Der Y-Weg macht Sensordaten cloudfähig

Egal, in welche Medien man schaut: Es geht um Künstliche Intelligenz. Immer mehr Applikationen werden identifiziert, im „normalen“ Leben wie auch in der Industrie. Was oft vergessen wird sind qualitativ hochwertige Datenquellen, um die Machine-Learning-Algorithmen der KI zu füttern. Beispiele hierfür sind vorrausschauende Instandhaltung, Prozessoptimierung oder Qualitätskontrolle. Heruntergebrochen auf die industrielle Automatisierung wird als Datenquelle zunächst die SPS verwendet. Hier befinden sich die Maschinenparameter, Warn- und Störmeldungen. Durch den Einsatz smarter Sensorik entsteht eine weitere „Intelligenzstufe“ unterhalb der SPS.

Smarte Sensorik und Big Data

In den vergangenen zehn Jahren haben sich die verfügbaren Datenmengen auf ein Vielfaches erhöht, von reinen Prozesswerten (Bytes) hin zu Servicedaten (kBytes). Diese sind über klassische Feldbusse und eine SPS nicht mehr zu verarbeiten, da sie für diese Leistungsdaten nicht ausgelegt sind. Die Bandbreite ist zu gering und Prozessorleistung und Speicher sind hierfür ebenfalls unterdimensioniert. Wenn man also die Servicedaten in IT-Anwendungen nutzen möchte, gibt es nur wenige gangbare Lösungen. Profinet auf Gbit-Physik aufzurüsten würde zu erheblichen Rückwärts-Kompatibilitätsproblemen führen. Eine einfachere Variante ist der Y-Weg, der auf der I/O-Ebene zusätzlich zu der bestehenden Feldbus-OT-Schnittstelle eine zweite Schnittstelle zum Industrial Internet of Things (IIoT) hinzufügt. Das bringt den Vorteil der strikten OT/IT-Trennung, was die Security vereinfacht und für eine problemlose Integration bestehender OT-Hardware- und Software-Strukturen sorgt.

Der Y-Weg im IO-Link Master

Der Y-Weg ist bereits im Master vorkonfiguriert. Es verfolgt die Idee, getrennte Datenkanäle für Steuerung und IT zur Verfügung zu stellen – Prozess- und Servicedaten sind so auf die beiden Kanäle aufgeteilt. Dies ist auf verschiedenen Wegen möglich: Bei der software-gesteuerten Variante werden beide Datenströme über eine Ethernet-Leitung, meist den Feldbus gemeinsam übertragen. Es macht die Master etwas kostengünstiger, hat aber Einflüsse auf die Performance.

Die meist verwendete hardware-gesteuerte Variante verwendet zwei physikalisch getrennte LAN-Ports: einen für den Feldbus, den zweiten für die IIoT-Schnittstelle. Beide Ports arbeiten in unterschiedlichen IP-Adressbereichen, was eine zusätzliche Sicherheit gegenüber Cyberangriffen auf die Automatisierung gewährleistet. Dementsprechend spielen Echtzeit-Protokolle auf der einen Seite mit IIoT-Protokollen auf der anderen Seite zusammen. Die Quelle der Daten bildet natürlich IO-Link auf der Geräteseite.

Aus Daten werden Informationen

Die immer noch verbreiteten Analogschnittstellen (4…20mA, 0…10V) werden im A/D-Wandler der SPS-Eingangskarte in 2-Byte-Rohdaten digital abgebildet. Sind diese Daten bereits Informationen? Wenn man Informationen so definiert, dass sie für Menschen verständlich interpretierbar sind, dann trifft das für Analogdaten nicht zu. Sie müssen erst aus den Rohdaten umgerechnet werden, damit aus einem temperaturäquivalenten Messstrom tatsächlich Grad Celsius oder Kelvin werden.

Dieses Problem hat IO-Link elegant gelöst. Mit Hilfe der IO Device Description (IODD) Datei, die für jedes Gerät in der „IODD-Finder“-Cloud abrufbar ist, stehen alle Informationen des Sensors oder Aktuators zur Verfügung. Somit können Analogwerte der angeschlossenen Geräte direkt in einem menschenlesbaren Wert angezeigt und weiterverarbeitet werden. IO-Link stellt verschiedene Informationsarten zur Verfügung: Prozess- und Parametrierdaten, Service- und Identifikationsdaten. IO-Link bildet mit seinen Informationen die Grundlage für den digitalen Zwilling und die Verwaltungsschale im Industrie-4.0-Umfeld.

Der All-in-One IO-Link-Master

Üblicherweise wird die Integration der IODD auf einer höheren Ebene wie der SPS, dem SCADA-System, dem Edge-Gateway oder der IIoT-Cloud vorgenommen. Dass es auch effizienter geht, zeigt der neue SolutionBlock von ifm. In den Bereichen Automatisierung, IIoT-Anbindung und Security hat dieser IO-Link-Master die Nase vorn.

• Automatisierung: Mit der Multiprotokoll-Feldbusschnittstelle können Profinet- und Ethernet/IP-Steuerungen bedient werden. Das sorgt für geringere Lagerhaltung und mehr Flexibilität im Maschinenbau. Mit dem moneo configure Plug-In können die relevanten Sensordaten, die an die Steuerung übertragen werden, reduziert werden, was zur Verbesserung der Performance führt.

• IO-Link Master: Mit je vier IO-Link A- und B-Ports ist man für alle möglichen Anforderungen der Sensorik und Aktuatorik gerüstet. Die L-kodierten M12-Stecker können bis zu 15 Ampere durchschleifen und erleichtern die dezentrale Verdrahtung.

• IT-Anbindung: Der integrierte Switch sorgt für eine einfache Verdrahtung mehrerer Master-Module ohne zusätzliche Hardware. Die strikte Trennung der IP-Adressierung von der OT-Seite wirkt wie eine interne Firewall. Die integrierten IIoT-Protokolle OPC UA, REST API und MQTT können über sichere Verbindungsprotokolle verschlüsselt übertragen werden. Eine Funktion die bisher das Edge-Gateway übernommen hatte.

• Edge-Gateway: Der integrierte IODD-Interpreter stellt auch für die IIoT-Datenbank lesbare Informationen zur Verfügung. Zur lokalen Datenaufbereitung oder Anpassung von Datenflüssen steht das einfach zu bedienende Node-RED zur Verfügung. Und schließlich sorgt der eingebaute OPC-UA-Server für eine herstellerunabhängigen Datenaustausch zu anderen Geräten oder Maschinen. Die integrierte Echtzeituhr und das NTP-Protokoll sorgen für synchrone Datenübertragung.

Der neue IO-Link SolutionBlock ist mehr als nur ein Problemlöser. Er findet überall Anwendung, wo es auf interpretierte Daten ankommt und der Y-Weg von der Anlage bis in die Cloud konsequent umgesetzt werden soll.