Vom Sensor bis in die Cloud mit IO-Link und OPC UA

Obwohl es durch Stan­dard­tech­no­lo­gien wie IO-Link und OPC UA längst mög­lich ist ei­ne lü­cken­lo­se Da­ten­kom­mu­ni­ka­tion vom Sen­sor in der un­ter­sten Feld­ebe­ne zur glo­bal er­reich­ba­ren Cloud zu re­ali­sie­ren, sieht die Rea­li­tät in der In­dus­t­rie an­ders aus. Durch die bis­her star­ren Hi­e­r­ar­chie­ebe­nen der Au­to­ma­ti­sie­rungs­py­ra­mi­de, die sich über die Zeit zu­neh­mend ver­här­tet ha­ben, wird ge­ra­de eine In­te­gra­tion der IIoT-Pro­to­kol­le wie OPC UA, MQTT oder der REST API in der in­dus­tri­el­len Pra­xis aus­ge­bremst. Doch ge­ra­de die mit IIoT ein­her­ge­hen­de Trans­pa­renz bis zum Sen­sor er­öffnet Un­ter­neh­men eine Viel­zahl von Mög­lich­kei­ten die ei­ge­nen Be­triebs­ab­läu­fe zu op­ti­mie­ren und so den ei­ge­nen Er­folg lang­fris­tig zu sichern.  

IO-Link stan­dard­isiert die Sen­sor­kom­mu­ni­ka­tion

Mit mittler­weile 15,9 Mil­lio­nen in­stal­lier­ten IO-Link Kno­ten zu Be­ginn des Jah­res 2020, was nach 2019 er­neut ei­ner Stei­ge­rungs­ra­te von rund 40% im Ver­gleich zum Vor­jahr gleich­kommt, eta­bliert sich IO-Link zu­neh­mend als die Sen­sor­schnitt­stel­le im Feld. Auf der Hand lie­gen die Vor­tei­le ge­gen­über klas­sisch di­gi­tal schal­ten­der Sen­so­rik und Ak­to­rik, die letzt­lich nur ein ein­zel­nes Bit an In­for­ma­tio­nen be­reit­stel­len. Im Ge­gen­satz dazu er­mög­licht die stan­dar­disier­te Sen­sor­schnitt­stelle IO-Link (IEC 61131-9) den Zu­griff auf de­tail­lier­te In­for­ma­tions-, Dia­gno­se- und Pa­ra­me­ter­da­ten ei­nes Sen­sors bzw. Ak­tors. Be­reits heu­te ver­fü­gen einige op­ti­sche 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 er­mög­licht durch­gän­gi­ge Kom­mu­ni­ka­tion bis in die Cloud

Während die de­tail­lier­ten IO-Link Sen­sor­da­ten bis­her nur in den ab­ge­schlos­se­nen Steue­rungs­sys­te­men vor­la­gen, auf die ein ex­ter­ner Da­ten­zu­griff kaum mög­lich ist, er­öff­net OPC UA neue Wege die­se Da­ten um­fang­reich ver­füg­bar zu ma­chen. Bei OPC UA han­delt es sich um ei­nen ether­net-ba­sier­ten Kom­mu­ni­ka­tions­stan­dard, der vor al­lem durch sei­ne Her­stel­ler-, Pro­gram­mier­spra­chen- und Platt­form­un­ab­hän­gig­keit über­zeugt, wo­durch Kun­den eine maxi­male Fle­xi­bi­li­tät bei der Ge­stal­tung ih­rer IoT-Sys­teme er­hal­ten. Ent­spre­chen­de OPC UA Clients, wel­che die Schnitt­stel­le zum OPC UA Ser­ver schaf­fen sind so­wohl für ver­schie­de­ne Be­triebs­sys­teme ver­füg­bar, als auch bei den großen Cloud-An­bie­tern be­reits di­rekt in­te­griert. Durch die Un­ab­hän­gig­keit von OPC UA sind Kun­den al­ler­dings auch völ­lig frei ei­ge­ne Schnitt­stel­len zu ent­wi­ckeln. Ent­sprech­en­de un­ter­stütz­en­de De­ve­lop­ment-Kits sind hier bei der OPC Foun­da­tion ver­füg­bar. So kön­nen die Da­ten ei­nes OPC UA Ser­vers ganz ein­fach an com­pu­ter- oder cloud­ba­sier­te Sys­te­me über­tra­gen wer­den und da­mit Ent­schei­dungs­trä­gern glo­bal zur Ver­fü­gung ge­stel­lt wer­den.

