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Datenfluss

Von unten nach oben

Wer es mit Industrie 4.0 wirklich ernst meint, muss in letzter Konsequenz Daten aus der Feldebene bis in die Cloud verfügbar machen. So wird der Sensor an der Anlage zum Enabler für die vierte industrielle Revolution. Der Kommunikationsstandard OPC UA bietet hierfür viele Möglichkeiten.



Bild: Leuze electronic GmbH+Co.KG

Als Hersteller von Sensorik und mit Kompetenz in Connectivity beschäftigt sich der Leuze Electronic tagtäglich intensiv mit den Möglichkeiten, die Industrie 4.0 bietet, und sieht diese als Chance für neue Geschäftsmodelle. „Dass Prozess- und Diagnosedaten aus der Feldebene in verschiedene Ebenen bis in die Leitebene durchgereicht werden, ist nicht mehr neu“, so Henning Grönzin, Director of Research and Development. „Für eine weitreichende Industrie 4.0-Implementierung müssen wir uns der Herausforderung stellen, die Daten künftig parallel zur Steuerung bis in die Cloud verfügbar zu machen“. Der Sensor wird zum Enabler für Industrie 4.0, die Sensorik zur Datenquelle für Service- und Big Data Ansätze, verbunden mit einer erhöhten Datentransparenz, für die Leuze Electronic mit Smart Sensor Business für einen erhöhten Applikationsnutzen seiner Kunden steht.

Der zweite Kanal

Eine wichtige Rolle bei der Industrie 4.0-Implementierung spielt der zweite Kanal. Die Aufgabe eines Sensors besteht darin, Sensordaten aufzunehmen und über die Schnittstelle nach außen zu übermitteln. Bei einfachen binär schaltendenden Sensoren ist das meist nur ein Schaltbit, bei distanzmessenden Sensoren wird als Schnittstelle oft ein Analogausgang verwendet. Bei Absolutwertgebern werden die Positionsinformationen in der Regel über serielle Schnittstellen, wie zum Beispiel SSI übertragen. Alle diese Schnittstellen sind ausschließlich dafür geeignet, Prozessdaten zu übermitteln. Ein wichtiger Gesichtspunkt für einen Weg Richtung Industrie 4.0 ist das Thema Diagnose und Rezepturwechsel/Formatumstellung bei der Parametrierung der Maschine im Produktionsbetrieb. Dafür ist es nötig, Diagnose- und Parametrierdaten mit dem Sensor auszutauschen. Eine Möglichkeit hierfür ist, in den Sensor eine Kommunikationsschnittstelle zu implementieren. Je nach Leistungsbedarf und Kostenpunkt kann das eine Feldbusschnittstelle, wie zum Beispiel Profinet, oder eine standardisierte serielle Kommunikationsschnittstelle wie IO-Link sein.

Über diese Schnittstellen werden sowohl die Prozess- wie auch die Diagnose- und Parametrierdaten mit der Steuerung ausgetauscht. Dies ist ein erster Schritt in Richtung größerer Datentransparenz. Schwieriger wird es mit der Datentransparenz, wenn es sich um Sensoren handelt, die normalerweise nicht an eine Steuerung angeschlossen sind. Das ist meist der Fall, wenn die hohen Echtzeitanforderungen die Kommunikation über die Steuerung nicht zulassen. Beispiele dafür sind Kontrasttaster oder Absolutwertgeber. Bei einem Kontrasttaster liegt die Ansprechzeit typischerweise im Bereich 20 bis 50 Mikrosekunden. Sie ist damit um zwei bis drei Größenordnungen kürzer als typische Reaktionszeiten von Feldbussen und Steuerungen. Diese extrem kurze Ansprechzeit und ein kleiner Jitter werden benötigt, um in schnell laufenden Verpackungsmaschinen eine exakte Schnittmarkenposition zu ermitteln um dadurch eine hohe Packqualität zu erreichen. Aus diesem Grund wird der Schaltausgang eines Kontrasttasters meist nicht an die Steuerung, sondern direkt an ein Ventil oder einen Antrieb angeschlossen.

