Tablet und Smartphone für die industrielle Sensorik

Industrie 4.0

Gastbeitrag

Am Begriff „Industrie 4.0“ kommt man momentan in der Automatisierung nicht vorbei. Es ist damit der Einzug von Technologien und Geräten aus der Informations- und Kommunikationstechnik in die Welt der industriellen Produktion gemeint. Durch eine Vernetzung von der untersten Ebene bis über Fabrik-Grenzen sollen in Cyber-Physikalischen Produktions-Systemen (CPPS) mit effektiver Kommunikation und Selbstorganisation Flexibilität, Leistungsfähigkeit und Effizienz massiv gesteigert werden. Den zusätzlichen „horizontalen“ Kommunikationswegen parallel zur vertikalen Vernetzung in der vertrauten Automatisierungspyramide kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu.

Aus Sicht der Sensorik in der heutigen Situation sind insbesondere diese zusätzliche Konnektivität sowie die Nutzung von IT-Technologie und Hardware hochinteressant. Damit bieten sich Möglichkeiten, die Arbeitsweise von komplexen Anlagen transparenter zu machen und deren Beherrschbarkeit zu verbessern. Pepperl+Fuchs hat dafür den Begriff „Sensorik 4.0“ geprägt und wird auf der Hannover Messe Industrie 2015 im Rahmen einer „I4.0-Arena“ entsprechende Anwendungen zeigen.

Bedien- und Anzeige-Elemente für Sensoren
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SmartBridge-Adapter eingeschleift in Sensor-Zuleitung  Cumulus Bilddatenbank
SmartBridge-Adapter eingeschleift in Sensor-Zuleitung
Cumulus Bilddatenbank

Moderne Sensoren bilden immer komplexere Funktionen ab und bieten dadurch auch mehr Parameter bzw. Einstellmöglichkeiten. Für einen optimalen Einsatz sind Anzeigeelemente für Zustände oder Messwerte zumindest temporär erforderlich, die Sensoren müssen parametriert und Konfigurationen gesichert werden. Dafür sind übersichtliche Bedienoberflächen wünschenswert, die jedoch an den Sensoren selbst wegen Miniaturisierung und aus Kostengründen nicht umgesetzt werden können. Die Realität sind kleine LEDs, LCD-Displays sowie Taster, DIP- oder Drehschalter und Potis die mit Schraubendrehern bedient werden müssen. Es müssen auf kleinstem Raum viele Informationen zum Anwender transportiert werden, was nur mit Mehrfachbelegungen von Tastern, LED-Blinkcodes möglich ist. Für Beschriftungen steht nur wenig Platz zur Verfügung. Der Anwender benötigt eine mehr oder weniger ausführliche schriftliche Anleitung in einer ihm verständlichen Sprache, um mit solch wenig intuitiven Systemen arbeiten zu können. Hinzu kommt, dass gerätegebundene Elemente in vielen Fällen nutzlos sind, weil bei der Montage auf die Zugänglichkeit oder Sichtbarkeit von Bedien- und Anzeigeelementen keine Rücksicht genommen werden kann oder die Sensoren gar vollkommen unzugänglich verbaut werden müssen. Mit fest installierten abgesetzten Bedieneinheiten können auch entfernt vom Sensor Funktionen visualisiert oder Einstellungen komfortabel vorgenommen werden, jedoch verursachen solche Geräte zusätzlich Platzbedarf und Kosten.
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Textbasierte Anzeige aller Sensordaten in der „Expert View“ Cumulus Bilddatenbank
Textbasierte Anzeige aller Sensordaten in der „Expert View“
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Moderne Mobilgeräte wie Tablets und Smartphones sind geeigneter für solche Zwecke. Hierbei handelt es sich um High-End-Geräte zu vergleichsweise günstigen Preisen. Hohe Grafikleistung, kontraststarke Bildschirme, integrierte Sensorik, leistungsfähige drahtlose Schnittstellen und nicht zuletzt die intuitiv zu bedienenden Betriebssysteme machen Smartphones und Tablets zu perfekten Anzeige- und Bedieneinheiten auch in der Automatisierung. Für eine Nutzung im Sensorik-Bereich fehlt jedoch eine gemeinsame Schnittstelle, da die mobilen Endgeräte ausschließlich über drahtlose Zugänge verfügen.

IO-Link-Protokoll
Mit IO-Link steht auf der Sensor-Ebene ein digitales Schnittstellenprotokoll zur Verfügung, welches von den meisten Sensorherstellern unterstützt wird. Es nutzt die für die Prozessdaten-Übertragung vorhandenen Steckverbinder sowie das 3,4 oder 5-adrige Standardkabel zur Übertragung von Parametern und Messwerte im Betrieb ohne dass die Echtzeit-Eigenschaften des Sensors oder Aktors beeinflusst werden. Es müssen keine zusätzlichen Anschlüsse aus dem Sensor herausgeführt werden, die Bauraum beanspruchen und Kosten verursachen würden. IO-Link wurde von einem Konsortium spezifiziert und als Standard festgelegt. In diesem Konsortium sind alle Hersteller von Sensoren, Aktoren und Steuerungen vertreten. Es ist daher zu erwarten, dass in Zukunft alle parametrierbaren Sensoren auch in IO-Link-Ausführung angeboten werden.

