Intelligente Sensoren

Sick bereitet den Weg für Industrie 4.0

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Intelligente Sensoren und deren Vernetzung tragen in Zeiten von Industrie 4.0 dazu bei, die Wertschöpfungskette zu optimieren. Im Interview mit KEM Konstruktion spricht Bernhard Müller, Senior Vice President Industry 4.0 bei der Sick AG in Waldkirch, darüber, was den Sensor der Zukunft auszeichnet. Zudem erklärt er, wieso der Sensorspezialist Künstliche Intelligenz als Teil der Sensoraktivität sieht.

Interview: Andreas Gees und Johannes Gillar, stellvertretende Chefredakteure KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Sick zählt zu den führenden Herstellern von Sensoren. Als Technologieführer schafft Sick mit seinen Sensoren die Basis für sicheres und effizientes Steuern von Prozessen. Begriffe wie Industrie 4.0 und Digitalisierung beschreiben den Wandel, den die Industrie in den kommenden Jahren vollziehen wird. Wie ändert sich damit die Rolle des Sensorherstellers Sick?

Müller: Prinzipiell gelten beim Thema Industrie 4.0 für Sensorhersteller zwei Dinge: Der Sensor ist der Generator aller Daten, und weil er immer mehr komplexe Daten generiert, wird er zukünftig auch dafür zuständig sein, diese Daten zu strukturieren. Ziel ist es, daraus Informationen zu gewinnen, die einen Mehrwert schaffen. Damit wird der Sensor zukünftig mehr als seine eigentliche Aufgabe erfüllen und ein vollständiges Bild seiner Umgebung schaffen. Zweiter Punkt ist, dass ausgehend von der wachsenden Datenmenge zukünftig mehr Informatik in den Sensoren erforderlich ist. Damit benötige ich als Sensorhersteller mehr Software- sowie Analytik-Kenntnisse. Das wird die Eigenschaften der Sensoren grundlegend verändern und damit auch die Aufgabenstellung von Sensorherstellern wie Sick. Sick bleibt ein Sensorspezialist, dass ist unser Basisgeschäft. Da Sensoren jedoch zunehmend umfangreiche Informationen bereitstellen, müssen auch Sensorhersteller dem Edge-Computing besondere Aufmerksamkeit widmen. Der Sensor ist weiterhin der essenzielle Teil eines Prozesses, deshalb werden wir uns verstärkt mit den Applikationen beschäftigen. Damit sind dann auch neue Geschäftsmodelle denkbar, die oberhalb der eigentlichen Sensorik-Ebene liegen.

KEM Konstruktion: Wenn sich Sensorhersteller in die Bereiche IT und Cloud bewegen, wie unterscheiden sie sich von den Automatisierungsanbietern, die aus Steuerungen Daten in die Cloud liefern und das Thema lloT ebenfalls intensiv bedienen?

Müller: Die Steuerung, so wie wir sie heute kennen, wird sich grundlegend verändern. Daneben wird es intelligente Sensoren und intelligente Aktoren geben, die gemeinsam auf derselben Hierarchieebene Informationen an das ERP oder die Cloud weitergeben. Die Struktur innerhalb der konventionellen Funktionen wird sich ändern. Sowohl intelligente Sensoren als auch Aktoren können in Zukunft eine Alternative zur SPS eine Quelle von Daten und Informationen für die höheren Applikations-Ebenen sein. Unser Alleinstellungmerkmal bleibt die Spezifität der Sensoren sowie ihre hohe Qualität. Wir bei Sick kennen uns mit der Applikation aus, wir wissen, wo die Sensorik eingesetzt wird und kennen die Projekte der Kunden sowie deren Prozesse. Möchten wir tiefer in die Kundenapplikation einsteigen, müssen wir das entsprechende Know-how aufbauen. Dadurch differenzieren wir uns bei Sick schon immer.

KEM Konstruktion: Zu den Grundgedanken von Industrie 4.0 gehören sich selbstoptimierende Prozesse und Fertigungseinrichtungen. Zwar sind für viele Standardprozesse Sensortechnologien vorhanden, die bevorzugt zur Echtzeitsteuerung zum Einsatz kommen. Was aber zeichnet den Sensor der Zukunft aus?

