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Aktuelles aus der Sensorik

Sensoren, Drehgeber, Näherungsschalter, Seilzug, induktiv, kapazitiv, inkremental

pepperl10115Fachartikel

Hannover Messe Halle 9, Stand D76

Durch eine Vernetzung von der untersten Ebene bis über Fabrik-Grenzen sollen in Cyber-Physikalischen Produktions-Systemen (CPPS) mit effektiver Kommunikation und Selbstorganisation Flexibilität, Leistungsfähigkeit und Effizienz massiv gesteigert werden. Den zusätzlichen „horizontalen“ Kommunikationswegen parallel zur vertikalen Vernetzung in der vertrauten Automatisierungspyramide kommt dabei eine zentrale Bedeutung  zu. Aus Sicht der Sensorik sind insbesondere diese zusätzliche Konnektivität sowie die Nutzung von IT-Technologie und Hardware hochinteressant. Pepperl+Fuchs hat dafür den Begriff „Sensorik 4.0“ geprägt.



Dr.-Ing. Peter Adolphs, Geschäftsführer Entwicklung & Marketing bei Pepperl+Fuchs über die Smart Bridge Technologie

Moderne Sensoren bilden immer komplexere Funktionen ab und bieten dadurch auch mehr Parameter bzw. Einstellmöglichkeiten. Ein optimaler Einsatz erfordert Anzeige-Elemente für Zustände oder Messwerte –zumindest temporär. Die Sensoren müssen parametriert und Konfigurationen gesichert werden. Dafür sind übersichtliche Bedienoberflächen wünschenswert, die jedoch an den Sensoren selbst wegen Miniaturisierung und aus Kostengründen nicht umgesetzt werden können.

pepperl20115Die Realität sind kleine LEDs, LCD-Displays sowie Taster, DIP- oder Drehschalter und Potis die mit Schraubendrehern bedient werden müssen. Es sind auf kleinstem Raum viele Informationen zum Anwender zu transportieren, was nur mit Mehrfachbelegungen von Tastern, LED-Blinkcodes möglich ist. Für Beschriftungen steht nur wenig Platz zur Verfügung. Der Anwender benötigt eine mehr oder weniger ausführliche schriftliche Anleitung in einer ihm verständlichen Sprache, um mit solch wenig intuitiven Systemen arbeiten zu können.

Hinzu kommt, dass gerätegebundene Elemente in vielen Fällen nutzlos sind, weil bei der Montage auf die Zugänglichkeit oder Sichtbarkeit von Bedien- und Anzeige-Elementen keine Rücksicht genommen werden kann oder die Sensoren gar vollkommen unzugänglich verbaut werden müssen. Mit fest installierten abgesetzten Bedieneinheiten können auch entfernt vom Sensor Funktionen visualisiert oder Einstellungen komfortabel vorgenommen werden, jedoch verursachen solche Geräte zusätzlich Platzbedarf und Kosten.

Moderne Mobilgeräte wie Tablets und Smartphones eignen sich besser für solche Zwecke. Hierbei handelt es sich um High-End-Geräte zu vergleichsweise günstigen Preisen. Hohe Grafikleistung, kontraststarke Bildschirme, integrierte Sensorik, leistungsfähige drahtlose Schnittstellen und nicht zuletzt die intuitiv zu bedienenden Betriebssysteme machen Smartphones und Tablets zu perfekten Anzeige- und Bedieneinheiten auch in der Automatisierung.
Für eine Nutzung im Sensorik-Bereich fehlt jedoch eine gemeinsame Schnittstelle, da die mobilen Endgeräte ausschließlich über drahtlose Zugänge verfügen.

IO-Link-Protokoll

Mit IO-Link steht auf der Sensor-Ebene ein digitales Schnittstellenprotokoll zur Verfügung, welches von den meisten Sensorherstellern unterstützt wird. Es nutzt die für die Prozessdaten-Übertragung vorhandenen Steckverbinder sowie das 3,4 oder 5-adrige Standardkabel zur Übertragung von Parametern und Messwerten im Betrieb ohne dass die Echtzeit-Eigenschaften des Sensors oder Aktors beeinflusst werden. Es müssen keine zusätzlichen Anschlüsse aus dem Sensor herausgeführt werden, die Bauraum beanspruchen und Kosten verursachen.

