Wie Sensoren, Netzwerke und Cloud in der Smart Factory zusammenspielen

Lapp demonstriert mit einem Automatisierungsmodell, wie Sensoren, Aktoren, Leitungen und Netzwerkkomponenten Daten zuverlässig in die Cloud übertragen.

Thomas Leitmann
Applikationsingenieur & zertifizierter Profinet-Ingenieur für Industrielle Kommunikation, Lapp Austria GmbH

„Bei Lapp bekommt der Kunde alle aktiven und passiven Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt und in bewährter Qualität aus einer Hand. “

Der nächste Schritt im Ablauf beginnt mit einem leisen Zischen, mit dem der Werkstückträger auf der Förderstrecke stoppt. Ein Sensor registriert seine Position und übermittelt das Signal unmittelbar an das System. Augenblicke später wechselt die Anzeige am Schaltschrank auf grün. Was von außen wie eine einfache Bewegung wirkt, basiert tatsächlich auf einem exakt koordinierten Zusammenspiel verschiedener Komponenten. Sensoren erfassen Messwerte, Aktoren setzen mechanische Aktionen um, Leitungen transportieren Signale und Netzwerkkomponenten stellen sicher, dass Daten ohne Verzögerung an die vorgesehenen Stellen gelangen. Nur wenn diese Elemente präzise zusammenarbeiten, läuft der Prozess stabil und zuverlässig.

Zwischen IO-Link-Master und MQTT-Broker koordinieren auch Managed Switches und Router den Datenfluss.

Jürgen Greger
Produktmanager Industrial Communication, Lapp Austria GmbH

„IO-Link ist das optimale Kommunikationsprotokoll für die Feldebene, also die unterste Ebene der Automatisierungspyramide, in der Signale erfasst und weitergegeben werden. “

Industrielle Kommunikationsprozesse

Anschließend bewegt das Förderband den Träger zur nächsten Station. Dort wird er mit einem Werkstück bestückt – in diesem Fall mit einer Tafel Schokolade. Danach durchläuft das Produkt mehrere Bearbeitungsschritte, bis es schließlich an der Entnahmestelle ausgegeben wird. Beim fünften Umlauf meldet die Anlage jedoch eine Veränderung: Der Vorrat an schokoladigen Werkstücken nimmt ab. Ein optischer Sensor misst den verbleibenden Abstand, erkennt den Bedarf an Nachschub und sendet die Information direkt an das System. Innerhalb von Sekundenbruchteilen wird der Messwert über mehrere Leitungen und Datenknoten weitergeleitet und schließlich in der Cloud bereitgestellt, wo er für weitere Analysen zur Verfügung steht.

Die von Lapp entwickelte Schokoladen-Förderanlage erfüllt dabei mehr als nur eine aufmerksamkeitsstarke Präsentationsfunktion. Sie dient als anschauliches Modell für industrielle Kommunikationsprozesse. An ihr wird sichtbar, wie zahlreiche Sensoren und Aktoren in Produktionsanlagen zusammenwirken, um Daten von der Feldebene über die Kommunikationsebene bis in die Cloud zu übertragen und so transparente sowie effiziente Fertigungsabläufe zu ermöglichen.

Epic M12-Steckverbinder sorgen in Verbindung mit dem Unitronic Access MP08 IOL IO-Link-Master für eine dezentrale und effiziente Anbindung von Sensoren.

Industrielle Kommunikation als Grundlage des IIoT

Die Cloud fungiert dabei als „Gehirn“ der intelligenten Fabrik: Sie steuert Abläufe, verarbeitet Informationen und koordiniert das Zusammenspiel aller Komponenten. Doch ähnlich wie das menschliche Gehirn auf ein funktionierendes Nervensystem zur Informationsübertragung angewiesen ist, braucht auch die Smart Factory eine leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur. Im industriellen Internet der Dinge (IIoT) übernehmen Leitungen, Steckverbinder und aktive Komponenten wie Switches und Router diese Aufgabe. Sie sind die Nervenbahnen, die Daten sicher von der Feldebene bis ins digitale Zentrum also in die Cloud transportieren.

Datenreise

Die Reise der Daten wiederum beginnt im Sensor: Er wandelt physikalische Messgrößen in digitale Informationen um und gibt sie über seine IO-Link-Schnittstelle weiter. „IO-Link ist das optimale Kommunikationsprotokoll für die Feldebene, also die unterste Ebene der Automatisierungspyramide, in der Signale erfasst und weitergegeben werden“, sagt Jürgen Greger, Produktmanager Industrial Communication bei Lapp. Neben der Übertragung von Prozesswerten ermöglicht sie auch Diagnosefunktionen, Parametrierung aus der Ferne und den schnellen Gerätetausch per Plug-&-play.

Der Anschluss erfolgt über Epic M12-Steckverbinder und robuste Sensor-/Aktorleitungen wie die Unitronic Sensor M12 SH von Lapp, die vorkonfektioniert in verschiedenen Längen erhältlich ist und sich für den Einsatz in Schleppketten eignet. Selbst bei einem Wechsel von alten (analogen) Sensoren gegen einen IO-Link-Sensor können die Installateure bereits vorhandene Standardleitungen mit M12-Anschluss weiterverwenden.

