Standardmäßig durchgängig: Vom Sensor zur Cloud mit IO-Link und OPC UA

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Pepperl + Fuchs zeigt mit einer exemplarischen Anwendung, wie der IoT Datenfluss durch alle Ebenen, von der Sensor/Aktor-Ebene bis in die Cloud funktioniert - und zwar ausschließlich unter Einsatz von Standardprotokollen.

Sensorik

Feldgeräte mit IO-Link Master-Baugruppe von Pepperl+Fuchs Comtrol
Feldgeräte mit IO-Link Master-Baugruppe von Pepperl+Fuchs Comtrol
Darstellung der Feldgeräte-Daten in der Cloud
Darstellung der Feldgeräte-Daten in der Cloud

Das Exponat wurde in dieser Form erstmals auf der Hannover Messe 2019 vorgestellt. Sein „prozesstechnisches“ Kernstück ist eine Linearachse, auf der ein Motor ein Objekt hin und her befördert. Diese Funktion simuliert vergleichbare Vorgänge in echten Produktions- oder Logistikprozessen, wie etwa die Bewegung eines Schneidegeräts oder eines Förderelements.

Zwei optische Sensoren vom Typ OMT200 überwachen die Endpositionen des Objekts und sorgen für das Umschalten der Bewegungsrichtung. Da es sich um messende Sensoren handelt, können die Endpunkte frei gewählt und ohne mechanischen Eingriff eingestellt oder beliebig gewechselt werden. Die Geräte liefern neben dem Messwert auch einen Signal Quality Indicator. Dieser bestimmt das Verhältnis von reflektiertem zu ausgesendetem Licht, welches als ein Maß für Verschmutzungen oder Dejustage dienen kann. Ein zusätzliches induktives Positions-Messsystem vom Typ PMI120-F90 wird zur Einstellung der Motorgeschwindigkeit verwendet. Der Motor selbst meldet neben Position und Drehzahl eine Reihe von Zustandsdaten wie zum Beispiel maximales Drehmoment, Betriebsspannung oder Temperatur.

Neuartige Kommunikationsanbindung

Alle genannten Komponenten sind über eine IO-Link-Schnittstelle mit einem IO-Link-Master von Pepperl+Fuchs Comtrol verbunden. Diese Baugruppen realisieren mit der Multilink-Technologie zwei parallele und voneinander unabhängige Kommunikationswege. So wird zum einen über ProfiNet eine echtzeit-fähige Anbindung an eine SPS realisiert, zum anderen wird über den in das Master-Modul integrierten OPC-UA Server ein transparenter Durchgriff auf die Sensoren mit OPC-UA ermöglicht. 

Die in IP20- oder IP67-Ausführung lieferbaren Master-Baugruppen von Pepperl+Fuchs Comtrol sind derzeit die einzigen am Markt erhältlichen IO-Link Master mit integriertem OPC-UA Server.

Eine weitere Komponente des Exponat-Aufbaus „Sensor Data in the Cloud“ ist das Gateway. Dabei handelt es sich um einen embedded PC mit Linux-Betriebssystem. Mit dem Gateway wird die sichere Anbindung an Cloud-Plattformen realisiert. Im umgesetzten Beispiel wird die IoT-Plattform Cumulocity verwendet. Der in JAVA programmierte „Cumulocity OPC-UA Agent“ greift auf den OPC-UA Server im IO-Link Master zu und überträgt die Daten zur Cloud-Plattform. Auf dem Gateway werden als einzige Parameter die Adresse des Endpunktes in der Plattform sowie die Zugangsdaten zur Plattform angegeben. Jede weitere Parametrierung erfolgt dann auf der IoT-Plattform, so dass kein Zugang mehr zur im Feld installierten Hardware wie Gateway, IO-Link Master oder die Sensoren nötig ist. 

Aus dieser Verbindung von IO-Link mit OPC UA entstehen neue Möglichkeiten, Daten aus der Ebene der Sensoren und Aktoren ohne Rücksicht auf Hierarchiegrenzen mit minimalem Aufwand umfassend auf cloud-basierten oder auch lokalen Daten-Plattformen verfügbar zu machen.

