In Zeiten von Industrie 4.0 stehen Hersteller vor der Aufgabe, ihre Anlagen und Prozesse digital zu vernetzen.
So sollen Menschen und Maschinen in Zukunft Produkte selbst in Losgröße 1 in kurzer Zeit und mit hoher Effizienz fertigen können. Möglich wird dies durch einen vollständigen, durchgängigen und transparenten Datenzugriff von der Cloud bis hinunter zum Sensor oder Aktor durch die Kombination von IO-Link und OPC UA in einem Gerät.
Pepperl+Fuchs kombiniert – nach eigener Aussage als erster Hersteller – die Vorteile von IO-Link und OPC UA in einem Gerät. Durch die parallele Datenkommunikation über OPC UA können Zustandsdaten aus der untersten Feldebene an übergeordnete computer- oder cloudbasierte Systeme übertragen werden, ohne dafür Rechenressourcen in der Steuerung vorhalten zu müssen. So sind hybride Steuerungssysteme bestehend aus SPS für die Echtzeitsteuerung der Applikation und einem Computer bzw. einer Cloud für die Auswertung von Zustandsdaten, als auch völlig autarke Systeme, bei denen die übergeordnete Cloud die Steuerung des Prozesses übernimmt, möglich.
Mit insgesamt 11,4 Millionen installierten IO-Link-Knoten zu Beginn des Jahres 2019 und einer Steigerungsrate von rund 40 Prozent im Vergleich zum Vorjahr hat sich IO-Link längst als Sensorschnittstelle im Feld etabliert und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Kein Wunder, denn im Vergleich zur „klassischen“ digital schaltenden Sensorik stellt IO-Link nicht nur die simplen Schaltsignale bereit, sondern ermöglicht auch den Zugriff auf detaillierte Identifikations-, Diagnose und Parametrierungsdaten eines Sensors bzw. Aktors. Durch die Geräteinformationen die IO-Link dabei bereitstellt, eröffnen sich ganz neue Wege für smarte Sensorik. Bereits heute verfügen einige optoelektronische Sensoren von Pepperl+Fuchs über eine Verschmutzungserkennung und können so bei einer Verschmutzung der Linse eine Diagnosemeldung erzeugen. Hierdurch kann eine vorausschauende Wartung realisiert werden, bei der der Sensor gereinigt wird, noch bevor es durch Verschmutzung zu fehlerhaften Messergebnissen und so zu möglichen Ausfällen in der Produktion kommt.

OPC UA schafft parallelen Kommuni­kationskanal in die Cloud

OPC UA ist ein herstellerunabhängiges ethernet-basiertes Kommunikationsprotokoll, welches einen einfachen und flexiblen Weg für die Kommunikation von Maschine zu Maschine oder von der Maschine in die Cloud ermöglicht. Hierbei unterscheidet sich OPC UA maßgeblich von den ethernet-basierten Feldbusschnittstellen wie Profinet, Ethernet/IP und Ethercat, die aus der Steuerungswelt bekannt sind. Diese Protokolle sind auf taktgenauen Echtzeitanforderungen ausgelegt und speziell dafür designt, Eingangssignale der Sensorik schnellstmöglich an die Steuerung zu übertragen und die aus der Steuerungslogik resultierenden Ausgangssignale wieder schnellstmöglich an die Aktorik zu übertragen. Hierbei handelt es sich um abgeschlossene Systeme mit eigenem speziellem Protokoll, wodurch die Daten beispielsweise über einen Industrie-PC oder die Cloud nicht einfach zugänglich sind. Bei OPC UA dagegen liegt der Fokus weniger auf Taktsynchronität im niedrigen Millisekundenbereich, sondern eher auf einer hersteller-, programmiersprachen und plattformunabhängigen Datenkommunikation. Dadurch eignet sich OPC UA, um Daten aus den abgeschlossenen Steuerungssystemen zu lösen und auch in anderen Quellen verfügbar zu machen.
Kombination von IO-Link und OPC UA
ermöglicht hybride Systeme
Pepperl+Fuchs kombiniert nun die Vorteile von IO-Link und OPC UA in einem einzigen Gerät. Die IO-Link Master der ICE2- und ICE3-Serie unterstützen dabei parallel zu einem deterministischen Feldbusprotokoll wie Ethernet/IP oder Profinet auch immer eine Datenkommunikation über OPC UA. So können die prozessrelevanten Daten der Sensorik zum einen in Echtzeit an eine Steuerung übertragen werden, welche die Applikation im Millisekundenbereich steuert und parallel dazu können Zustandsdaten, welche für die Steuerung meist ohne Belang sind, an ein zentrales Leitsystem übertragen werden. Dadurch wird eine erweiterte Diagnose einschließlich der Vorausfallanzeige und dem Auslösen von Wartungsaktionen ermöglicht. Dabei können die Daten durch ausgelagerte Software in einem lokalen Auswertungstool verarbeitet werden oder ohne Interpretation in die Cloud übertragen werden, um sie Entscheidungsträgern global zur Verfügung zu stellen. Da eine Auswertung der vielen Zustandsdaten so kostengünstig in computer- oder cloudbasierten Systemen erfolgen kann, können zudem teure Ressourcen in der Steuerung gespart werden.