Müller: In der Frage steckt ein weiterer Aspekt. Ziel laut Acatech-Modell (Industrie 4.0 Maturity Index, www.acatech.de) sind letztendlich auch selbststrukturierende Prozesse. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Die Echtzeitsteuerung wird weiterhin ihre Aufgaben übernehmen, aber der Sensor der Zukunft erfüllt seine Aufgaben über die Echtzeitsteuerung hinaus. Heutige Sensoren bieten ihre Basis-Funktionalität, liefern jedoch darüber hinaus schon zusätzliche Informationen über ihr Umfeld, ob das jetzt Temperatur, Feuchte, Lichtstärke, Helligkeit, Verschleiß, Lebensdauer, Verschmutzungsgrad oder Vibration. Diese zusätzlichen Informationen können wir verwenden, um neue Erkenntnisse über Prozesse oder Maschinen zu gewinnen, ohne sie in die Echtzeit-Steuerung einfließen zu lassen. Deshalb wird die Steuerung der Zukunft nur für schnelle Echtzeitaktionen zuständig sein, für den übrigen Datenaustausch ist sie eher ein Hindernis.

KEM Konstruktion: Wenn intelligente Sensoren im Feld via IP direkt mit der ERP-Ebene kommunizieren können, fällt dann nicht die klassische Steuerungsebene in der Automatisierungspyramide weg?

Müller: Das wird mittlerweile so akzeptiert. Es wird Edge-Intelligenz in intelligenten Sensoren und Aktoren geben, auf derselben Ebene wie die Steuerungsintelligenz. Damit lassen sich die fünf Ebenen der klassischen Pyramide auf zwei Ebenen zusammenführen: In eine datengenerierende Ebene, das ist die Edge-Ebene, sowie eine weitere Ebene, die aus den gewonnen Daten Applikationen erzeugt. Das können neben ERP und MES beliebige andere Lösungen sein.

KEM Konstruktion: Der Sensor 4.0 erzeugt ja eine Menge von Daten, die für Transparenz entlang der Wertschöpfungsketten sorgen. Welche Leistungen muss ein Sensorhersteller heute über die eigentliche Sensortechnologie hinaus anbieten, um die flexible Produktion beim Kunden zu ermöglichen?

Müller: Sensoren, Aktoren und Steuerungen liefern gleichwertige Daten. Daraus ergibt sich für den Sensorhersteller die Notwendigkeit, sich mit den Anforderungen dieser Ebene zu beschäftigen. Es geht also auch darum, in dieser Ebene in die Sensoren Funktionalitäten bzw. Applikationen hineinzubringen. Es geht darum, den Sensor nicht nur als Entscheidungsträger zu nutzen, sondern auch als Informationsträger. Schon heute können komplexe Aufgaben mit Hilfe von Kameras, Laserscannern oder Sensoren gelöst werden, die für eine Aufgabe kombiniert werden, sodass darauf basierend Edge-Devices eine völlig andere Sicht auf den Prozess bzw. die Applikation bekommen und damit auch andere funktionale Lösungen möglich sind. Damit kann der Sensorhersteller funktionale Applikationen entwickeln und bereitstellen, die auf seinen Sensoren beruhen.

KEM Konstruktion: Mit dem zunehmenden Einsatz intelligenter Sensoren steigt die Datenmenge. Um übergeordnete Steuerungen nicht zu überlasten, spielt die Vorverarbeitung von Sensordaten eine wichtige Rolle – Stichwort: Nicht nur Daten, sondern sinnvolle Informationen weitergeben. Welche Rolle spielt diese Datenverarbeitung in Ihrer Strategie?

Müller: Eine Aufgabe des Edge-Devices ist es, aus der Menge an Daten sinnvolle Informationen zu generieren. Beobachten zwei Kameras oder Laserscanner ganze Umgebungen und es ist nur ein kleiner Bereich von Interesse, müssen aus einer großen Datenmenge die wesentlichen Informationen gewonnen werden. Das ist eine Funktionalität, die im Edge-Device realisiert werden kann. Edge-Device und Sensor bieten gemeinsam die Funktionalität, die entscheidenden Informationen zur Verfügung zu stellen. Im Prinzip ist es immer dieselbe Diskussion. Entweder möchte ich meine Daten reduzieren, oder bereits dezentral Entscheidungen treffen. Solche Entscheidungen lassen sich schon in der Edge bzw. im Sensor treffen, beispielsweise in der Qualitätssicherung.

KEM Konstruktion: Womit wir beim Thema künstliche Intelligenz sind. Gehört sie in die Cloud oder in das Edge-Device?

Müller: Idee ist, dass schon Sensoren intelligente Antworten geben können, Dinge erkennen und auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse entscheiden. Doch wie bekomme ich diese Fähigkeit in den Sensor hinein? Wie wird der Sensor intelligent und wie bekommt er das Wissen? Wurden früher individuelle Lösungen aufwendig programmiert, trainiert man heute die Sensoren mittels künstlicher Intelligenz. Man zeigt ihnen eine große Zahl von Bildern, richtige und falsche, und trainiert sie auf diese Art. Dann kann ein Sensor auch Bilder auswerten, die er bisher nicht gesehen hat. Mit künstlicher Intelligenz geht es also schneller. Künstliche Intelligenz sehen wir deshalb als Teil der Sensoraktivität.

