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Die digitale Lücke zwischen Sensoren und mobilen Endgeräten geschlossen

Der Smart-Bridge-Adapter, eingeschleift in die Sensorzuleitung

Übersichtliche Darstellung auf Sensortyp-spezifischen Bildschirmseiten

Aus der Konzeptstudie Smart-Bridge hat Pepperl+Fuchs nun eine kommerzielle Lösung entwickelt, mit der handelsübliche Mobilgeräte als Bedien- und Anzeigeeinheiten für industrielle Sensoren verwendet werden können. Das System besteht aus einem Drahtlos-Adapter sowie einer App für die Mobilgeräte.

Auf dem Weg zur Industrie 4.0 werden neue und zusätzliche Kommunikationswege zwischen einzelnen Automatisierungskomponenten benötigt. Hierzu bieten sich aus der IT bekannte Netzwerk-Technologien an. In Kombination mit einer Vernetzung über Fabrikgrenzen hinweg lassen sich Steigerungen bei Produktivität, Flexibilität und Effizienz erreichen. Für Sensoren und Aktoren hat das zur Folge, dass der Datenfluss aus der Feldebene nicht mehr ausschließlich über die Steuerungsebene erfolgen muss. Dazu wird eine „Sensorik 4.0“ mit geeigneten Schnittstellen benötigt. Klassische Sensoren alleine können diese Anforderungen nicht erfüllen.

Bedien- und Anzeigekonzepte für Sensoren
Nicht erst seit Aufkommen der Industrie-4.0-Idee wird immer mehr Intelligenz in die Feldebene verlagert. Sensoren bilden komplexere Funktionalitäten ab und bieten zusätzliche Konfigurations- und Einstellmöglichkeiten. Um diese Komplexität effektiv nutzen zu können, sind für Inbetriebnahme, Wartung und Service solcher Einheiten auch leistungsfähige Anzeige- und Bedienkonzepte erforderlich. Diese müssen bessere Übersichtlichkeit und höheren Bedienkomfort bieten als die üblicherweise verwendeten Elemente, wie LED, Folientaster oder kleine LCD-Displays. Solche gerätegebundenen Einheiten bedeuten außerdem zusätzliche Kosten und benötigen zusätzlichen Platz. Eine weitere Forderung in diesem Zusammenhang ist das rückwirkungsfreie Anzeigen von Sensordaten, das heißt eine zeitliche oder funktionale Beeinträchtigung der Sensorfunktion durch die Anzeigeelemente ist unerwünscht.

Preiswerte High-End-Geräte für die Automatisierung
Im täglichen Leben haben sich Tablets und Smartphones durchgesetzt und klassische PC teilweise sogar verdrängt. Bei diesen modernen Mobilgeräten handelt es sich um vergleichsweise preiswerte High-End-Geräte, die mit hochauflösenden Farbdisplays, leistungsfähigen Prozessoren, vielfältigen Schnittstellen und Sensoren für verschiedene Größen ausgestattet sind. Nicht zuletzt haben standardisierte Betriebssysteme mit intuitiver Bedienung über Multitouch-Gesten zu einer flächendeckenden Verbreitung und Akzeptanz dieser Geräte im privaten und geschäftlichen Bereich geführt. Auch in der Automatisierung werden Mobilgeräte zunehmend eingesetzt, zumeist als Bedien- und Anzeigeeinheiten für Steuerungen oder übergeordnete Systeme.

Die Brücke zur Sensorik
Pepperl+Fuchs hat mit der Konzeptstudie Smart-Bridge aufgezeigt, wie handelsübliche Smartphones und Tablets für Inbetriebnahme, Service und Wartung von Feldgeräten verwendet werden können, ohne dass auf übergeordnete Steuerungen zugegriffen werden muss. Aufgrund des großen Interesses an der Studie wurde Smart-Bridge zu einem kommerziellen System weiterentwickelt. Das System besteht aus einem Drahtlos- Adapter und Apps für Mobilgeräte von Apple oder solche mit Android-Betriebssystem. Der in Schutzart IP67 ausgeführte Adapter wird in die vorhandene drei-, vier- oder fünfadrige Sensorverkabelung eingeschleift und darüber auch mit Energie versorgt. Er macht Sensordaten und Parameter für die Mobilgeräte drahtlos via Bluetooth verfügbar. Dabei wurde für die drahtlose Übertragung Bluetooth einer WLAN-Lösung vorgezogen. Hintergrund ist, dass Bluetooth mit reinen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen arbeitet und weder das Mobilgerät noch der Sensor in ein Netzwerk integriert werden müssen. Nachteile solcher Netzwerke können sein, dass diese schnell unübersichtlich werden und Angriffsflächen für digitale Gefahren bieten. Außerdem bleibt so der WLAN-Adapter des Mobilgeräts frei und kann zum Aufbau einer parallelen Verbindung zum Internet verwendet werden, um dort verfügbare Dienste zu nutzen. Zusätzlich ist der Smart-Bridge-Adapter mit einer wechselbaren Micro-SD-Karte ausgerüstet. Auf dieser können Sensordaten über längere Zeiträume hinweg, zum Beispiel zum Aufspüren von sporadischen Effekten, aufgezeichnet oder auch Sensor- Parametrierungen abgelegt werden. Das Auslesen der Micro-SD-Karte erfolgt über eine USB-Schnittstelle.

