Sensoren: Die Sinnesorgane für die gesamte Fabrik

Sensoren

Die Sinnesorgane für die gesamte Fabrik

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In der smarten Fabrik der Zukunft kommt Sensoren eine wichtige Rolle zu: Ausgestattet mit der nötigen Portion Intelligenz, entwickeln sich die „Sinnesorgane“ von Maschinen und Anlagen zunehmend zu kleinen Helfern für die Gesamtfabrik.

„Sensoren sind die Sinne von Maschinen und Anlagen. Sie sind wie Augen, Ohren und Fühler. Sie beobachten und erkennen die Abläufe an Maschinen und Anlagen, überwachen und detektieren Produktionsprozesse und signalisieren im Zweifel Überlastsituationen im Sinne von Condition Monitoring“, erklärt Ingo Baumgardt, Head of Sensor Communication bei Leuze Electronic. „Die primäre Aufgabe von Sensoren ist schon heute die Abbildung der Realität“, sagt Philipp Echteler, Project Manager Customer bei Balluff. „Die SPS einer Anlage oder Maschine nutzt die von den Sensoren erzeugten Daten zur Steuerung von Prozessen und Anlagen.“ Er nennt ein Beispiel dafür: Das Positionsfeedback eines Greifers – also „Spannbacken offen“ oder „geschlossen“ – ermöglicht es erst, ein Teil gezielt greifen zu können.
Für Bernhard Müller, der als Mitglied der Geschäftsführung das Thema Industrie 4.0 bei Sick vorantreibt, hat „Sensorik die Aufgabe, die physikalische Welt in verarbeitbare Daten zu überführen und damit die Möglichkeit zu schaffen, mit den daraus entstandenen Daten Maschinen zu steuern, zu betreiben und Informationen zu generieren, die zur Weiterverarbeitung notwendig sind.“
So weit die Gegenwart. Doch welche Rolle spielen Sensoren in der smarten Fabrik der Zukunft? Und wie wandelt sich die Sensorik? „In Industrie 4.0 werden die Sensoren noch intelligenter, die Daten, die wir mit ihnen erfassen, noch wichtiger und die Lösungen, die wir anbieten, noch vielfältiger“, ist sich Sick-Geschäftsführer Müller sicher.
„Grundsätzlich besteht die Aufgabe eines Sensors darin, Sensordaten aufzunehmen und über die Schnittstelle nach außen zu übermitteln. Alle diese Schnittstellen sind heute jedoch ausschließlich dafür geeignet, Prozessdaten zu übermitteln“, erklärte Dr. Henning Grönzin, Director of Research & Development bei Leuze, kürzlich während eines Vortrags. „Allerdings werden zusätzliche und neue Protokolle und Schnittstellen hinzukommen, über die zusätzliche Daten übertragen werden.“ So sei es für manche Anwendungen notwendig, Diagnose- und Parametrierdaten mit dem Sensor auszutauschen – etwa für Diagnose und Predictive Maintainance oder auch für die Formatumstellung bei der Parametrierung von Maschinen und Anlagen im Produktionsbetrieb.
Bei einer spanenden Werkzeugmaschine beispielsweise können selbst erfahrene Mitarbeiter beim Einrichten und Programmieren nicht vollständig ausschließen, dass Werkzeuge unbemerkt schadhaft werden oder sich Werkstücke lösen oder minimal verrutschen. Die Folgen können Beschädigungen und Qualitätsprobleme sein. Mit Industrie-4.0-fähigen Sensoren, die beispielsweise Vibrationen und andere Parameter aufnehmen und einer übergeordneten Instanz bereitstellen, kann man diesen Prozess indes lückenlos überwachen. „So lassen sich beispielsweise über die Vibration schon Anomalien im Prozess erkennen, bevor ein Schaden am Werkstück auftritt“, sagt Echteler.
