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Industrie 4.0: Der Sensor, der zwei Dinge gleichzeitig kann

Das Dual-Channel-Prinzip von Leuze macht Sensoren smart
Der Sensor, der zwei Dinge gleichzeitig kann

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Dual-Channel-Sensoren erfassen auf einem Kanal Messdaten aus dem Prozess in Echtzeit, während der zweite Kanal parallel Daten zur Parametrierung und Diagnose kommuniziert. Bild: Leuze
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Der Optosensorspezialist Leuze bietet Sensoren mit Dual Channel an. Was dahintersteckt und warum das die Basis für eine Kommunikation ins Internet der Dinge darstellt.

❧ Nora Nuissl

Um Zustände von Anlagen und Prozessen überwachen zu können (Condition Monitoring) oder diese vorausschauend zu warten (Predictive Maintenance), braucht es Daten. Die Daten stammen überwiegend aus Sensoren, die Prozessgrößen erfassen und über eine Schnittstelle an abnehmende Systeme, zum Beispiel die Cloud, übertragen. Je nach Sensortyp stehen unterschiedliche Mengen an Daten zur Verfügung. Dabei werden solche Schnittstellen eingesetzt, die der Komplexität der Datenübertragung am besten angepasst sind: einfache binär schaltende Sensoren übertragen den Prozesswert, Status- und Diagnosemeldungen werden über die IO-Link-Kommunikationsschnittstelle gesendet.

Komplexere Sensoren mit einer höheren Funktionalität sind häufig in echtzeitfähige Feldbus-Netzwerke integriert. Sie übertragen auch mehrere Prozess- und Alarmwerte sowie Status- und Diagnosemeldungen und können über die Steuerung auch vollständig parametriert werden.

Mit Industrie 4.0 rücken andere Themen wie Rezepturwechsel oder Formatumstellung stärker in den Fokus. Die dort erforderlichen Daten sind häufig nicht zwingend für die Automatisierungsaufgabe notwendig, helfen dem Anwender aber mit planbaren präventiven Wartungsintervallen, die Verfügbarkeit seiner Anlage zu steigern. Diese Daten werden aus unterschiedlichen Quellen an einer zentralen Stelle wie in einer Cloud zusammengeführt. Das heißt, Unternehmen benötigen hierfür einen anderen Kommunikationscharakter.

Dual-Channel-Sensoren: Unterschiedliche Kommunikationskanäle für unterschiedliche Ziele

Der Sensorhersteller Leuze aus dem baden-württembergischen Owen hat hierfür das Dual-Channel-Prinzip entwickelt. Im Kern sind das zwei parallel betriebene Datenkanäle, die Echtzeit-Daten zur Maschinensteuerung und Zusatzinformationen kombinieren können, wie Ingo Baumgardt, Director Product Center Ident + Vision bei Leuze erklärt.

Während über den ersten Sensorkanal die Daten zur Prozesssteuerung übertragen werden, laufen über den zweiten Sensorkanal die Informationen für das Monitoring und die Analyse der Maschine. Das Prinzip ist bei allen Sensoren mit Schnittstellen dasselbe, unabhängig von deren Komplexität.

Wie schnell das im tatsächlichen Fall geht, variiert minimal: „Eine Trigger-Lichtschranke muss beispielsweise, je nach Applikation, mit 1000 Hz oder mehr schalten können und diese Information verzugsfrei an ein Stellglied der Maschine übertragen. Eine Codelesung hingegen ist zeitlich nicht ganz so kritisch zu betrachten. Aber auch hier muss das Ergebnis innerhalb weniger Millisekunden bewertet werden, damit zum Beispiel die Ware dem richtigen Weg auf einer Förderstrecke folgen kann“, führt Baumgardt aus.

Ein Kanal überträgt Messdaten in Echtzeit, der andere kommuniziert Diagnosedaten

Die gesammelten Daten können dann an Cloud-Applikationen übertragen werden. Das funktioniert über die OPC-UA-Technologie. „Inzwischen ist OPC UA Standard und es gibt hierfür Konnektoren für alle relevanten Cloud-Systeme. Diese Technologie kann aber auch verwendet werden, um Mehrwertdaten innerhalb einer Fertigungseinheit, zum Beispiel mit dem MES oder ERP-System direkt auszutauschen“, sagt Baumgardt.

Der Owener Anbieter von Optosensoriklösungen hat Dual-Channel-Sensoren mit verschiedenen Schnittstellen im Portfolio:

  • Dual-Channel mit SPS-Anbindung,

Betrachtet man beispielsweise den Kontrasttaster KRT18B, der in einer schnelllaufenden Verpackungsmaschine eingesetzt wird, um eine exakte Schnittmarkenposition zu ermitteln, hängt von der Echtzeitfähigkeit des Schaltausgangs die Packqualität der Maschine ab. Aus diesem Grund wird der Schaltausgang eines Kontrasttasters besser nicht über eine Steuerung geschleift, sondern direkt an einen Aktor angeschlossen. Um dennoch die Möglichkeit für das Monitoring und die Analyse der Maschine zu schaffen, verfügt der Kontrasttaster zusätzlich zum schnellen Schaltausgang über eine IO-Link-Kommunikationsschnittstelle. Darüber können der Prozesswert beobachtet, die Funktionsreserve bestimmt und Parametrierungen vorgenommen werden. Sie unterstützt zudem den Kunden beim Rezepturwechsel oder bei der Formatumstellung.