Dual Channel-Schnittstelle

Um trotzdem die Möglichkeit eines automatischen Rezepturwechsels zu schaffen, sind moderne Kontrastsensoren wie der KRT18B mit einer Dual Channel-Schnittstelle ausgestattet. Neben dem schnellen Schaltausgang haben die Sensoren eine IO-Link Kommunikationsschnittstelle, die eine Kommunikation mit der Steuerung und damit eine Diagnose und Parametrierung über das SPS-Programm zulässt. Auch bei Absolutwertgebern führen die hohen Echtzeitanforderungen dazu, dass die Positionsdaten in der Regel direkt an einen Motortreiber übertragen werden und nicht über die Maschinensteuerung laufen. Auch hier bietet Leuze Electronic Dual Channel-Lösungen. Als Beispiel ist das optische Lasermesssystem AMS300 mit einer SSI Schnittstelle ausgestattet, die eine schnelle Übertragung der Positionswerte an den Frequenzumrichter und somit eine hochdynamische Positionierung ermöglicht. Parallel dazu gibt es eine Feldbusschnittstelle, die Daten für eine einfache Diagnose und Parametrierung mit der Maschinensteuerung austauscht. Durch den Dual Channel-Betrieb erfüllen die Sensoren die hohen Echtzeitanforderungen der Kunden und lassen trotzdem eine Diagnose und Parametrierung aus der Steuerung heraus zu. Eine intelligente und standardisierte Datenschnittstelle ist die Voraussetzung für einen hohe Datentransparenz und damit eine Basis für Industrie 4.0.

Die Schnittstelle alleine reicht aber noch nicht, um Industrie 4.0-Systeme realisieren zu können. Das Referenzarchitekturmodell RAMI 4.0 der Plattform Industrie 4.0 liefert eine Darstellung für Industrie 4.0. Industrie 4.0-Komponenten müssen sich durch dieses Modell beschreiben lassen. Das bedeutet, dass ein Sensor (Field Device) über alle IT-Ebenen kommunizieren können muss. Das kann ein Sensor mit IO-Link-Schnittstelle oder integriertem Feldbus nicht leisten, da diese Schnittstellen ausschließlich mit der Steuerung kommunizieren, aber keine Daten in die oberen IT-Ebenen abgeben können. Aus diesem Grund verfügen intelligente Sensoren neben der Feldbusschnittstelle über eine weitere Schnittstelle, die direkt in die höheren IT-Ebenen kommunizieren kann. Heute wird hierfür ein Webserver eingesetzt. Der Webserver erlaubt eine einfache Diagnose, ohne auf die Steuerung zugreifen zu müssen und ermöglicht einen globalen Zugriff auf den Sensor. Ein Webserver lässt sich heute noch nicht in einfache Sensoren. Deshalb hat Leuze diese Kommunikationsschnittstelle in den IO-Link-Feldmaster MD700i integriert. Dieser Master verbindet bis zu vier IO-Link-Sensoren über einen Feldbus mit der Steuerung. Parallel erlaubt der Webserver die Kommunikation über alle IT-Ebenen und damit einen einfache globale Diagnose. Auf diese Weise kann die Insel aus mehreren einfachen Sensoren am IO-Link-Master wieder als Industrie 4.0 beschrieben werden.

OPC UA als I4.0-Bestandteil

OPC UA ist eine weitere Form eines zweiten Kanals für Sensoren. Im Gegensatz zu der ursprünglichen OPC steht OPC UA als Plattform-übergreifende Implementierung und ist damit nicht mehr an Windows Plattformen gebunden, sondern kann auch auf Embedded Systemen implementiert werden, wie sie üblicherweise in Sensoren vorkommen. Zudem lassen sich Daten, die auf dem OPC UA-Informationsmodell basieren, mit den OPC UA-Protokollen über alle Ethernet basierenden Busschnittstellen übertragen. Des Weiteren beinhaltet OPC UA eine Securityimplementierung, die aus Authentifizierung, Autorisierung, Verschlüsselung und Datenintegrität mit Signaturen besteht. Von der Feldebene kann OPC UA über zwei unterschiedliche Mechanismen in höhere Schichten kommunizieren, entweder über eine Client/Server-Kommunikation oder über ein Publisher-Verfahren. Bei der Client/Server-Kommunikation wird in der Datenquelle – beispielsweise ein Sensor – ein OPC UA Server integriert, der Daten an einen Datenabnehmer liefern kann. Beim Publisher Verfahren wir ein UPC UA-Publisher in der Datenquelle integriert. Dieser Publisher kann dann verschiedenen Datenabnehmern seine Daten zur Verfügung stellen. Gibt es mehr als eine Datenquelle im System, kann der Datenabnehmer entscheiden, an welchen Daten von welchem Publisher er interessiert ist. Der Abnehmer muss damit nicht immer die Daten aller Publisher empfangen. Über dieses Verfahren ist zum Einen eine Kommunikation von m-Datenquellen zu n-Datenabnehmern möglich. Zum anderen kann sich eine Datencloud interessante Daten direkt von der Datenquelle holen. Auch in der gegengesetzten Richtung (von der Cloud in den Sensor) wird in der Zukunft eine Kommunikation möglich sein. OPC UA kann somit die Schichten der Automatisierungspyramide quasi ‘durchtunneln’ und eine standardisierte Kommunikation von Sensoren und Aktoren unterschiedlicher Hersteller, die über unterschiedliche Bussysteme angebunden sind, direkt mit einem Cloudbasierten ERP-System ermöglichen. Mit der sicheren Kommunikation ist sogar ein Austausch von Daten zwischen unterschiedlichen Systemen über öffentliche Kanäle denkbar.