IO-Link für Herstellerunabhängigkeit
Zur Kommunikation mit den Feldgeräten ist der Adapter mit einer IO-Link-Schnittstelle ausgestattet. Bei IO-Link handelt es sich um einen herstellerübergreifenden Kommunikationsstandard, der von namhaften Herstellern von Automatisierungskomponenten unterstützt wird. Mit IO-Link können die Prozessanschlüsse von Sensoren oder Aktoren zur seriellen Übertragung von Daten und Parametern verwendet werden. Es sind keine zusätzlichen Anschlüsse oder Leitungen an den Feldgeräten erforderlich. Die IO-Link-Schnittstelle selbst ist einfach und platzsparend realisierbar. Die spezifischen Eigenschaften der einzelnen IO-Link-Geräte werden in einer Datei beschrieben, dem IO-Link Device Descriptor (IODD). Diese Datei wird vom Hersteller bereitgestellt. Aufgrund der vielfältigen Vorteile für Hersteller und Anwender wird davon ausgegangen, dass in Zukunft alle parametrierbaren Sensoren und Aktoren auch mit IO-Link-Schnittstellen angeboten werden.

„Mitwachsende“ App für handelsübliche Mobilgeräte
Die Smart-Bridge-App ist für Mobilgeräte mit „iOS“- und Android-Betriebssystem verfügbar. Mit ihr werden Smartphones oder Tablets zu komfortablen Werkzeugen für das Arbeiten mit modernen industriellen Sensoren. Auf einen entsprechenden Befehl hin scannt die App den Empfangsbereich des Mobilgeräts und listet verbindungsbereite Adapter mit festgelegten Namen sowie dem Typ des am Adapter angeschlossenen Sensors auf. Wenn ein Adapter ausgewählt wird, startet der Verbindungsaufbau. Dabei wird das im Adapter gespeicherte Passwort abgefragt, um unbefugte Verbindungen zu unterbinden. Nach erfolgreichem Verbindungsaufbau baut das Mobilgerät für den Sensortyp spezifische Bildschirmseiten auf. Die dazu erforderlichen Informationen werden aus den Beschreibungs-Datensätzen (IODD) der Sensortypen entnommen. Zum Laden der IODD verfügt die App über eine Update-Funktion, die IODD von bisher unbekannten Sensortypen beim ersten Verbinden mit diesem Typ aus dem Internet lädt. Eine Internetverbindung ist nur während dieses Ladevorgangs erforderlich. Nachdem alle benötigten IODD auf dem Mobilgerät vorliegen, kann die Verbindung getrennt werden. Mithilfe dieser Update-Funktion und durch die Nutzung der IODD kann die App um weitere Sensortypen ergänzt werden, ohne dass die App selbst verändert werden muss. Die App und damit das Mobilgerät „wächst“ so mit den Anforderungen mit und Smart-Bridge kann herstellerübergreifend für alle Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle verwendet werden. Der Einsatz ist nicht auf Geräte eines Herstellers begrenzt.

Softwareschnittstelle für Feldgeräte mit Webservern
Die Smart-Bridge ist nicht ausschließlich auf Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle beschränkt. Hochwertige und komplexe Sensoren sind heute häufig mit einer Ethernet- Schnittstelle ausgerüstet und bieten webbasierte Service- bzw. Anzeigefunktionen. Für solche Einheiten ist in der Smart-Bridge-App eine Softwareschnittstelle integriert, die in den Sensoren vorhandene Web-Services nutzbar macht und nahtlos in die App einbettet. (ih)

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Autor:
Dipl.-Ing. Benedikt Rauscher ist Entwicklungsgruppenleiter IVC im Geschäftsbereich Fabrikautomation bei der Pepperl+Fuchs GmbH
in Mannheim. E-Mail: brauscher@de.pepperl-fuchs.com