Intelligente I4.0-Sensoren in modernen Produktionskonzepten

Volle Transparenz zu jedem Zeitpunkt

Alles beginnt am Sensor: Sensoren sind die Augen und Ohren der Automatisierungstechnik. Bild: Balluff

Die Smart Factory mit ihren hochflexiblen Produktionslinien erfordert nicht nur die intelligente Vernetzung von Geräten, sondern auch die Verknüpfung der Feld- und Steuerungsebene mit der IT- und Unternehmensleitebene. Dabei kommt den Sensoren in der Anlage eine Schlüsselrolle zu (Bild 1). In Echtzeit sammeln sie direkt vor Ort Statusinformationen aus der Maschine, um ein virtuelles Abbild der physischen Welt zu schaffen. Intelligente Sensoren ermöglichen es, über die eigentlichen Primärdaten hinaus auch noch Servicedaten als Sekundärdaten zum eigenen Zustand oder ihrer Umgebung zu liefern.

Der Informationsbedarf zwischen den Ebenen der Automatisierungspyramide steigt. Bild: Balluff

Der Informationsbedarf zwischen den Ebenen der Automatisierungspyramide steigt.

Mit der Digitalisierung der Produktionswelt steigt der Informationsbedarf zwischen den verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide von der Sensor-/Aktorebene direkt im Feld bis hinauf zur Unternehmensebene mit ihren ERP-Systemen. Sensoren sind dabei die „Augen und Ohren“ der Automatisierungstechnik, ohne die es keine Daten für einen solchen ebenenübergreifenden Informationsfluss gibt. Sie befinden sich direkt vor Ort in der Anlage und liefern wertvolle Informationen als Grundlage für die Realisierung moderner Produktionsprozesse. Damit lassen sich dann smarte Wartungs- oder Reparaturkonzepte umsetzen, Stillstandszeiten minimieren, Produktionsausschuss vermeiden und die Anlagenverfügbarkeit erhöhen. In Kombination mit intelligenten Steuerungen sind sogar selbstregulierende Systeme realisierbar, die sich hoch dynamisch an die jeweiligen Produktionserfordernisse anpassen (Cyber Physical Systems, CPS).

Digitalisierung beginnt am Sensor

Digitalisierung braucht also intelligente Sensoren, um Anlagenmodelle mit Echt-Daten anzureichern und Klarheit über Anlagen- und Produktionsstatus zu haben. Dazu müssen die „Augen und Ohren“ der Automatisierung allerdings Zusatzinformationen liefern, die über ihre primäre Funktion hinausgehen. Das sind neben Daten zur Lebensdauer, dem Belastungsniveau, Schadenserkennung auch Umgebungsinformationen wie Temperatur, Verschmutzung oder die Güte der Ausrichtung auf das zu erkennende Objekt.

Der BOS 21M ADCAP ist ein wahres Multitalent mit einem umfangreichen Funktionsportfolio. Bild: Balluff

Der BOS 21M ADCAP ist ein wahres Multitalent mit einem umfangreichen Funktionsportfolio.

Mit den beiden neuen Opto-Sensoren der Baureihe BOS 21M hat Balluff gleich zwei intelligente Sensoren im Programm, die solchen Zusatznutzen bieten. Neben dem Schaltsignal stellen sie über IO-Link zusätzlich wertvolle Informationen zum Sensorstatus oder zu den aktuellen Umgebungsbedingungen zur Verfügung. Außerdem bieten sie eine hohe Flexibilität, denn die Sensorprinzipien können flexibel im Betrieb geändert werden, was die zuverlässige Erkennung verschiedenster Objekte ermöglicht: Der vielseitige Allrounder BOS 21M ADCAP arbeitet mit Rotlicht und erlaubt die Wahl zwischen vier Sensormodi: Hintergrundausblendung, energetischer Lichttaster, Reflexionslichtschranke oder Einweglichtschranke. Beim hochpräzisen Lasertaster BOS 21M HPL kann der Anwender zwischen zwei verschiedenen Modi der Hintergrundausblendung wählen, um den Sensor optimal für die Erkennungsaufgabe zu konfigurieren und die bestmögliche Erkennung sicherzustellen.

Diagnosefunktionen für intelligente Wartungskonzepte

Mit den Zusatzdaten der Sensoren lassen sich intelligente Wartungskonzepte realisieren und so die Anlagenverfügbarkeit deutlich erhöhen. So ist ein Betriebsstundenzähler integriert, als wichtiges Hilfsmittel für eine vorausschauende Wartung. Dank cleverer Diagnoseinformationen mit aktuellen Werten der Lichtremission lassen sich zunehmende Verschmutzung, Sensor-Dejustage, Einstellungsfehler oder andere Unregelmäßigkeiten frühzeitig erkennen. Beim Lasertaster BOS 21M HPL wird auch der Teachvorgang mit einer Plausibilitätsprüfung überwacht und gegebenenfalls eine Fehlermeldung ausgegeben.

