Ein Plädoyer für smarte Sensoren

Smarte Sensoren sind ein wesentlicher Bestandteil der Industrie 4.0. Dank IO-Link gibt es seit 2006 sogar die technologische Möglichkeit, sämtliche Voraussetzungen für den erfolgreichen Einsatz von intelligenten Sensoren zu schaffen. Doch es gibt auch noch viel zu tun.

Smarte Sensoren in Deutschland – Wo stehen wir und wo wollen wir hin?

Der deutsche Maschinenbau hat eine globale Führungsrolle inne. Damit das auch so bleibt, hat die Bundesregierung 2013 die Initiative für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 ins Leben gerufen. Die Diskussionen zu diesem Thema umfassen ein breites Spektrum – von Resignation bis hin zu Euphorie. Doch ein sehr einleuchtendes Beispiel dafür, dass diese Debatte viel zu häufig allzu negativ geführt wird, sind smarte Sensoren.

Smarte Sensoren können mehr als normale Sensoren:

  • Neben ihrer eigentlichen Messaufgabe führen sie auch komplexe Signalverarbeitung durch.
  • Sie sind parametrierbar und diagnostizierbar.
  • Sie bieten u. U. weitere Informationen über ihre Umwelt oder über sich selbst. 
  • Sie befinden sich dabei als Fundament der Industrie 4.0 am untersten Ende der Automatisierungsebene, also in der Feldebene.

In einem Atemzug mit smarten Sensoren und der Industrie 4.0 ist auch das „IoT (Internet of Things)“, das sogenannte Internet der Dinge, zu nennen. Es impliziert die Verbindung von Systemen via World Wide Web bzw. Cloud. Die technische Realität gestaltet sich jedoch aufgrund technischer und kommerzieller Randbedingungen oftmals anders und es besteht noch großes Optimierungspotenzial. Das ist u. a. auf hohe Messraten, die für eine optimierte Produktionstechnik erforderlich sind, zurückzuführen. Auch die zunehmende Komplexität der Sensoren erschwert ihre praktische Umsetzung im Rahmen des IoT.

Die hohen Anforderungen an möglichst präzise Echtzeit Messungen sind es auch, die eine hierarchische Organisation der Echtzeitwelt unabdingbar machen. Denn mit der konventionellen IP-Technik kann das erforderliche Performance-Ziel nicht erreicht werden, zugleich ist sie für Bereiche weniger 100 ms durchaus nützlich. Erst ab Zykluszeiten von mehr als 10 Millisekunden brauchst es speziell abgesetzte Netzwerke.

Bild 1: Die Topologie für Automatisierungssysteme ist entschieden: IP-Protokolle eignen sich nur, solange die Echtzeitanforderungen nicht zu streng sind.

Durch Gateways wird eine durchgängige Kommunikation ermöglicht, die Echtzeitwelt und TCP/IP-Kommunikation miteinander verbinden. Offene Standards wie OPC-UA sind dann geeignet, um die Daten praktisch verfügbar zu machen.

IO-Link als intelligente Sensorschnittstelle

Die Antwort auf die diese unterschiedlichen Fragestellungen rund um das Thema smarte Sensoren und ihre Einbindung in das Internet der Dinge bietet der sogenannte IO-Link. Der IO-Link ist kein Feldbus, sondern eine Ein-/Ausgangsverbindungsleitung, die die Datenbereitstellung auf einem standarisierten M8- bzw. M12-Stecker ermöglicht. Die Kompatibilität mit bestehenden digitalen Systemen ist gewährleistet. Die IEC 61131-9 klassifiziert diese Systeme als „Single-drop digital Communication Interface for small Sensors and Actuators“ (SDCI):

Bild 2: IO-Link gehört zu den Single-drop Digital Communication Interfaces – SDCI. Es ist kein Feldbus, sondern eine Ein-/Ausgangsverbindung, die analoge und digitale Signale von und zu den Sensoren überträgt.

