Erschienen am: 05.10.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 10 2018

Getrennte Prozessdatenübertragung für Steuerung und Monitoring

Dual-Channel-Prinzip

In erster Linie geht es bei Industrie 4.0 oder IIoT darum, Daten und deren Austausch über alle Systemgrenzen hinweg bis in die Cloud zu standardisieren. Ein Großteil dieser Daten wird dabei von Sensoren generiert. Deren Aufgabe ist es, Prozessgrößen zu erfassen und in Form von Daten über die Schnittstelle(n) an abnehmende Systeme zu übertragen. Die Prozessdaten sind im Grunde die originären Daten zur Lösung der eigentlichen Automatisierungsaufgabe. Je nach Sensortyp steht eine unterschiedliche Menge an Daten zur Verfügung.


Dabei werden Schnittstellen eingesetzt, die der Komplexität der Datenübertragung am besten angepasst sind: einfache binär schaltende Sensoren übertragen den Prozesswert, Status- und Diagnosemeldungen über die IO-Link-Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsschnittstelle. Komplexere Sensoren mit einer höheren Funktionalität sind meist in echtzeitfähige Feldbusnetzwerke integriert. Sie übertragen auch mehrere Prozess- und Alarmwerte sowie Status- und Diagnosemeldungen und können über die Steuerung auch vollständig parametriert werden. Durch Industrie 4.0 rücken auch andere Themen wie z.B. Rezepturwechsel und Formatumstellung sowie eine Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung 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 erhöhen. Die Daten werden hierbei aus unterschiedlichsten Quellen an einer zentralen Stelle, z.B. einer Cloud, zusammengeführt. Trotz geringeren Aktualisierungsraten können sich durchaus höhere Datenvolumen ergeben, und damit ein anderer Kommunikationscharakter.

Dual-Channel-Prinzip in der Praxis

Diesen unterschiedlichen Kommunikationscharakter unterstützt Leuze Electronic mit dem Dual-Channel-Prinzip. Während über den ersten Sensorkanal die Daten zur Prozesssteuerung in Echtzeit übertragen werden, laufen über den zweiten Sensorkanal die Informationen für das Monitoring und die Analyse der Maschine. Das Prinzip ist bei allen Sensoren mit Schnittstelle(n) dasselbe, unabhängig von deren Komplexität.

a) Binär schaltende Sensoren (Dual Channel mit Anbindung an SPS): Betrachtet man als Beispiel den Kontrasttaster KRT18B, der in einer schnelllaufenden Verpackungsmaschine eingesetzt wird, um eine exakte Schnittmarkenposition zu ermitteln, dann hängt von der Echtzeitfähigkeit des Schaltausgangs die Packqualität der Maschine ab. Aus diesem Grund wird der Schaltausgang 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.

b) Binär schaltende Sensoren (Dual Channel mit IioT bzw. I4.0): Im Rahmen von IIoT und Industrie 4.0 müssen Daten z.B. 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 bei a) 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 z.B. über ein IoT Edge Gateway.

c) bei Sensoren mit Feldbusschnittstelle: Bei komplexeren Sensoren mit integrierter Feldbusschnittstelle gibt es ebenfalls eine Dual-Channel-Lösung. So besitzt z.B. der Barcodescanner BCL 348i unter anderem eine Profinet-Schnittstelle. 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 Cloudapplikation transportiert werden.

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Vorteile Dual-Channel-Prinzip

Themen wie Condition Monitoring oder Predictive Maintenance, die im Rahmen von IIoT und Industrie 4.0 intensiv diskutiert werden, erfordern Sensoren, die in der Lage sind, Daten weltweit und in einem standardisierten Format zur Verfügung zu stellen. Dabei muss generell unterschieden werden, welche Anforderungen hinsichtlich Echtzeitfähigkeit bestehen. Mit dem Dual-Channel-Prinzip ist es erstmals möglich, Daten getrennt und je nach Kundenforderungen verfügbar zu machen. Über Kanal 1 werden Daten mit Echtzeitanforderung, über Kanal 2 Daten zur Prozessbeobachtung und zur Parametrierung übertragen. Eine klassische IO-Link-Schnittstelle beim binärschaltenden Sensor, die im SIO Mode (Standard IO) entweder das Schaltsignal oder auf Anforderung die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit dem Sensor erlaubt, kann das nicht leisten. Für die Prozesssteuerung sind nämlich beide Information parallel erforderlich. Für den Kunden muss es möglich sein, z.B. in einem Kontrasttaster Prozesswert, Schaltreserven zu den Schwellwerten oder Verschmutzungszustand kontinuierlich und online im Packprozess einer Verpackungsmaschine auswerten zu können um Abweichung vom Sollzustand frühzeitig zu erkennen. Genau dabei hilft das Dual-Channel-Prinzip. Bei Sensoren mit Feldbussen sind Echtzeitfähigkeit und Daten zum Monitoring oder Parametrierung zumindest bei Echtzeit-Ethernet-Schnittstellen verfügbar. Allerdings nur lokal und nicht ortsunabhängig und weltweit zugänglich. Meist werden die Informationen, die ein Sensor zur Zustandsüberwachung oder vorausschauende Wartung liefert, nicht ausgewertet. Auch hier bietet das Dual-Channel-Prinzip die passende Lösung.

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