In vielen Anwendungen extrem hilfreich sind die Werte der Lichtremission, z.B. wenn die Umgebungsbedingungen zwangsläufig zu erhöhter Sensorverschmutzung führen. Diese Werte werden über IO-Link als Rohdaten zur Verfügung gestellt und ermöglichen z.B. Trendanalysen, um Wartungsinterwalle zu optimieren und an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Für Anlagenbetreiber ist das oft essentiell. Ein anschauliches Beispiel liefert die Produktion von Autoreifen. Kommt der Transport der nach dem Vulkanisieren noch heißen Reifen wegen eines verschmutzten Sensors ins Stocken, so rutschen die Reifen aufeinander und teurer Ausschuss ist die Folge. Gleichzeitig kommt es zu einem Produktionsstillstand, bis das Transportband geräumt ist, und schlimmstenfalls können die zugesagten Liefermengen nicht eingehalten werden. Sensoren wie der BOS 21M ADCAP, die eine entsprechende Diagnosemöglichkeit bieten, rechnen sich in solch einem Fall daher schnell. Denn dank der Lichtremissionswerte kennt der Anlagenbetreiber den Verschmutzungsgrad jedes Sensors und kann eine Reinigung veranlassen, bevor es zu einem kostenträchtigen Produktionsstillstand kommt.

In puncto Betriebssicherheit leisten die intelligenten Sensoren aber noch mehr. So wird beim BOS 21M ADCAP erstmals auch die Leistung der Sende-LED direkt überwacht. Die intelligente Diagnose der Sendeleistung, die durch eine dreistufige „Ampel“ leicht verständlich und prägnant dargestellt wird, vermeidet Fehlfunktionen und reduziert dadurch ebenfalls Maschinenstillstandszeiten. Kritischen Betriebszuständen durch die zwangsläufige Alterung der LED lässt sich so rechtzeitig gegensteuern.

Flexibel und schlau

Außerdem tragen die intelligenten Sensoren aber auch dazu bei, die übergeordnete Steuerung zu entlasten und gleichzeitig den Datenverkehr auf dem Feldbus zu reduzieren. Bei beiden Sensoren werden die Detektionssignale schon im Sensor vorverarbeitet. Eine integrierte Zählfunktion bietet mehrere Zähl- und Rücksetzmöglichkeiten für verschiedenste Anwendungen. Diese dezentrale Sensorintelligenz sorgt für schnelle Prozesse unabhängig von der IO-Link Datenübertragungsgeschwindigkeit.

Der hochpräzisen Lasertaster BOS 21M HPL besticht durch seine hohe Auflösung und umfangreiche Service- und Diagnosefunktionen. Bild: Balluff

Der hochpräzisen Lasertaster BOS 21M HPL besticht durch seine hohe Auflösung
und umfangreiche Service- und Diagnosefunktionen.

Da sich die Betriebsmodi der Sensoren über IO-Link auch im laufenden Betrieb ändern lassen, können ganz unterschiedliche Objekte unter wechselnden Betriebsbedingungen detektiert werden. Die Produktion wird dadurch flexibel und passt sich schnell an unterschiedliche Erfordernisse an. Zudem vereinfacht sich die Lagerhaltung, da der BOS 21M ADCAP vier Sensorprinzipien in einem Sensor vereint. Ein Sensortausch ist einfach und unkompliziert, da sich die Parametersätze jederzeit über IO-Link aktualisieren und aufspielen lassen. Moderne Produktionskonzepte und Industrie-4.0-Lösungen profitieren so in vielerlei Hinsicht von diesen intelligenten optischen Sensoren mit ihren wegweisenden Funktionen und Eigenschaften.

Über Balluff
Die Balluff GmbH bietet als führender, global tätiger Sensorspezialist und Connectivity-Anbieter mit mehr als 3600 Mitarbeitern ein komplettes Sortiment an hochwertigen Sensoren, Wegmess- und RFID-Systemen sowie Networkinglösungen für alle Bereiche der Fabrikautomation. Das Unternehmen Balluff ist seit vier Generationen familiengeführt und investiert einen hohen Anteil des Umsatzes in Forschung und Entwicklung. Produktions- und Entwicklungsstandorte sowie 61 Niederlassungen und Repräsentanzen sind um den ganzen Globus verteilt. Hohe Liefersicherheit und kurze Wege zu den Kunden sind selbstverständlich. Gefertigt wird nicht nur im Stammhaus in Neuhausen a. d. Fildern in der Nähe von Stuttgart, sondern auch in weiteren modernen Produktionsstätten in Deutschland, Ungarn, der Schweiz, den USA, Brasilien und China.

Alle Bilder: Balluff

Stefan Hornung

Produktmanager optoelektronische Sensoren bei Balluff

Marco Antoni

Marco Antoni

Der Diplom-Physiker arbeitet seit Juni 2015 beim Redaktionsbüro Stutensee. Kontakt können Sie via Xing, Twitter und Facebook aufnehmen.

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