Sichere Standardprotokolle

Verbindungen zwischen Feldebene und Cloud waren bisher schon möglich. Allerdings waren dabei in der Regel proprietäre unternehmens- oder produktspezifische Protokolle involviert. Damit blieb die erstrebte Durchgängigkeit der Kommunikation jedoch im Hinblick auf die Implementierung stark eingeschränkt, weil nur Komponenten des Herstellers der proprietären Protokolle eingesetzt werden konnten. Das Exponat „Sensor Data in the Cloud“ zeigt hier als entscheidende Neuerung den Brückenschlag zwischen „unterster“ und „oberster“ Ebene mit vollständig auf herstellerunabhängigen Standards beruhenden Protokollen. Damit werden nicht nur beliebige Produktkombinationen möglich, sondern es wird auch eine zugleich offene und abgesicherte Kommunikation ohne jeden Eingriff in die vorhandene Steuerung realisiert. 

Der entscheidende Schritt ist hier die Überführung der Gerätedaten ins Standardprotokoll Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA). Die Daten werden damit für die ethernetgestützte Weiterverwendung mit Standard-Tools zugänglich. Dabei bleibt ein hohes Sicherheitsniveau gewährleistet, denn die UA Security beinhaltet Authentifizierung und Autorisierung, Verschlüsselung und Datenintegrität durch Signieren. Sie ist an den Webservice-Security-Spezifikationen ausgerichtet und verwendet für Webservices die WS Secure Conversation. Damit ist die Kommunikation kompatibel zu .Net und anderen SOAP-Implementierungen. Für die binäre Variante wurden die Algorithmen von WS Secure Conversation übernommen und stehen als UA Secure Conversation als binäres Äquivalent zur Verfügung.

Die Daten können also verschlüsselt und mit vorgegebenen Zertifikaten versehen werden. Der Zugriff ist durch Authentifizierung geschützt und lässt sich nach Bedarf einschränken. Als weitere Sicherheitsmaßnahme kann der IO-Link-Master so eingestellt werden, dass Gerätedaten der angeschlossenen Sensoren und Aktoren nur gelesen, aber nicht verändert werden können.

Industrie 4.0 in der Praxis

Als schlichte Basisnutzung bieten Datenplattformen die Visualisierung der übertragenen Daten an. In der Cumulocity-Cloud können mit verschiedenen graphischen Standard-Elementen sogenannte Dashboards gestaltet werden. Auf dem Exponat „Sensor Data in the Cloud“ werden zum Beispiel die aktuellen Messwerte der Sensoren sowie die Motorgeschwindigkeit graphisch dargestellt (siehe Bild 2). Die in der Plattform vorgehaltene Historie erlaubt die Analyse von Verlaufswerten. Gibt es etwa Veränderungen im Drehmoment, das der Motor für die Bewältigung seiner Aufgabe benötigt? Dies könnte ein Hinweis auf Verschleiß oder Verschmutzung sein. Letztere wird auch durch den Signalqualitätsindikator der OMT200-Sensoren registriert. Anhand definierter Grenzwerte können Warnmeldungen generiert oder Wartungsaktionen ausgelöst werden. 

Wirkliche wirtschaftliche Vorteile bringt eine Datenplattform jedoch erst dadurch, dass IT-Systeme über ein API (Application Programmer Interface) auf die in der Plattform abgelegten Daten zugreifen und für Anwendungen wie beispielsweise zum Asset Management, zur Zustands-Analyse oder zur vorausschauenden Wartung nutzen können.

Mehrwert auch mit Nachrüstung

Die durchgängige Anbindung vereinfacht das Arbeiten mit den Feldgeräte-Daten. Zum Beispiel lassen sich Gerätetyp, Seriennummer und Dauer des Einsatzes von allen am IO-Link Master angeschlossenen Sensoren und Aktoren direkt auslesen. Der Programmierer auf der IT-Ebene benötigt keine Kenntnisse über die eingesetzten Kommunikations-Technologien und kann sich auf die Gestaltung seiner Anwendungs-Software konzentrieren. Auch Drittfirmen haben so die Möglichkeit spezifische Angebote einzubringen und können sich etwa um definierte Wartungsaufgaben oder Software-Updates kümmern. Wenn in einem bestehenden System bereits IO-Link-fähige Geräte installiert sind, werden für solche Konzepte lediglich der OPC UA-fähige IO-Link-Master von Pepperl+Fuchs Comtrol sowie ein zusätzliches Gateway benötigt.

Veröffentlicht am Mai 8, 2019 - (358 views)
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