Für Ideen ohne Grenzen

Dipl.-Ing. Benedikt Rauscher ist Entwicklungsgruppenleiter IVC im Geschäftsbereich Fabrikautomation bei Pepperl+Fuchs

Ein Leben ohne digitale Vernetzung ist heute kaum mehr denkbar. Längst hat der Megatrend alle Lebens- und Arbeitsbereiche erfasst. In der Automatisierungstechnik liefern intelligente Sensoren, Aktoren und Feldgeräte bereits grundlegende Daten. Nun braucht es neue Übertragungstechnologien, um die Autonomie und Automatisierung von Anlagen und Fabriken weiter voranzutreiben. Dass solche Sensorik 4.0 greifbar nah ist oder schon im Alltag funktioniert, wird an vielen Projekten von Pepperl+Fuchs deutlich. Der Mannheimer Sensorikspezialist zeigt an Beispielen, welche potenziellen Anwendungen für Messgeräte eine größere Autonomie im Feld ermöglichen.

Innerhalb eines Projekts im Bereich Smart-City bestand die Aufgabe darin, die Müllentsorgung zu optimieren. Dazu wurde jeder Müllcontainer mit einem Sensor ausgestattet, der über eine Mobilfunkverbindung an den Server des Entsorgungsunternehmens meldet, wenn er zu über 80 % gefüllt ist. Die webbasierte Software visualisiert die Füllstände der Abfallbehälter mithilfe eines Ampelsystems. Müllfahrzeuge fahren nur noch die Abfallbehälter an, die tatsächlich geleert werden müssen, was Zeit, Geld und Kraftstoff spart und die Abgas- und Lärmbelastung der Anwohner reduziert. Den Praxistest hat das vom Limburger Unternehmen Moba Mobile Automation AG entwickelte System als Teil des Smart-City-Projekts in Barcelona bereits bestanden. An der Einführung in weiteren Städten wird gearbeitet. Da hier absolute Zuverlässigkeit gefordert ist, hat man sich für Ultraschall-Füllstandssensoren von Pepperl+Fuchs entschieden. Die Geräte sind mit einer SlM-Karte ausgestattet, sodass der Sensor Füllstands- und Sensordaten in regelmäßigen Abständen senden kann. Dank des geringen Stromverbrauchs hält die Batterie bis zu zehn Jahre. Das ist ein gutes Beispiel für einen intelligenten Sensor, der ein differenziertes Abbild der Realität in Echtzeit liefert.

Hochwertige Sensoren liefern schon heute genaue Informationen aus der Produktion, allerdings meistens mit einem spezialisierten Fokus und in nur einer oder zwei Dimensionen. Das genügt für herkömmliche, gleichbleibende Anwendungen, aber nicht unbedingt für autonome Produktionsmodule. So ist zum Beispiel eine Robotereinheit, die ein Werkstück selbsttätig erkennen, greifen und bearbeiten soll, auf differenzierte dreidimensionale Daten angewiesen. Diese müssen zum großen Teil aber erst von Sensoren aus der Realität abgeleitet werden – mit zunehmenden Anforderungen an die Auflösung. Kombiniert man nun mehrere Sensoren unterschiedlicher Bauart und fügt ihre Signale zu einem Gesamtbild zusammen, lässt sich ein Quantensprung in der Informationstiefe erreichen.

Wie das funktioniert, macht das Unternehmen am Beispiel des MultiScan 3D deutlich. Ein sich drehendes Objekt wird von drei optoelektronischen Sensoren erfasst und seine Oberfläche vermessen. Ein 2D-Laserscanner detektiert mithilfe des Laufzeitverfahrens PRT (Pulse Range Technology) Vorhandensein und Konturen des Objekts mit einer Auflösung im Millimeter-Bereich. Er könnte in einer Produktionsumgebung außerdem die Ankunft des Werkstücks erkennen, seine Positionierung steuern und den Folgeprozess auslösen. Ein Laser-Lichtschnitt-Sensor ermittelt daraufhin die Tiefeninformationen mit einer Genauigkeit von 0,1 mm. Schließlich liefert ein Weißlicht-Interferometer Aufnahmen von Strukturen und Oberflächen mit einer Genauigkeit von 1 µm. Mit den so gewonnenen Daten lassen sich hochpräzise Bearbeitungsprozesse steuern oder eine minutiöse Qualitätskontrolle durchführen. Zusammen liefern die drei Sensoren ein dreidimensionales, tiefenscharfes Bild als Grundlage für beliebig komplexe Bearbeitungsschritte. Der Nutzen besteht hier in der Kombination der gewonnenen Sensordaten.