KEM Konstruktion: Die Erstellung von Algorithmen erfolgt also in der Edge beziehungsweise im Sensor. Andere Fachleute meinen dagegen, der richtige Weg ist es, erst alle Informationen in die Cloud zu liefern, um dort die Algorithmen zu erstellen, die dann im Edge-Device ablaufen. Wer hat Recht?

Müller: Mittlerweile hat man selbst bei den großen Softwareanbietern erkannt, dass es unsinnig ist, alle Daten in die Cloud zu transferieren und dort zu verarbeiten. Auch andere Cloud-Protagonisten sehen, dass das nicht das Ziel ist. Neben der Connectivity ist darüber hinaus auch die Security ein Problem. Intelligenz in Edge oder Fog erfüllt die Anforderungen weit besser. Die Rechenkapazitäten sind dann nicht zentral, sondern dezentral vorhanden.

KEM Konstruktion: Sick bietet mit dem Eco-System AppSpace verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung eigener Lösungen. Können Sie uns erklären, welche Absichten Sie mit dieser Plattform verfolgen?

Müller: Die Idee dahinter ist, einen Sensor mit einem Raum auszustatten, in den Programme eingespielt werden können, um ihm eine spezifische Funktionalität zu geben. Ähnlich dem App-Store-Prinzip stehen in einem Pool verschiedene Apps zur Verfügung, die dem Sensor eine ganz bestimmte Funktionalität verleihen. Solche Apps lassen sich ändern, erweitern oder auch ergänzen. Darüber hinaus steht ein Engineering-Tool zur Verfügung, mit dem sich solche Apps programmieren lassen. Bei der Entwicklung ging es uns bei Sick darum, uns selbst aber auch unsere Kunden in die Lage zu versetzen, ihren Sensoren eine individuelle Funktionalität zu geben. Hat man früher eine Kamera benötigt, die ein Loch findet oder einen Barcode liest, musste man diese eigens entwickeln. Heute lässt sich die Funktionalität als App auf den Sensor laden.

KEM Konstruktion: Ist das System für kundenseitige Entwicklungen offen?

Müller: Selbstverständlich erstellen wir bei Sick auch Apps im Kundenauftrag. Aber der AppSpace ist auch für Integratoren offen, die ihre entwickelten Lösungen dort anbieten und vermarkten können. Auch private Bereiche sind möglich, zu denen nur bestimmte Anwender Zugang erhalten. Wieder andere Anbieter stellen ihre Entwicklungen allen Interessenten zur Verfügung. Idee ist es, Funktionalitäten zu erstellen und anzubieten, die bisher nicht vorhanden sind. Daraus lassen sich zukünftig auch neue Geschäftsmodelle ableiten.

KEM Konstruktion: Wenn Sie jetzt als Sensorhersteller die Daten liefern und mittels Algorithmen eine Verarbeitung der Daten anbieten, welche Geschäftsmodelle könnten sich daraus real ableiten lassen?

Müller: Die Diskussion über mögliche Geschäftsmodelle ist ein anderes Thema. Gerade die Maschinenhersteller sowie die Software-Giganten fragen sich, welcher Nutzen aus den Daten gewonnen werden kann. Predictive Maintenance fällt dabei jedem sofort ein, weil das ja bereits ein altes Thema ist, das wir heute nur unter dem Gesichtspunkt einer technologischen Weiterentwicklung mit der gleichen Fragestellung betrachten. Heute haben wir dazu neue Sensoren, neue Funktionalitäten und neue Software zur Verfügung. Neue Geschäftsmodelle hängen zukünftig jedoch direkt von einer konkreten Fragestellung ab. Hinter einem Geschäftsmodell muss ein Problem, damit Fragestellung und ein Lösungsweg stehen. Entwickle ich ein Geschäftsmodell, das keiner braucht, dann ist es keines. Es gibt sicher Fragestellungen, die Logistiker oder produzierende Unternehmen bewegen. Diese zu lösen, könnte zu neuen Geschäftsmodellen führen.

KEM Konstruktion: Es gibt Pay-per-Use-Geschäftsmodelle bei denen Hersteller nicht mehr ihre Produkte verkaufen – etwa Kompressoren, sondern Druckluft. Ist so etwas im Sensorbereich auch denkbar?

