro bis hin zu spezialisierten Dienstleistern, in der europäischen Sensorik tätig. Die Anzahl der unmittelbar in der Messtechnik beschäftigten Arbeitsplätze, ohne Peripheriegeräte oder Peripherieaktivitäten, beträgt alleine in Deutschland bis zu 290.000 Arbeitnehmer.

Die selbe Sprache sprechen

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.“

DeltaPac von Sick

Zählt ohne Abstände und Verzögerungen: der DeltaPac von Sick. Bild: Sick

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.

Oliver Marks„Sensoren müssen bei steigender Leistungsfähigkeit leicht bedienbar bleiben“
Oliver Marks, Leiter Geschäftsbereich Automation Products bei Turck

„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.

Immer smarter

Drehgeber QR24 von Turck

Der induktive Drehgeber QR24 von Turck: für eine hoch flexibilisierte Produktion. Bild: Turck

Der Trend in der Sensorik geht vom einfachen Messwertaufnehmer zum Smart Sensor mit Firmware-basierter Vorverarbeitung der Messdaten und der Möglichkeit einer weitgehenden Parametrierung des Sensors. Vor allem die zunehmende Vernetzung innerhalb eines Automatisierungssystems erfordert, dass Sensoren heute schon Daten vorverarbeiten und im richtigen Format ins Netz stellen. Soll heißen: Smarte Sensoren können heute schon einfache Aufgaben selbst übernehmen. Der Trend geht jedoch zunehmend zu Sensorkombinationen. Sogenannte Multi-Sensoren lösen Aufgaben, die bisher nur mit aufwändigen Kamerasystemen gelöst werden können.

Claus Melder, Leiter Marketing und Sales Division Presence Detection bei Sick, fasst die Standardfunktionen intelligenter Sensoren zusammen: „Unterschieden wird zwischen der Sensorparametrierung über die Steuerung, dem Condition Monitoring, der elektronischen Dokumentation oder der Sensor-Visualisierung, und den sogenannten Advanced-Funktionen, wie zum Beispiel Hochgeschwindigkeitszählung oder Zeitmessung, die beim Engineering von Verpackungsmaschinen echte Mehrwerte generieren. Diese und weitere Aufgabenstellungen sind regelmäßiger Bestandteil von Engineering-Prozessen.“ Oliver Marks, Leiter Automation Products bei Turck, sieht die Herausforderung in der steigenden Komplexität der Aufgaben und der zunehmenden Modularisierung von Maschinen und Anlagen: „Die Herausforderung wird sein, Sensoren immer intelligenter, also smarter und leistungsfähiger zu machen, aber weiterhin die einfache Bedienbarkeit zu erhalten. Auch eine Austauschbarkeit für den Fall eines Defekts und eine möglichst einfache Duplizierung von Parametersätzen, zum Beispiel für Serienmaschinen, hilft hier, die Komplexität zu reduzieren und Zeit bei der Inbetriebnahme zu sparen.“ Marks erklärt darüber hinaus, warum sich smarte Sensoren immer mehr durchsetzen: „Bisher hat man in vielen Applikationen entweder binäre Sensoren eingesetzt oder Sensoren mit analogem Ausgang. Binäre Sensoren sind relativ günstig und auch der Eingang in der Steuerung ist vergleichsweise kostengünstig gegenüber Analogsensoren. Letztere spielen ihre Stärken bei der Flexibilität aus – sie können den Weg eines beweglichen Maschinenteils kontinuierlich erfassen und müssen daher zum Beispiel bei Umrüstungen auf andere Werkzeuge nicht mechanisch neu eingestellt werden. Hier helfen smarte Sensoren, bei denen Schaltpunkte im Betrieb über die Steuerung neu programmiert werden können – so verbindet man die Flexibilität eines analogen Systems mit den Kostenvorteilen einer binären Abfrage.“

Gleichzeitig spielen die Sicherheit für Mensch, Maschine und Produktionsprozess sowie der Schutz vor Manipulation ebenfalls eine immer größere Rolle. Zusätzliche Features wie Passwortschutz, Frühwarnsignale, sich selbst nachregelnde Sensoren oder grafische Displays werden gefordert und bringen den gewünschten Zusatznutzen – am besten einhergehend mit gleichbleibender oder besserer Performance bei der eigentlichen Aufgabe. Und das alles, ohne die Vernachlässigung der Kostenseite.

Claus Melder„Sensoren und Steuerungen sind nicht mehr nur Mittel zum Zweck.“
Claus Melder, Leiter Marketing & Sales Division Presence Detection bei Sick

Schlussendlich hat die rasante Entwicklung der Sensorik auch Auswirkungen auf die Abstimmung zwischen Sensorherstellern und Maschinenbauern: „Eine frühe Einbindung ist wichtig“, erklärt Claus Melder vom Sensorikspezialisten Sick. „Auch wenn smarte Sensorlösungen nur einen fast verschwindend geringen Anteil an den gesamten Kosten der Maschine ausmachen, besitzen sie doch das Potenzial, die Wertschöpfung nachhaltig zu optimieren. Entsprechend  hat sich auch die Wahrnehmung bei den Maschinenherstellern verändert: Sensoren und Steuerungen sind nicht mehr nur Mittel zum Zweck  – ihrer Bedeutung entsprechend finden sie heute immer früher im Konzeptions- und Konstruktionsprozess einer Maschine Beachtung“, so Melder weiter.

