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Smart Safety Solution: Vom Sicherheitssensor in die Cloud

Die Safety-to-Cloud-Lösung von Schmersal: Diagnoseinformationen können auf Bildschirmen visualisiert und über mobile Endgeräte wie Tablets oder Handys abgerufen werden.

Die Safety-to-Cloud-Lösung von Schmersal: Diagnoseinformationen können auf Bildschirmen visualisiert und über mobile Endgeräte wie Tablets oder Handys abgerufen werden.

Vorausschauende Wartungs- und Service-Prozesse sind nur auf der Grundlage umfangreicher Daten möglich, die von Komponenten und Maschinen im Fertigungsprozess bereitgestellt werden. Diese Monitoring-Informationen können nun auch von Sicherheitskomponenten geliefert und in einer Cloud-Umgebung ausgewertet werden. Im Kontext von Industrie 4.0 gewährleistet die Sicherheitstechnologie damit nicht nur die Einhaltung von Sicherheitsstandards, sondern trägt gleichzeitig zur Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit bei. Eine solche Lösung bietet die Smart Safety Solution von Schmersal, die das Unternehmen erstmals auf der SPS IPC Drives 2017 vorstellte.

Text: Siegfried Rüttger

Effizienzsteigerung lautet eine wesentliche Zielsetzung in der Industrie 4.0. Störungen und Stillstandzeiten von Maschinen sollen minimiert werden, um eine maximale Verfügbarkeit von Komponenten, Maschinen und Anlagen zu erreichen. Grundlage dafür ist eine permanente Zustandsüberwachung von technischen Prozessen. Auf der Basis von laufend eingelesenen Maschinendaten und physikalischer Kennzahlen, wie Temperatur, Schwingung, Stromstärke und Spannung, ist es möglich, Voraussagen über den Zustand der Anlagen abzuleiten. Diese Daten werden dann genutzt, um Serviceintervalle zu planen, Produktionsausfälle zu vermeiden und den Produktionsumsatz zu maximieren. In der Industrie 4.0 ist es das Ziel, nicht mehr reaktiv auf den Ausfall von Komponenten zu reagieren, sondern proaktiv einen kostspieligen Ausfall der Maschine zu verhindern. Dabei ist die Cloud eine Schlüsseltechnologie: Sie ermöglicht unter anderem umfassende Datenanalysen und die Skalierung von Systemen.

Die Auswertung von Monitoring-Informationen in der Cloud wird heute bereits vielfach erfolgreich praktiziert. Die Einbeziehung der Sicherheitstechnologie in derartige Konzepte war jedoch bisher nicht üblich. Dabei liegen die Vorteile auf der Hand: Komponenten, die zu Einhaltung von Sicherheitsstandards eingesetzt werden, können gleichzeitig als „Datenlieferant“ zu Produktivitätssteigerung beitragen – damit schlägt man zwei Fliegen mit einer Klappe.

Safety-to-Cloud-Lösung nutzt standardisierte Kommunikationsprotokolle

Die Schmersal Gruppe bietet jetzt erstmals eine Safety-to-Cloud-Lösung an (Bild 1): Alle Sicherheitszuhaltungen und Sicherheitssensoren sowie einige Sicherheitslichtgitter von Schmersal, die mit einem SD-Interface ausgestattet sind, können über die Sicherheitssteuerung PSC1 (Bild 2) oder ein SD-Gateway sowie über ein separates Edge-Gateway zyklischen Daten in eine beliebige Cloud übertragen. Eine Verknüpfung dieser zyklischen SD- Daten innerhalb der Cloud bietet dem Anwender umfangreiche Diagnosemöglichkeiten, dazu zählen z.B. Schaltzyklen, die Zustandssituation der Sicherheit, Grenzbereichswarnungen, Abstandswarnungen und vieles mehr.