Müller: Es gibt Sensoren, die irgendwo in einer Applikation verschwinden. Aber es gibt auch Sensoren, die die eigentliche Funktionalität der Lösung darstellen und der bestimmende Teil einer Anlage sind. Das ist nicht die Lichtschranke, sondern eine komplexe Komponente. Dann ist die Funktionalität entscheidend für Qualität und Effizienz eines Prozesses. Für einen solchen Sensor ist es durchaus denkbar, ein übergeordnetes Thema aufzusetzen und dazu die Daten genauer zu betrachten. Aus diesen lässt sich dann ablesen, wie sich der Prozess verbessern lässt. Das ist die Aufgabe eines Sensorherstellers, darin haben wir bei Sick viel Erfahrung. Gerade für Logistikprozesse haben wir solche Tools im Angebot und verkaufen diese recht erfolgreich. Dieses Know-how werden wir konsequent weiterentwickeln.

KEM Konstruktion: Wir befinden uns hier in dem Gebäude von Sick, in dem auch das Thema Security angesiedelt ist. Können Sie uns etwas dazu sagen?

Müller: Geht es um Datensicherheit, muss ich mir genau anschauen, wo meine Daten für Dritte zugänglich sind. Benötige ich in einem übergeordneten System offene Daten, um sie auszuwerten, dann kann ich sie nicht verschlüsseln. Dann sollten die Sicherheitsmechanismen soweit entwickelt sein, dass diese Daten nicht gefährdet sind. Eine Antwort darauf könnte sein: Halte die Daten räumlich in einem Bereich, in dem sie für Fremde nicht zugänglich sind. Um auch solche Fragestellungen zu klären, haben wir unsere Security-Abteilung aufgebaut. Diese sorgt dafür, dass unsere Sensoren systematisch sicher sind und nicht kompromittiert werden können. Aber diese Abteilung kümmert sich auch um unsere Cloud-Applikationen, die ja ebenfalls sicher sein müssen. Sicherheit beginnt schon bei den Entwicklungsprozessen, die so gestaltet sind, dass intrinsisch sichere Produkte entstehen. Wir haben uns im Projekt Industrial Data Spaces engagiert. Denn wir benötigen Methoden, um innerhalb der Vernetzung die Weitergabe von Informationen sicher zu gestalten. Auch die genannten Edge-Devices stellen mögliche Einfallstore dar. Mit jeder Datenverbindung besteht ein Risiko, dass jemand einen Zugang findet. Neben dem Einsatz leistungsfähiger Firewalls muss sichergestellt sein, dass alle technisch möglichen Schutzmaßnahmen ergriffen sind, um auf dem Stand der Technik zu sein.

KEM Konstruktion: Mensch und Roboter rücken in der vernetzen Fabrik immer enger zusammen. Hierbei spielt die Funktionale Sicherheit (Safety) eine erhebliche Rolle. Wie können Sick-Sensoren dazu beitragen, die MRK sicherer zu gestalten?

Müller: Für Sensoren war es bezüglich der Safety ja schon immer eine Entscheidung 0 oder 1, also eine Entscheidung zwischen an oder aus. Es gibt die kooperativen, die kollaborativen und die Basissysteme. Momentan sprechen wir hauptsächlich über kooperative Systeme. Das heißt, Mensch und Roboter arbeiten abwechselnd und nicht gleichzeitig. Und da ist es so, wenn man dem Roboter zu nahe kommt, schaltet der ab. Hier haben unsere Sensoren schon entsprechende Felder, sodass der Roboter möglichst lange läuft, aber wenn der Mensch wirklich in die Nähe kommt, dann bleibt er stehen. Die Normen befassen sich heute alle mit diesen kooperativen Themen. Das kollaborative System ist etwas Anderes. Hier geht es nicht darum dem Roboter zu sagen: „Halt an!“, sondern: „Mach langsam, bewege dich in eine bestimmte Richtung, etc.“ Hier geht es um eine sichere Interaktion mit der Maschine. Dafür sind noch keine Normen vorhanden. Hier entwickeln wir gerade Sensoren und arbeiten an der Umsetzung einer sicheren Interaktion.

www.sick.com

Details zu intelligenten Sensoren von Sick:

hier.pro/ciMgV


Bernhard Müller, Senior Vice President Industry 4.0, Sick AG, Waldkirch
Bild: Sick

„Die Echtzeitsteuerung wird weiterhin ihre Aufgaben übernehmen, aber der Sensor der Zukunft erfüllt seine Aufgaben über die Echtzeitsteuerung hinaus.“


Bernhard Müller, Senior Vice President Industry 4.0, Sick AG, Waldkirch
Bild: Konradin Mediengruppe

„Ausgehend von der wachsenden Datenmenge ist zukünftig mehr Informatik in den Sensoren erforderlich.“


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