Ein großer Pluspunkt des IO-Links ist seine parametrierbare Datenschnittstelle, durch die ein intelligenter Master angeschlossene Geräte erkennen kann. Anders als bei konventionellen Automatisierungssystemen macht ein IO-Link Master eine umfangreiche Parametrierung der einzelnen Ports als Sensor- und Aktorschnittstelle in 24-V-Technik möglich.

Durch einen IO-Link können Geräte sowohl Informationen über sich kommunizieren als auch Parametrierungsinformationen absichern. Das macht Sensor- und Aktorebene validierbar und löst Anforderungen an Transparenz und intelligente Datenhaltung in Industrie 4.0 ein. Die dramatische Reduzierung unterschiedlicher Schnittstellentypen wird ebenso ermöglicht wie praktische Funktionserweiterungen ohne weitere Hardware-Schnittstellen. Es ist sogar umsetzbar, eine physikalische Schnittstelle für Sensoren und Aktoren gleichermaßen einzusetzen.

Bild 3: IO-Link kann im digitalen Standard-IO-Modus oder als digitale serielle Schnittstelle verwendet werden.

Ein Single-Line-Kommunikationssystemen schaffen – mit IO-Link

Der IO-Link Master ermöglicht durch seine Konfiguration den Betrieb eines Ports in verschiedenen Betriebsarten:

Auf Bild 4 erkennen Sie den Funktionsprozess von IO-Link Geräten nach dem Einschaltvorgang:

Bild 4: Der Master initiiert den Verbindungsaufbau.

Im Rahmen dieses Artikels kann nicht auf die vollständige Kommunikationsvielfalt eines IO-Links eingegangen werden. Aber es soll deutlich werden, dass mit ihm ein Single-Line-Kommunikationssystem entstanden ist, das breit und flexibel einsetzbar ist sowie sämtliche Anforderungen an eine dokumentierte Schnittstelle einlöst.

Die aktuelle Version, 1.1, nimmt erhebliche Erweiterungen vor, die eine bessere Diagnostizierbarkeit bieten. So können z. B. dank Data-Storage-Parametrisierungsfunktion die Parametrierungsdaten in Sensor und Automatisierungssystem gehalten werden. Ein konfigurationsfreier Austausch defekter IO-Link-Geräte ist damit problemlos möglich.

IO-Link einsetzen und Möglichkeiten nutzen

Auch wenn die Komplexität des IO-Links zunächst abschrecken mag, zeigt ein genauer Blick auf Hard- und Software, dass die Vorteiler intelligenter Sensoren eindeutig überwiegen. Da die moderne Sensorik ohnehin bereits auf Mikrocontroller-basierte Systeme zurückgreift, ist die Verwendung einer Single-Drop Communication Line (SDCL) lediglich konsequent. Die Gerätebeschreibung IODD (IO-Link Device Description) bietet eine Gerätebeschreibung auf XML-Basis. Sowohl Mensch als auch Maschine können sie lesen. So können herstellerunabhängig relevante Informationen via Gerät in das entsprechende Automatisierungs- und Entwicklungssystem übernehmen.

Die Industrie 4.0 verlangt immer lauter nach herstellerübergreifenden Standards. Doch das Thema Schnittstellen für diagnostizierbare intelligente Sensoren ist ein Beispiel für eine Problematik, das als erledigt betrachtet werden kann. Mit dem IO-Link ist eine bewährte Technologie für den Einsatz von Smart Sensors verfügbar Er unterstützt alle nötigen Betriebseigenschaften. Zugleich bleibt ein großer Spielraum für künftige Entwicklungen offen.

Fazit: Die Forderung der Industrie 4.0 nach mehr Intelligenz in der Sensorebene und nach optimaler Kontrolle von Produktions- und Fertigungsprozess kann durchaus als weitestgehend erfüllt gesehen werden. Die Zukunft hat bereits begonnen.

Autor des Artikels

Prof. Dr. Jörg F. Wollert, Professor für Mechatronik und Eingebettete Systeme an der Fachhochschule Aachen

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