Auf­ga­ben­teil­ung zwi­schen SPS und Cloud

Als ers­ter Her­stel­ler kom­bi­niert Pepperl+Fuchs die Vor­tei­le von IO-Link und OPC UA in ei­nem Ge­rät. Durch die Kom­bi­na­tion von OPC UA und IO-Link in ei­nem Ge­rät, kön­nen die neu­en IO-Link Mas­ter der ICE2- bzw. ICE3-Serie die IO-Link Sen­sor­da­ten an über­ge­la­ger­te PC-ba­sier­te Sys­te­me oder ei­ner Cloud kom­mu­ni­zie­ren. Da die IO-Link Mas­ter pa­r­al­lel und völ­lig un­ab­hän­gig da­von auch die de­ter­mi­nis­ti­schen Feld­bus­pro­to­kol­le PROFI­NET und Ether­Net/IP un­ter­stüt­zen kön­nen da­mit auch wei­ter­hin klas­si­sche steue­rungs­ge­bun­de­ne Appli­ka­tio­nen re­a­li­siert wer­den. So sind hy­bri­de Sys­te­me mög­lich in de­nen die SPS die Appli­ka­tion über PROFI­NET oder Ether­Net/IP in Echt­zeit steuert und der IO-Link Master pa­r­al­lel Zu­stands­da­ten über OPC UA in die Cloud über­trägt, die für die Steue­rung zwar ohne Be­lang sind, für ei­ne an­de­re Ma­schi­ne oder ein zen­tra­les Leit­sys­tem aber ei­nen Mehr­wert be­deu­ten. Ob die Cloud im Fir­men­netz­werk oder im In­ter­net lo­ka­li­siert ist, unter­liegt der Ent­schei­dung des An­wen­ders, eben­so wie die Ein­stel­lung des Sicher­heits­ni­veaus. Hier­für unter­stüt­zen die IO-Link Master so­wohl Authen­ti­fi­zie­rungs­me­chan­is­men als auch ein Zer­ti­fi­ka­te-Ma­nage­ment.

Viel­schichtiger Mehr­wert durch die Kom­bi­na­tion von IO-Link und OPC UA

Doch wo liegt nun der Mehr­wert ei­nes durch­gän­gi­gen Daten­stroms aus der un­ter­s­ten Fel­debe­ne bis in glo­ba­le Cloud­sys­te­me? So wie hier die Daten ver­schie­de­ne Kom­mu­ni­ka­tions­ebe­nen durch­lau­fen, er­gibt sich auch ein Mehr­wert auf ver­schie­de­nen Ebe­nen bzw. ent­lang der ge­sam­ten An­ge­bots­ket­te. Wie be­reits im Ab­satz zu IO-Link er­wähnt er­gibt sich ein Mehr­wert di­rekt in der An­la­gen­ver­füg­bar­keit. Wie be­schrie­ben las­sen sich durch die ver­bes­ser­te Da­ten­la­ge bzgl. der Dia­gno­se voraus­schau­en­de War­tungs­kon­zep­te reali­sie­ren. Kom­mt es den­noch zu un­er­war­te­ten Aus­fäl­len er­mög­licht die Data-Storage-Funk­tio­na­li­tät von IO-Link auch ei­ne au­to­ma­ti­sche Pa­ra­me­trie­rung des Aus­tausch­ge­rätes. Wel­ches Gerät dabei vom De­fekt be­trof­fen ist, kann über die Iden­ti­fi­ka­tions­da­ten ein­fach be­stim­mt wer­den, so kann auch ein au­to­ma­ti­scher Be­stell­vor­gang beim ent­spre­chen­den Lie­fe­ran­ten reali­siert wer­den. All das er­höht die Ver­füg­bar­keit von An­la­gen und da­mit auch de­ren Ka­pa­zi­tät, was ei­nes der zen­tra­len Zie­le der War­tung bzw. In­stand­hal­tung ist. Auch für die Pro­duk­tions­pla­nung er­ge­ben sich ganz neue We­ge, in­dem eine ef­fi­zien­te Pro­duk­tion selbst in der Los­größe Eins reali­siert wer­den kann. Durch den le­sen­den wie auch schrei­ben­den Zu­griff auf Pa­ra­me­ter­da­ten der Sen­so­rik und Ak­to­rik kön­nen die­se au­to­ma­tisch und von über­all an sich än­dern­de Pro­duk­tions­an­for­de­rungen an­ge­passt wer­den, ohne das ein ma­nu­el­ler Rüst­vor­gang not­wen­dig ist. Was da­bei in wel­cher Men­ge zu pro­du­zie­ren ist, kann über einen Web­shop, über den der End­kun­de sei­ne Be­stel­lung tä­tigt, di­rekt in die Pro­duk­tion über­tra­gen wer­den. Doch auch für die wei­te­re Supply Chain er­ge­ben sich Vor­tei­le. So kön­nen die Da­ten aus der Pro­duk­tion Ent­schei­dungs­trä­gern glo­bal zur Ver­fü­gung ge­stel­lt wer­den. Bei­spiels­wei­se durch RFID-Reader mit IO-Link-Schnitt­stel­le können Bau­tei­le und Pro­duk­te ein­deu­tig i­den­ti­fi­ziert wer­den. Lo­gis­tik­pla­ner er­hal­ten so fun­dier­te Da­ten und kön­nen Lie­fer­ter­mi­ne ver­läss­lich be­stim­men.

Bereit für die digi­tale Zukunft

Die hier­bei skizzier­ten Vor­tei­le ei­ner durch­gän­gi­gen Da­ten­ver­füg­bar­keit vom Sen­sor bis in die Cloud und die da­mit ein­her­gehen­de Trans­pa­renz für Unter­neh­men geben nur ei­nen klei­nen Ein­blick in die digi­tale Zu­kunft. Erst wenn die in vie­len Un­ter­neh­men be­reits lau­fen­den Pilot­pro­jek­te Ein­zug in die in­dus­trielle Pra­xis fin­den, wird das enor­me Po­ten­tial von IIoT-Lö­sun­gen wirk­lich er­sicht­lich. Doch 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 von IIoT frei­schal­ten.