Aktive Komponenten bringen Intelligenz in die Feldebene

Am anderen Ende der Leitung stellen Epic M12-Steckverbinder die Verbindung zu einem IO-Link-Master wie dem Unitronic Access MP08 IOL her. Das Gerät verfügt über acht M12-Anschlüsse, eine Spannungsversorgung und eine Netzwerkverbindung zur Ausgabe. Damit bringt Lapp erstmals aktive Komponenten in die Feldebene. Diese Dezentralisierung reduziert Verdrahtungsaufwand und Fehleranfälligkeit, da die Sensoren nicht mehr einzeln im Schaltschrank verdrahtet werden müssen. Umfangreiche Diagnosemöglichkeiten zur schnellen Fehlersuche und -behebung erhöhen die Anlagenverfübarkeit.

Der IO-Link-Master bündelt die Signale der angeschlossenen Sensoren und überträgt sie über IoT-Protokolle in die Steuerungsebene. Die Unitronic Access-Geräte sind als Single- oder Multiprotokoll-Varianten erhältlich. Letztere unterstützen klassische Industrial-Ethernet-Standards wie Profinet, Ethernet/IP, EtherCAT, Modbus TCP, CC-Link IE sowie moderne IoT-Protokolle wie OPC UA, MQTT, Rest API und CoAP. Das gewünschte Kommunikationsprotokoll lässt sich direkt am Gerät per Drehschalter auswählen, eine zusätzliche Softwarekonfiguration ist nicht nötig. Diese Vielseitigkeit ermöglicht echtes Plug-&-play und schafft maximale Flexibilität für unterschiedlichste Anwendungen. So entsteht eine skalierbare Lösung, die sich in unterschiedliche industrielle Umgebungen integrieren lässt.

Maschinendaten gebündelt übergeben

Am Ende der Datenkette sorgt ein MQTT-Broker für die Übergabe der gesammelten Maschinendaten an die Cloud. Meist basiert er auf einem industrietauglichen Einplatinencomputer wie einem Industrial Raspberry Pi. Er empfängt die Daten, wandelt die MQTT-Telegramme in TCP/IP-Pakete um und sendet sie über die Netzwerkdose sicher in die Cloud. Von dort können Anlagenbetreiber aus der Ferne auf die Informationen zugreifen – sei es für vorausschauende Wartung, Qualitätsüberwachung oder Prozessoptimierung.

Die Schokoladen-Förderanlage bildet damit den Grundaufbau einer modernen Kommunikationsarchitektur ab. In realen Produktionsumgebungen, in denen Hunderte Sensoren und Aktoren miteinander kommunizieren, wird dieser um zusätzliche Netzwerkebenen erweitert. Zwischen IO-Link-Master und MQTT-Broker koordinieren auch Managed Switches und Router den Datenfluss. Lapp setzt dabei auf Komponenten wie den Profinet-zertifizierten Switch Etherline Access PNF für stabile Kommunikation, die Etherline Access NAT-Firewall für erweiterten Schutz und den Etherline Access-Managed-Switch mit Lichtleiteranschlüssen für hohe Übertragungsraten bis 1 GBit/s. Zur Verbindung der Switches kommen Patchkabel wie Etherline PN Cabinet Cat.6A für elektrische Verbindungen oder GOF-Duplex-Patchcords für Lichtwellenleiter zum Einsatz. So entsteht ein durchgängiges Kommunikationssystem, das mit den Anforderungen wächst und von der spielerischen Demoanlage bis zur vernetzten Großproduktion Daten nutzbar macht.

Alles aus einer Hand für industrielle Kommunikation

Damit industrielle Kommunikationssysteme zuverlässig arbeiten, müssen alle eingesetzten Komponenten technisch exakt zusammenpassen. Lapp stellt hierfür ein umfangreiches Portfolio bereit. Als Weltmarktführer für integrierte Lösungen und Markenprodukte im Bereich der Kabel- und Verbindungstechnologie umfasst das Angebot neben robusten Leitungen und Steckverbindern auch aktive Netzwerkkomponenten sowie Schnittstellen zur Anbindung an Cloud-Systeme.

„Bei Lapp bekommt der Kunde alle aktiven und passiven Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt und in bewährter Qualität aus einer Hand“, erklärt Thomas Leitmann, Applikationsingenieur und zertifizierter Profinet-Ingenieur für Industrielle Kommunikation bei Lapp. Während viele Anbieter ihre Lösungen konsequent innerhalb geschlossener Plattformen entwickeln, setzt Lapp bewusst auf offene Strukturen und eine enge Zusammenarbeit mit den Anwendern. „Unser Team ist agil und bringt gleichzeitig jahrzehntelange Expertise in Verbindungstechnologien mit. Gemeinsam mit unseren Kunden finden wir auch bei ungewöhnlichen Herausforderungen eine individuelle Lösung“, so Leitmann.

Besonders relevant wird dieser Ansatz bei der Modernisierung bestehender Produktionsanlagen, den sogenannten Brownfield-Anlagen. Dort treffen häufig gewachsene Strukturen mit älteren Komponenten auf neue Technologien, zudem stammen viele Systeme von unterschiedlichen Herstellern. Die Spezialisten von Lapp integrieren neue Produkte gezielt in diese vorhandenen Infrastrukturen, statt komplette Anlagen zu ersetzen. „Das schafft maximale Freiheit für unsere Kunden und sorgt dafür, dass sie ihre Anlagen zukunftssicher betreiben können“, betont Leitmann.