In einem weiteren Projekt wurden nicht die Objekte rotiert, sondern zwei Triangulationssensoren. Diese bestimmen die Positionen bewegter Objekte unterschiedlicher Größe zuverlässig und genau, sodass diese beispielsweise von einem Roboter gegriffen werden könnten. Beide Beispiele arbeiten mit bewährten Sensoren. Im nächsten Schritt kommt es darauf an, diese Daten über standardisierte Schnittstellen zur Verfügung zu stellen.

Gemeinsam mit anderen Unternehmen hat Pepperl+Fuchs in einer Studie gezeigt, dass Ethernet in der Prozessautomation, unter Berücksichtigung deren besonderen Anforderungen wie Verwendung von Zweileiter-Kabel, Leitungslängen bis 1200 m, parallele Übertragung von Daten und Energie sowie Explosionsschutz, bis in die Feldebene geführt werden kann. Mit einem entsprechend definierten Physical-Layer könnte es dort die Feldbusse ersetzen und bei enorm gesteigerter Bandbreite eine durchgängige Kommunikation ermöglichen. Das wurde anhand einer Zusammenschaltung von Geräten verschiedener Hersteller in einer prototypischen Implementierung zeigen. In dieser Applikation ist der Zugriff auf Daten von Switches und Feldgeräten über einen Webserver sowie das Auslesen und Verwenden der in den Feldgeräten gespeicherten FDI- Packages durch die Software PACTware möglich. Das Ethernet erlaubt darüber hinaus einen durchgängigen Zugriff auf Infrastruktur und Geräte auch von außerhalb des Automatisierungsnetzwerks. Selbst einfache Geräte wie Temperatursensoren können kosteneffizient mit den entsprechenden Schnittstellen ausgestattet werden. Damit ist eine umfassende Vernetzung aller am Prozess beteiligten Komponenten und Funktionseinheiten möglich.

Wie das auch drahtlos funktionieren kann, einschließlich einer Aktor-Steuerung, zeigt eine Design-Studie zum Einsatz von WirelessHART. In der Prozessautomation ist WirelessHART weit verbreitet – dabei handelt es sich um eine intelligente und robuste Übertragungstechnologie, bei der alle angeschlossenen Geräte als Sender und Empfänger agieren. Mit dieser Technologie sind ausgedehnte und weitläufige Netzwerke einfach durch die maschenförmige Netzwerkstruktur zu realisieren. Mit dem WirelessHART-Discrete I/O hat Pepperl+Fuchs ein Gerät entwickelt, dass diskrete I/Os über WirelessHART zur Verfügung stellt und mit einer integrierten Batterie sich selbst und angeschlossene Sensoren oder Aktoren mit Energie versorgt. Das Gerät kommt beispielsweise in einem Projekt zum Einsatz, bei dem der Füllstand eines Tanks drahtlos von zwei Grenzsignalgebern überwacht wird. Das WirelessHART-Discrete I/O gibt nicht nur die Fülldaten weiter, sondern steuert sowohl die fürs Befüllen zuständige Pumpe als auch das Low-Power-Piezoventil für die Entnahme. Das WirelessHART-Discrete I/O kommuniziert mit dem WirelessHART-Gateway und dieses wiederum mit einem PC. Mittels Tablet oder Smartphone kann komfortabel auf das Gerät und die Regelung zugegriffen werden.

Während dieses WirelessHART-Discrete I/O bisher nur als Prototyp existiert, hat sich SmartBridge bereits zum fertigen Produkt gemausert. Es besteht aus einem Adapter für IO-Link-Sensoren und der SmartBridge-App für handelsübliche Mobilgeräte wie Tablets oder Smartphones. Der Adapter übernimmt Daten und Parameter aus dem Sensor und stellt sie dem Mobilgerät über Bluetooth zur Verfügung. Die App visualisiert die Daten und ermöglicht den Zugriff auf die Parameter. ge