  • Dual-Channel und Industrie 4.0,

Im Rahmen vom industriellen Internet der Dinge (IIoT) und Industrie 4.0 müssen Daten zum Beispiel für das Monitoring und zur Parametrierung möglichst ortsunabhängig und weltweit anderen Automatisierungsteilnehmern zur Verfügung stehen. In der Regel erfolgt dies über Cloudlösungen. Gelten die identischen Voraussetzungen wie oben beschrieben, so ist statt der IO-Link-Verbindung zur SPS eine solche Verbindung zu einem IO-Link-Koppelmodul mit Ethernet-Schnittstelle und OPC-UA-Kommunikationsprotokoll notwendig. Die Anbindung an die Cloud erfolgt dann beispielsweise über ein IoT-Edge-Gateway.

  • und Sensoren mit Feldbusschnittstelle.

Bei komplexeren Sensoren mit integrierter Feldbusschnittstelle bietet Leuze ebenfalls eine Dual-Channel-Lösung. So hat beispielsweise der Barcodescanner BCL 348i unter anderem eine Profinet-Feldbusschnittstelle. Über diese können prinzipiell Prozess- und Alarmwerte, ausführliche Status- und Diagnosemeldungen und die vollständige Geräteparametrierung aus der Steuerung heraus vorgenommen werden. Sollen die Daten zum Monitoring jedoch ortsunabhängig und global zur Verfügung stehen, so bietet der Sensor diese über seine Industrial Ethernet Schnittstelle mit dem OPC-UA-Kommunikationsprotokoll an. Über einen integrierten Cloud-Connector oder ein IoT-Edge-Gateway können diese bis in eine Cloud-Applikation transportiert werden.

Für die Prozesssteuerung sind beide Informationen parallel erforderlich. Für den Kunden ist es somit möglich, zum Beispiel in einem Kontrasttaster Prozesswert, Schaltreserven zu den Schwellwerten oder Verschmutzungszustand kontinuierlich und online im Packprozess einer Verpackungsmaschine auswerten zu können, um Abweichungen vom Sollzustand frühzeitig zu erkennen. Dabei hilft das Dual-Channel-Prinzip.

Kontakt:

Leuze electronic GmbH + Co. KG
In der Braike 1
73277 Owen
Tel.: +497021573–0
www.leuze.com


Ingo Baumgardt ist Director Product Center Ident + Vision bei Leuze in Owen. Bild: Leuze

„Der Kunde kann zu jedem Zeitpunkt erfassen, welche Komponenten in der Maschine im Einsatz sind“

Seit 2018 verfolgt Leuze das Dual-Channel-Prinzip, um Sensoren Industrie-4.0-fähig zu machen. Beispiele aus dem Portfolio sind der Kontrasttaster KRT18B, der direkt mit einer SPS spricht oder der Barcodescanner BCL 348i, der in ein Feldbussystem integriert werden kann. Welche weiteren Produkte sind Dual-Channel-fähig?

Die Leuze-Kontrasttaster der Serie KRT18B können über ihre IO-Link Schnittstelle umfangreiche Daten mit der Steuerung der Maschine (SPS) oder auch einer Cloud-Applikation austauschen. Da IO-Link quasi ein Standard in der binär schaltenden und messenden Sensorik von Leuze ist, kann der Anwender hier aus einer Vielzahl von Produkten auswählen. Der „zweite Kanal“ (Dual Channel) ist ein in Echtzeit schaltender zweiter Ausgang. Er ist speziell bei Trigger-Lichtschranken (PRK) oder Faserverstärkern (LV 463) vorhanden. Das Geräte-Portfolio mit Anbindung über eine Feldbusschnittstelle konzentriert sich bei IIoT-Applikationen auf Sensoren zur Identifikation und Code-Lesung. Ein Beispiel hierfür ist der 1D-Barcodeleser BCL 348i. Ein Weiteres der 2D-Codeleser DCR 248i. Diese Geräte stellen über die integrierte OPC-UA-Schnittstelle Mehrwertdaten parallel zu den steuernden Prozessdaten zur Verfügung.

Wie werden die Produkte am Markt nachgefragt?

Der Bedarf ist groß. Vor allem die Nachfrage nach Integration intelligenter Sensoren mittels IO-Link-Schnittstelle steigt stetig. Aber auch beim Einsatz von OPC UA sind wir nun über die reine Testphase weit hinaus und unsere Kunden nutzen die Technologie in produktiven Anlagen.

Können Sie einen kurzen Anwendungsfall mit konkretem Mehrwert für den Kunden beschreiben?

Ein gutes Beispiel für das Dual-Channel-Prinzip ist der oben angesprochene Kontrasttaster KRT18B. Dieser Sensor wird in der Regel als hochdynamische Trigger-Lichtschranke eingesetzt. Ihr Schaltsignal muss direkt an ein Stellglied verdrahtet werden, da selbst Verzugszeiten von wenigen Millisekunden innerhalb der Maschinensteuerung den Prozess verlangsamen würden. Trotzdem muss der Anwender diese Geräte bei einem Formatwechsel der Maschine neu konfigurieren und möchte dies im laufenden Betrieb beobachten. Damit sich das nicht gegenseitig negativ beeinflusst, bieten unsere Sensoren in diesen Applikationen IO-Link als Mehrwertkanal an. Zusätzlich erhält der Anwender über diesen Kanal automatisch detaillierte Gerätedaten. So kann er jederzeit erfassen, welche Komponenten etwa mit welcher Softwareversion in der Maschine im Einsatz sind.

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