„Aufgabe der Sensorik ist es heute, Prozessparameter durch einen Abgleich zwischen Soll- und Ist-Werten für den Prozess zu überwachen. Die Schwellwerte sind dabei vorgegeben oder gelernt“, betont Martin Peterek, Oberingenieur in der Abteilung Modellbasierte Systeme am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen. „Im Industrie-4.0-Umfeld der Zukunft aber wird die Sensorik weniger auf den Prozess begrenzt und singulär sein, sondern sich vielmehr auf die Kommunikation und die Weitergabe der Daten spezialisieren. Das heißt, sie stellt eine Datenbasis zum Abgleich eines globalen Zustands beziehungsweise Kontexts in der Fabrik bereit.“
Diese Einschätzung teilt Leuze-Experte Baumgardt: „Bislang werden die Sensordaten in einer zentralen Steuerung gebündelt und ausgewertet. Um Produktionsprozesse wirklich flexibler gestalten zu können, müssen diese beispielsweise mit Kundendaten und -auftragsarten abgeglichen werden, was zu einer Vernetzung mit MES- und ERP-Systemen führt.“ Die Kopplung mit MES- und ERP-Systemen erfolge heute noch überwiegend über die Anlagensteuerung selbst. Dies führt laut Baumgardt dazu, „dass eine stärkere Verbreitung von Sensordaten und Anlageninformationen noch recht aufwendig in der Steuerung nachprogrammiert werden muss“.
Vor diesem Hintergrund erwarten Experten denn auch, dass die Zahl der intelligenten Sensoren, die in einer Fabrik miteinander kommunizieren werden, in den kommenden Jahren deutlich steigen wird: Nach einer aktuellen Studie von Roland Berger wächst das weltweite Absatzvolumen von intelligenten Sensoren jährlich um 17 %. Zwischen 2015 und 2020, so die Prognose der Berater, wird sich die Zahl der verkauften Einheiten voraussichtlich auf 30 Milliarden verdoppeln. Die gute Nachricht für die Kunden: Zwischen 2010 und 2020 wird sich der Preis für Sensoren voraussichtlich halbieren – getrieben durch die zunehmende Konkurrenz im Markt und die wachsenden Nachfrage nach günstigen Produkten. So sinkt der Preis, den die Hersteller für eine einzelne Sensoreinheit auf dem Markt erhalten, im Schnitt jährlich um 8 %.
Voraussetzung für die Verbreitung der Sensorik in der smarten Fabrik der Zukunft ist deren Kommunikationsfähigkeit. Das Referenzarchitekturmodell RAMI 4.0 der Plattform Industrie 4.0 gibt vor, dass ein Sensor über alle Ebenen des Modells Daten austauschen können muss, wenn er als echte Industrie-4.0-Komponente funktionieren können soll. Sick-Geschäftsführer Müller geht deshalb davon aus, „dass in Zukunft alle Sensoren die Anforderungen erfüllen müssen, kommunikationsfähig zu sein“. Leuze-Experte Baumgardt hingegen schränkt ein, dies gelte nur für die Geräte, „die maßgeblich am Produktionsprozess beteiligt sind“ – vor allem aus Gründen der Identifikation und Anlagendokumentation. „Einfachste Komponenten wie beispielsweise induktive oder mechanische Nährungsschalter werden von dieser Forderung wahrscheinlich auch künftig ausgenommen bleiben.“
Doch wie wird die Kommunikation in Zukunft funktionieren? Derzeit liefern die meisten Sensoren noch ein binäres oder analoges Ausgangssignal. Dies ändert sich aktuell, denn Sensoren mit der herstellerunabhängigen IO-Link-Standard-Schnittstelle sind auf dem Vormarsch. „Das ist nicht verwunderlich“, so Balluff-Projektmanager Echteler, „schließlich bietet die standardisierte, digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung Anlagenherstellern und -betreibern vielfältige Vorteile: Sie ermöglicht Sensoren bidirektional zu kommunizieren.“ Damit gilt IO-Link unter Fachleuten als Enabling-Technologie für Industrie 4.0. „IO-Link lässt sich so einfach wie USB beim Computer nutzen, vereinfacht die Installation einer Anlage, spart Kosten und ermöglicht erstmalig die Umsetzung intelligenter Diagnose- und Parametrierkonzepte bis auf Feldbusebene, wie sie das Konzept von Industrie 4.0 vorsieht“, so Echteler weiter. „So lassen sich über IO-Link Schaltpunkte aus der SPS heraus ändern oder Konfigurationen anpassen. Darüber hinaus liefert IO-Link die Möglichkeit, eindeutig die Herkunft der Daten anhand zweier ID-Felder, die im Sensor hinterlegt sind, sicherzustellen. IO-Link gibt also den Sensoren Gehör, eine Stimme und eine Identität.“