Ein Konsortium hat IO-Link spezifiziert und als Standard festgelegt. In diesem Konsortium sind alle Hersteller von Sensoren, Aktoren und Steuerungen vertreten. Es ist daher zu erwarten, dass in Zukunft alle parametrierbaren Sensoren auch in IO-Link-Ausführung angeboten werden.

Adapter und App als Brücke

pepperl30115Zur Überbrückung der „digitalen Lücke“ zwischen Sensoren und mobilen Endgeräten hat Pepperl+Fuchs das System „Smart Bridge“ entwickelt. Es besteht aus einem Drahtlos-Adapter und einer App für mobile Endgeräte. Der Adapter ist in IP67 ausgeführt und mit den in der Sensorik üblichen M12-Steckern ausgerüstet. Damit wird er in die Sensor-Zuleitung eingeschleift und auch mit Energie versorgt. Der Adapter baut eine IO-Link-Kommunikation zum Sensor auf und liest darüber Messwerte, Identifikationsdaten, Einstellparameter u.v.m. aus dem Sensor aus. Diese Daten werden den Mobilgeräten über Bluetooth 4.0 drahtlos zur Verfügung gestellt.

Bei der Auswahl der Drahtlos-Technologie wurde Bluetooth aus zwei Gründen einem WLAN-Netzwerk vorgezogen. Einerseits wird bei Bluetooth eine reine Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufgebaut, der Sensor wird dabei nicht Teil eines schwer zu überschauenden Netzwerkes mit Gefahrenpotenzial. Andererseits bleibt beim Aufbau einer Bluetooth-Verbindung zum Sensor der WLAN-Adapter des Mobilgerätes frei und kann beispielsweise parallel für eine Netzwerk- oder auch Internet-Verbindung genutzt werden. Es können dann alle dort erreichbaren Server oder Dienste genutzt werden.

Zum Speichern von Sensor-Konfigurationen oder zur Langzeit-Datenaufzeichnung ist der Smart Bridge mit einer wechselbaren µSD-Karte ausgerüstet, auf welche über einen USB-Anschluss zugegriffen werden kann. Parallel wird beim Sensorspezialisten daran gearbeitet, in geeignete Sensoren die Bluetooth-Funktionalität zu integrieren, so dass auf diese Geräte direkt mit Mobilgeräten zugegriffen werden kann ohne dass ein Adapter benötigt wird.

Mobilgerät als komfortables Werkzeug

Die Smart Bridge-App gibt es für Smartphones oder Tablets mit iOS- oder Android-Betriebssystem. Damit können Verbindungen zu mit Drahtlos-Adaptern ausgerüsteten Sensoren aufgebaut werden. Die App listet beim Start auf einem „Connectscreen“ alle im Empfangsbereich befindlichen Sensoren auf, einer davon kann zum Verbindungsaufbau ausgewählt werden. Nach Auswahl eines Sensors und erfolgreicher Authentisierung des Benutzers werden für diesen Typ spezifische Seiten angezeigt, auf denen Parameter und Messwerte dargestellt sind.

Es kann zwischen einer hierarchisch geordneten, textbasierten Auflistung aller Sensordaten („Expert View“) und einer mit grafischen Elementen aufbereiteten Darstellung umgeschaltet werden, die z. B. Sensor-Messwerte oder Schaltzustände mit einem Blick anzeigt. Der Aufbau dieser Seiten wird über Descriptor-Dateien gesteuert, die für jeden Sensortyp auf dem Mobilgerät vorliegen müssen. Für diese Dateien verfügt die App über eine Update-Funktion, mit der sich solche Descriptoren nachladen lassen. Das stellt die Unterstützung von zukünftigen Sensortypen sicher, ohne dass die App selbst verändert werden muss.

Die Authentisierung beim Verbindungsaufbau überprüft Passwörter, die in Adapter  und Mobilgerät gespeichert sind. Die Übertragung des Passwortes erfolgt dabei nach einem SHA2-basierten Challenge-Response-Verfahren, um das Passwort zu schützen und unbefugte Zugriffe auf die Sensoren unterbunden werden.
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