Stand-alone-Betrieb ohne übergeordnete Steuerung

Die Module der ICE2- und ICE3-Serie gehen noch einen Schritt weiter und ermöglichen, über OPC UA  Daten aus den IO-Link-Devices auszulesen und bei Bedarf einen schreibenden Zugriff. Dabei kann völlig individuell für jeden der acht Ports festgelegt werden, ob über OPC UA Daten nur ausgelesen oder auch geschrieben werden sollen. So können Applikationen, die keine Steuerung im Millisekunden Takt benötigen, prinzipiell völlig ohne klassische Steuerung realisiert werden. Da computer- und cloudbasierte Systeme gleichzeitig immer performanter werden, können Steuerungsaufgaben so zu einem kleinen Preis übernommen werden. Da dies auch Fragen zur Cyber-Security nach sich zieht, unterstützen die Module verschiedene Security-Mechanismen wie Authentifizierung und Zertifikate-Management. Durch das komplett web-basierte Konfigurationskonzept der neuen IO-Link-Master können auch diese Cloud-Lösungen optimal umgesetzt werden. Sämtliche Konfigurationen des IO-Link-Masters als auch aller angeschlossenen IO-Link-Devices können über einen Standard-Webbrowser durchgeführt werden, ohne das zusätzliche Softwaretools benötigt werden. Nach der Konfiguration können alle vorgenommenen Einstellungen einfach als separate Datei abgespeichert werden und entweder als Back-Up oder zum Modul-Cloning verwendet werden.
Bereits heute auf morgen vorbereitet
Mit den neuen IO-Link Mastern mit integrierter OPC-UA-Schnittstelle können Kunden sich bereits heute optimal auf die Digitalisierung ihrer Anlagen vorbereiten. Die OPC-UA-Funktionalität kann dabei völlig flexibel und zu jedem Zeitpunkt aktiviert und deaktiviert werden. So können Kunden bereits heute, ohne konkreten Anwendungsfall für OPC UA, ihre Anlagen entsprechend ausstatten und zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Zukunft das volle Potential der ICE2-/ICE3 IO-Link Master freischalten. Gleichzeitig werden Maschinenherstellern neue Geschäftsmodelle ermöglicht, bei denen Endkunden auf Basis einer standardisierten Hardware-Plattform verschiedene Leistungsumfänge der Anlage angeboten werden können, die ganz einfach durch reine Software-Updates freigeschaltet und sogar zu einem späteren Zeitpunkt nach der Auslieferung nachgerüstet werden können. So können sich Hersteller verschiedener Industriebranchen bereits heute optimal auf die Anforderungen der voranschreitenden Digitalisierung vorbereiten.