Aus der Praxis

Ein Beispiel für smarte Sensoren sind die Smart Cameras von Wenglor, die den gestiegenen Anforderungen zum Beispiel bei Qualitätskontrollen Rechnung tragen. Stefan Maier, Leiter strategische Geschäftsentwicklung bei Wenglor Sensoric: „Es reicht nicht mehr aus, nur zu erkennen, ob ein Objekt vorhanden ist oder ob ein Merkmal den definierten Anforderungen entspricht. Objekte sollen beispielsweise bei hoher Geschwindigkeit erkannt, darauf angebrachte 1D- und 2D-Codes gelesen, Abstände gemessen, Formen erkannt oder Farben unterschieden werden und das alles lageunabhängig. Zusätzlich sollen die Daten via Profinet ohne Performance-Einbußen übertragen werden und die intuitive Bedienung sowohl am Device als auch ortsunabhängig (zum Beispiel über den integrierten Webserver) möglich sein. Am besten sollten alle Features in nur einem Produkt vereint sein, das kostengünstig und weltweit verfügbar ist. Diese und viele weitere Anforderungen hat Wenglor mit der leistungsstarken Produktplattform weQube als Vision Sensor und Smart Camera realisiert.“ WeQube stellt laut Maier im Voraus sicher, dass künftige Anwendungslösungen integrierbar sind: „Hardware-Komponenten müssen zukunftssicher entwickelt werden und Ressourcen-Reserven aufweisen. Die einfache Integration in bestehende Anlagen, Plug and Play und die Integration bezahlbaren Zusatznutzens gehören dann zum Standardrepertoire neuer Produktserien. Bei der Zunahme an Features und Fähigkeiten der Sensoren ist es wichtig, dass Anwender genau diejenigen Funktionen und Informationen erhalten, die sie für ihre Anwendung benötigen“, erklärt Maier.

Vision-Sensor weQube von Wenglor

Der Vision-Sensor weQube von Wenglor: Mit der weQube-Plattform bietet Wenglor eine zukunftsfähige Smart Camera mit Industrial-Ethernet-Anbindung an, die als Vorzeigeprodukt für den Bereich Bildverarbeitung eine neue Dimension industrieller Automatisierung eröffnen soll. Bild: Wenglor

Der Lichttastsensor DeltaPac von Sick zählt und identifiziert Produkte auf dem Förderband ohne Abstände und Verzögerungen. DeltaPac erkennt genau den Übergang zwischen direkt aneinander anschließenden Verpackungen oder Werkstücken. Das sorgt für eine schnellere, intelligentere, sparsamere und fehlerfreiere Produktion. Montieren, anschließen, detektieren – der Anwender muss sich nicht mit umfangreichen Bedienungsanleitungen befassen. Die Sensorvariante mit IO-Link ermöglicht es, den Sensor entsprechend der Einsatzbedingungen zu parametrieren, zum Beispiel für unterschiedliche Verpackungen.

Berührungslose Sensoren sind die Spezialität von Turck: „Diese arbeiten ohnehin schon wartungsfrei. Gerade bei neuen Produktfamilien wie dem ersten berührungslosen Encoder entfällt zum Beispiel die Wartung bisher hoch beanspruchter Teile wie mechanisch belasteter Lager bei herkömmlichen Encodern.  Und müsste bei der Umstellung auf andere Produkte jedesmal die Sensorik neu justiert werden, wäre an eine hoch flexibilisierte Produktion (Mass Customization), wie sie bei der Smart Factory Wirklichkeit werden soll, nicht zu denken.“ Ein Beispiel ist Turcks induktiver Drehgeber QR24.

Anwender können das Gerät als inkrementellen, Multiturn- oder Singleturn-Drehgeber parametrieren. Bei der IO-Link-Variante lassen sich Ausgangssignale, Schaltpunkte und Messbereiche individuell über die bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Verbindung einstellen. Seit Ende letzten Jahres ist eine Version mit inkrementellem Ausgang und eine weitere mit klassischem Spannungs-/Strom-Ausgang mit 0…10 V oder 4…20 mA erhältlich. Damit sind die hochauflösenden, verschleißfreien und magnetfeldresistenten Drehgeber für zusätzliche Applikationen verfügbar.

Im Zusammenhang mit seiner Smart Camera weQube bietet Wenglor die Fernwartefunktion Teach+ an. Die Funktion ermöglicht den Zugriff auf Prozess- und Parameterdaten, ohne dabei in bestehende Kundennetzwerke und laufende Prozesse einzugreifen. Dies wird durch das passende Hardware-Konzept MultiCore möglich und für den Kunden über eine integrierte Software nutzbar gemacht.

Von Florian Blum
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Florian Blum
Redaktion, ke NEXT

Redakteur für Web-TV und Print. Fachbereiche: Automatisierungstechnik, Maschinenelemente, Werkstoffe, Verbindungstechnik, Halbleiter und Elektrotechnik. Autor zahlreicher Industriefilme und Printbeiträge. Auf der Suche nach dem Bild der Bilder.

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