Da Industrie 4.0 und Industrial IoT für den Austausch von Daten zwischen erfassenden und agierenden Einheiten (Sensoren und Aktoren) über alle Systemgrenzen hinweg steht, ist OPC UA ein wichtiger Bestandteil von Industrie 4.0 und mit den oben genannten Eigenschaften einer der wichtigsten Kandidaten für einen zukünftigen Standard in der Maschine-to-Maschine Kommunikation. Daten von Sensoren lassen im industriellen Umfeld im Sinne von Industrie 4.0 in unterschiedliche Kategorie einordnen. Hier sind insbesondere Prozessdaten, Diagnosedaten, Konfigurationsdaten und statistische Daten zu nennen. Diese Kategorien variieren stark in ihren Echtzeitanforderungen: Prozessdaten in hochautomatisierten Prozessen haben Echtzeitanforderungen im sub-millisekunden Bereich. Prozessdaten in einer teilautomatisierten Fertigung, Diagnosedaten und Konfigurationsdaten haben dagegen deutlich weniger restriktive zeitliche Anforderungen. Statistische Daten wiederum können in der Regel gar nicht schnell erfasst werden, da es sich um eine Datenaggregation handelt, wie bei der Erfassung von driftenden Mittelwerten. Um Letztere geht es bei den gängigen Ansätzen von ‘Predictive Maintainance’. Als Beispiel mag der Nachlauf einer Drehbank nach dem Abschalten dienen: Verkürzt sich der Nachlauf, mag sich ein Lagerschaden an der Drehbank andeuten. Somit kann eine statistische Auswertung des Nachlaufes bei jedem Ausschalten der Drehbank Aufschluss über den Zustand der Drehbank geben.

Diagnose- und Prozessdaten

Diese Art Daten zu sammeln, ist nicht mit Diagnosedaten in der Feldebene zu verwechseln. Bei Diagnosedaten werden vorimplementierte Diagnosefunktionalitäten von Maschinenkomponenten angesprochen wie die Selbstdiagnose eines Sensors. Schnelle Prozessdaten werden aufgrund der harten zeitlichen Anforderungen, die für logische Entscheidungen benötigt werden, bis auf Weiteres in der Steuerungsumgebung gesammelt und bearbeitet. Bei der Übergabe von Parametrier- und Diagnosedaten handelt es sich in der Regel um eine Kommunikation zwischen einer spezifischen Maschinenkomponente (zum Beispiel einem Sensor) und einem Maschineneinrichter oder Servicepersonal. Hier bietet sich der Zugriff über einen Webserver an. Für statistische Daten und langsame Prozessdaten, wie die Erfassung eines sich langsam ändernden Füllstandes, bietet sich hingegen die direkte Erfassung in einem ERP System an. Aus dem ERP System können dann unmittelbar weitere Aktionen im Sinne von Industrie 4.0, wie eine Nachbestellung oder Erteilung eines Serviceauftrages ausgelöst werden. Da OPC UA direkt Sensor und Aktor Daten in die ERP-Cloud übertragen kann, ist OPC UA prädestiniert für die Übertragung solcher statistischen Daten.

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