IO-Link ebnet den Einstieg in das Szenario Industrie 4.0
Wie sich mit IO-Link-Sensoren die Flexibilität in der Fabrik erhöhen lässt, zeigt das Beispiel einer Verpackungsanlage, auf der Produkte unterschiedlicher Größe verpackt werden: Heute müssen bei jedem Wechsel die Schienen und Führungen dem neuen Format angepasst werden. Dies erfolgt in der Regel per Hand. Außerdem müssen die Schaltpunkte der Sensoren manuell direkt am Sensor eingestellt werden. Dies alles kostet viel Zeit, ist unter Umständen fehleranfällig und verringert die Auslastung der Verpackungslinie. Sind IO-Link-Sensoren in der Anlage verbaut, können diese von der SPS aus direkt auf das neue Format parametriert werden. Im besten Fall geschieht das automatisch gesteuert durch eine Formaterkennung. Die gleiche Vorgehensweise gilt dann in einem zweiten Schritt für Führungen und Schienen, sofern sie mit elektrischen Antrieben ausgestattet sind. Für den Anwender bedeutet dies mehr Flexibilität und eine verbesserte Maschinenverfügbarkeit. Allerdings ist IO-Link laut Sick-Geschäftsführer Müller „nur eine Kommunikationsmöglichkeit für kleinste Sensoren, um Information, Konfiguration und Daten weiterzuleiten. IO-Link wird nur bei kleinen Sensoren verwendet, die selbst nicht in der Lage sind, die zukünftigen Kommunikationsstandards erfüllen zu können“. Deshalb sieht er auch in Zukunft die Existenzberechtigung „für viele andere Protokollvarianten, die von der Sensorik unterstützt werden müssen“. Dazu gehören für ihn Feldbus-Schnittstellen und Schnittstellen der Ethernet-Welt wie MQTT und OPC UA.
OPC UA wird von der Plattform Industrie 4.0 der Bundesregierung als einheitlicher Kommunikationsstandard spezifiziert. Das amerikanische Pendant Industrial Internet Consortium IIC sieht neben OPC UA auch MQTT für den Datenaustausch vor. „MQTT ist das WhatsApp der IoT-Aktivitäten. Es ist ein einfaches und sehr leicht zu implementierendes Publish/Subscribe-Protokoll“, sagt Balluff-Mann Echteler. Für welches Protokoll man sich letztlich entscheide, hänge von der Applikation und ihren Erfordernissen ab. Leuze-Experte Baumgardt betont ebenfalls die Offenheit für beide Protokolle, wünscht sich aber, „dass zukünftig weltweit mit einem einheitlichen Standard kommuniziert wird“.
Um die Vorteile der Sensorik im Industrie-4.0-Umfeld der Fabrik auch im vollen Umfang nutzen zu können, bedarf es jedoch nach Ansicht der Forscher am WZL noch mehr: „Sensor- und Messdaten alleine reichen nicht zur Ableitung einer Entscheidung aus“, mahnt Peterek. „Dafür ist ein mathematisches Modell der zu lösenden Fragestellung notwendig. Modelle bilden die komplexen Wirkzusammenhänge zwischen Struktur, Zustand und Verhalten ab.“ Modelle können sich dabei sowohl auf das Bauteil und auf den Prozess beziehen. „Erst durch Modelle können – zeitlich eingeschränkt – Ereignisse im Systemverhalten vorausgesagt werden.“
Sensordaten ermöglichen erst die Virtuelle Werkzeugmaschine
Als Beispiel dafür nennt er die Virtuelle Werkzeugmaschine: Prozess- oder strukturintegrierte Sensorik werden dabei zur Aufnahme von Maschinendaten eingesetzt. Diese Sensordaten werden in mathematische Modelle der Maschine „eingespeist“ und als eine „Ansammlung“ von Parametern zu einem Maschinen- und Prozesszustand kumuliert. Peterek: „Die Verknüpfung der Modelle führt zu einer virtuell abgebildeten Maschine, deren Zustand und Fertigungsprozesse simulativ abgebildet werden können.“ Dies ermöglicht es dem Maschinenbauer letztlich, die Stabilität der Werkzeugmaschinen deutlich zu erhöhen.
Sabine Koll, Freie Journalistin in Böblingen
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