Adapter und App als Brücke
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Übersichtliche Anzeige mit grafischen Elementen Cumulus Bilddatenbank
Übersichtliche Anzeige mit grafischen Elementen
Cumulus Bilddatenbank

Zur Überbrückung der „digitalen Lücke“ zwischen Sensoren und mobilen Endgeräten hat Pepperl+Fuchs das System SmartBridge entwickelt. Es besteht aus einem Drahtlos-Adapter und einer App für mobile Endgeräte. Der Adapter ist in IP67 ausgeführt und mit den in der Sensorik üblichen M12-Steckern ausgerüstet. Damit wird er in die Sensor-Zuleitung eingeschleift und auch mit Energie versorgt. Der Adapter baut eine IO-Link-Kommunikation zum Sensor auf und liest darüber Messwerte, Identifikationsdaten, Einstellparameter u.v.m. aus dem Sensor aus. Diese Daten werden den Mobilgeräten über Bluetooth 4.0 drahtlos zur Verfügung gestellt.

Bei der Auswahl der Drahtlos-Technologie wurde Bluetooth aus zwei Gründen einem WLAN-Netzwerk vorgezogen. Einerseits wird bei Bluetooth eine reine Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufgebaut, der Sensor wird dabei nicht Teil eines schwer zu überschauenden Netzwerkes mit Gefahrenpotenzial. Andererseits bleibt beim Aufbau einer Bluetooth-Verbindung zum Sensor der WLAN-Adapter des Mobilgerätes frei und kann z. B. parallel für eine Netzwerk- oder auch Internet-Verbindung genutzt werden. Es können dann alle dort erreichbaren Server oder Dienste genutzt werden.

Zum Speichern von Sensorkonfigurationen oder zur Langzeitdatenaufzeichnung ist der SmartBridge-Adapter mit einer wechselbaren µSD-Karte ausgerüstet, auf welche über einen USB-Anschluss zugegriffen werden kann. Parallel wird bei Pepperl+Fuchs daran gearbeitet, in geeignete Sensoren die Bluetooth-Funktionalität zu integrieren, so dass auf diese Geräte direkt mit Mobilgeräten zugegriffen werden kann ohne dass ein Adapter benötigt wird.

App macht Mobilgeräte zu komfortablen Werkzeugen
Die SmartBridge-App steht für Smartphones oder Tablets mit iOS- oder Android-Betriebssystem zur Verfügung. Damit können Verbindungen zu mit Drahtlos-Adaptern ausgerüsteten Sensoren aufgebaut werden. Die App listet beim Start auf einem „Connect-Screen“ alle im Empfangsbereich befindlichen Sensoren auf, einer davon kann zum Verbindungsaufbau ausgewählt werden. Nach Auswahl eines Sensors und erfolgreicher Authentisierung des Benutzers werden für diesen Typ spezifische Seiten angezeigt, auf denen Parameter und Messwerte dargestellt sind. Es kann zwischen einer hierarchisch geordneten, textbasierten Auflistung aller Sensordaten („Expert View“) und einer mit grafischen Elementen aufbereiteten Darstellung umgeschaltet werden, in welcher z. B. Sensor-Messwerte oder Schaltzustände mit einem Blick erfasst werden können. Der Aufbau dieser Seiten wird über Descriptordateien gesteuert, die für jeden Sensortyp auf dem Mobilgerät vorliegen müssen. Für diese Dateien ist in der App eine Update-Funktion vorgesehen, mit welcher solche Descriptoren nachgeladen werden können. Damit wird die Unterstützung von zukünftigen Sensortypen sichergestellt ohne dass die App selbst verändert werden muss. Die Authentisierung beim Verbindungsaufbau überprüft Passwörter, die in Adapter und Mobilgerät gespeichert sind. Die Übertragung des Passwortes erfolgt dabei nach einem SHA2-basierten Challenge-Response-Verfahren, um das Passwort zu schützen und unbefugte Zugriffe auf die Sensoren unterbunden werden. Die SmartBridge-App macht aus dem Smartphone oder Tablet ein komfortables Werkzeug für Inbetriebnahme, Wartung, Service und Fehlersuche.

Dipl.-Ing. Benedikt Rauscher, Entwicklungsgruppenleiter IVC, Geschäftsbereich Fabrikautomation

Pepperl + Fuchs GmbH

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