Die modularen Sicherheitssteuerungen der Produktfamilie PSC von Schmersal bieten die Möglichkeit, individuelle Schutzsysteme zu programmieren.

Die modularen Sicherheitssteuerungen der Produktfamilie PSC von Schmersal bieten die Möglichkeit, individuelle Schutzsysteme zu programmieren.

Für die Übertragung von Monitoring- und Zustandsdaten an die Cloud zur kundenindividuellen Auswertung bieten sich systemunabhängige Formate, wie OPC UA, MQTT oder AMQP, an. Bei der Smart Safety Lösung leitet das Edge-Gateway die Daten im MQTT-Format weiter. Es handelt sich dabei um ein offenes Kommunikationsprotokoll, das sich inzwischen zu einem der populärsten IoT-Standards entwickelt hat. Damit steht eine hersteller- und systemunabhängige Lösung zur Verfügung, die dem Anwender die freie Wahl lässt bei der Entscheidung, welche Cloud er nutzen möchte.

MQTT basiert auf dem Publish/Subscribe-Prinzip. Die Sender von Nachrichten (sogenannte Publisher) und die Empfänger der Nachrichten (sogenannte Subscriber) sind voneinander entkoppelt, aber durch einen MQTT Broker verbunden. Dieses System ermöglicht eine ereignisgetriebene Push-Kommunikation zwischen allen Kommunikationsteilnehmern sowie eine hohe Skalierbarkeit. Es gewährleistet außerdem durch verschiedene sogenannte „Quality of Service Levels“ die Datenübertragung auch in instabilen Netzen, wie etwa Mobilfunknetzen. Zudem ist es eine schlanke, kosteneffiziente Lösung, die sehr einfach zu implementieren ist.

Bei dieser Version der Safety-to-Cloud-Lösung, die MQTT als Kommunikationsprotokoll einsetzt, handelt es sich um eine erste, sehr pragmatische Lösung. Künftig sind jedoch auch Cloud-Lösungen unter Einbeziehung der Sicherheitstechnologie möglich, bei denen OPC UA genutzt wird. OPC UA gilt als zukunftsweisender Standard für M2M-Kommunikationsprotokolle, da es Informationen über Maschinen oder Sensoren nicht nur transportiert, sondern auch eine semantische Beschreibung der Informationen ermöglicht.

Smart Safety Solution – geeignet für jede Cloud-Plattform

In der gegenwärtigen Konstellation der Smart Safety Solution können die zyklischen Daten beispielsweise auf Microsoft Azure gespeichert werden, einer gängigen Cloud-Plattform, die sich durch Flexibilität und Interoperabilität auszeichnet. Doch prinzipiell kann der Anwender der Smart Safety Solution jede beliebige Cloud-Plattform nutzen. Über Power BI, einer Tool-Sammlung von Microsoft zum Analysieren von Geschäftsdaten, können die Daten visualisiert werden. Die Power BI-Dashboards bieten eine Vielzahl von nützlichen Funktionalitäten für die Darstellung der Daten, zum Beispiel in Form von Tabellen, Diagrammen oder Grafiken. Der Anwender kann damit ganz einfach per Drag & Drop diejenigen Daten auswählen, die er für die Analyse seiner individuellen Prozesse benötigt. Er kann sich beispielsweise anzeigen lassen, wie häufig eine Maschine angelaufen ist und die Anzahl der Betriebsstunden und den voraussichtlichen Verschleiß von Komponenten errechnen, sodass ein frühzeitiger Austausch möglich ist und so Stillstandszeiten von Maschinen vermieden werden. An den Daten über die Betriebsspannung lässt sich zum Beispiel erkennen, ob ein Netzteil ausgefallen ist, und auch anhand von Informationen über die Häufigkeit des Öffnens und Schließens einer Schutztür können Rückschlüsse auf mögliche Probleme an einer Maschine gezogen werden. Ein weiteres Beispiel: Wenn Verschmutzungen an den Sensoren der Sicherheitslichtgitter auftreten und das Signal infolgedessen schwächer wird, kann eine Warnmeldung übermittelt werden, sodass frühzeitig korrektive Maßnahmen eingeleitet werden können bevor der Sensor oder das Lichtgitter sicher abschaltet.
Diese Diagnoseinformationen können auf Bildschirmen visualisiert und über mobile Endgeräte wie Tablets oder Handys abgerufen werden. Damit wird eine standortunabhängige Kontrolle von Fertigungsprozessen ermöglicht und darüber hinaus der proaktive Einsatz von Servicekräften, beispielsweise durch Push-Mitteilungen über das Handy, wenn etwa bei einem Versatz von Schutztüren vordefinierte Limits erreicht werden.

Sicherheitsschalter übertragen Diagnosedaten

Ein weiterer Vorteil der Smart Safety Solution: Die Diagnoseinformation werden parallel zu den Sicherheitsfunktionen an die Cloud weitergeleitet. Die sicheren Signale werden in der Sicherheitssteuerung PSC1 ausgewertet, sodass damit auch die erforderlichen schnellen Reaktionszeiten gewährleistet sind und die Sicherheitsfunktionen bei Fehlern in der Maschine zuverlässig ausgeführt werden. Die nicht-sicheren Diagnoseinformationen werden dagegen nicht über die Steuerung, sondern über das SD-Gateway sowie das Edge-Gateway direkt an die Cloud übermittelt. Das bedeutet, das ein zusätzlicher Entwicklungsaufwand für die Steuerung nicht erforderlich ist.

Bei dem SD-Gateway handelt es sich um eine bewährte proprietäre Lösung, mit der umfangreiche Status- und Diagnosedaten von Sicherheitsschaltern mit SD-Interface übertragen werden können. Ein großer Pluspunkt der SD-Lösung ist, dass bis zu 31 Sicherheitssensoren und Sicherheitszuhaltungen in Reihe geschaltet werden können. Auf diese Weise lassen sich auch komplexe Anlagen mit einem erheblich reduzierten Verdrahtungsaufwand absichern. Auch Alt- und Bestandsmaschinen (Braunfield), die mit einer SD-Lösung abgesichert sind, können nachgerüstet und bestehende Anlagen nachträglich mit der Safety-to-Cloud-Lösung von Schmersal ausgestattet werden.

tec.nicum bietet Safety Consulting

Im Hinblick auf das Thema Maschinensicherheit und Industrie 4.0 ist ein verstärkter Wissenstransfer notwendig. Dieser Entwicklung hat die Schmersal Gruppe mit der Gründung ihres Geschäftsbereichs für Dienstleistungen Rechnung getragen: Das tec.nicum bietet für Maschinenbauer und -betreiber nicht nur Schulung und herstellerneutrale Beratung, sondern auch die Programmierung der Sicherheitssoftware.

Um Maschinenhersteller und -anwender bei der Einführung digitaler Zukunftstechnologien mit automatisierungs- und sicherheitstechnischen Lösungskonzepten sowie kompetenten Safety Consulting zu unterstützen, hat es sich Schmersal zum Ziel gesetzt, das eigene Know-how kontinuierlich zu erweitern. Als Mitglied im ZVEI, VDMA, der „Zukunftsallianz Maschinenbau“ und des LNI4.0 Labs Network Industrie 4.0 profitiert die Schmersal Gruppe vom Informationsaustausch in den interdisziplinären Fach- und Arbeitsgruppen aus Maschinenbau, angewandter Forschung und Zulieferindustrie dieser Netzwerke. Zudem arbeitet Schmersal in diesen Netzwerken an konkreten Use Cases mit.


Autor: Siegfried Rüttger ist Projektleiter Industrie 4.0 bei der Schmersal Gruppe

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Siegfried Rüttger ist Projektleiter Industrie 4.0 bei der Schmersal Gruppe