Datenerfassung in der Industrie: Systeme, Schnittstellen und Normen

Das Wichtigste auf einen Blick

Von der Messgröße zum verwertbaren Datenpunkt

Wer Messwerte erfassen will, muss zuerst wissen, wo sie entstehen. Am Anfang steht ein Sensor, der eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal umsetzt.

Bei der Temperaturmessung liefert ein Pt100 einen Widerstand, der mit der Temperatur steigt. Ein piezoresistiver Drucksensor gibt eine Spannung ab, die proportional zum Druck ist. Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser erzeugt eine Spannung, die mit der Strömungsgeschwindigkeit wächst.

Solche Rohsignale sind klein, empfindlich und nicht normiert. Deshalb folgt der Messumformer. Er verstärkt und linearisiert das Signal und kompensiert Störgrößen wie die Umgebungstemperatur. Am Ausgang steht ein einheitliches Format.

Danach kommt die Übertragung, über eine Zweidrahtleitung oder ein Netzwerkkabel. In der Steuerung liest ein Analogeingang oder ein Bustelegramm den Wert ein. Die letzte Station ist die Verteilung in Visualisierung, Historiendatenbank und übergeordnete Systeme.

Die Übertragungsstrecke bestimmt mit, welche Werte überhaupt verfügbar sind. Eine Zweidrahtleitung transportiert genau einen Messwert, ein Feldbus trägt die Daten vieler Geräte. Die folgende Übersicht ordnet die Stationen und ihre typischen Geräte ein.

Datenerfassung ist damit keine Eigenschaft eines einzelnen Geräts, sondern eine Funktion über mehrere Stationen. Jede Station kann den Wert verändern, verzögern oder verfälschen. Wer die Kette kennt, findet Fehler schneller.

Messprinzipien und Signalquellen

Die Art der Messgröße bestimmt, welches Signal am Anfang der Kette steht. Das wirkt sich auf die erreichbare Genauigkeit und auf die Wahl der Schnittstelle aus.

Temperatur: Widerstandsthermometer nach IEC 60751 sind der Standard von etwa minus 200 bis plus 600 Grad Celsius. Thermoelemente nach IEC 60584 decken höhere Temperaturen ab. Vierleiterschaltungen beseitigen den Einfluss der Zuleitungswiderstände.

Druck: Absolutdruck wird gegen Vakuum gemessen, Relativdruck gegen die Atmosphäre. Für kleine Drücke und aggressive Medien kommen kapazitive oder piezoresistive Messzellen zum Einsatz. Der Messumformer wandelt das Ergebnis in 4 bis 20 mA um.

Füllstand: Hydrostatische Messumformer berechnen den Füllstand aus dem Bodendruck der Säule. Radar, Ultraschall und kapazitive Sonden arbeiten berührungslos oder nahezu berührungslos. Die Dichte des Mediums geht in die Rechnung ein.

Durchfluss: Magnetisch-induktive Geräte setzen leitfähige Flüssigkeiten voraus. Coriolis-Messgeräte liefern Massefluss und Dichte, Ultraschallgeräte arbeiten mit Laufzeitdifferenzen. Alle drei Verfahren geben heute neben dem Messwert weitere Diagnosegrößen aus.

Jede dieser Größen endet zunächst als analoges Signal oder als digitales Telegramm. Welcher Weg sinnvoll ist, hängt von Messbereich, Umgebung und geforderter Auflösung ab.

Analoge Schnittstellen: 4 bis 20 mA und HART

Die Stromschleife ist der älteste und robusteste Standard der industriellen Datenerfassung. Der Messumformer prägt einen Strom ein, der vom Leitungswiderstand weitgehend unabhängig ist. Kabellänge und Übergangswiderstände fallen dadurch kaum ins Gewicht.

Der Bereich beginnt bei 4 mA und nicht bei 0 mA. Diese Nullpunktanhebung erlaubt die Erkennung eines Leitungsbruchs. Der Nutzbereich von 16 mA trägt die eigentliche Information.

Am Eingang der Steuerung liegt meist ein Bürdenwiderstand. Bei 250 Ohm entstehen aus 4 mA genau 1 V und aus 20 mA genau 5 V. Manche Eingangskarten nutzen diesen Spannungsabfall, andere messen den Strom direkt.

HART legt ein frequenzmoduliertes Signal auf dieselbe Schleife. Die Übertragung arbeitet mit 1200 Bit je Sekunde und beeinflusst den analogen Messwert nicht. Bediengeräte lesen damit Parameter, Diagnosen und Kalibrierdaten, ohne den Messkreis zu unterbrechen.

Im Multidrop-Betrieb schalten mehrere Geräte parallel und halten den Schleifenstrom konstant auf 4 mA. Die Werte laufen dann ausschließlich digital. Wie solche Geräte aufgebaut sind, zeigt die Produktübersicht zu Druckmessumformern von Siemens.

IO-Link: digitale Verbindung bis in die Sensorparametrierung

IO-Link ist keine Konkurrenz zum Feldbus, sondern eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zum Sensor. Sie nutzt eine ungeschirmte Dreileiterleitung mit 24 V und wird maximal 20 Meter lang.

Für die Datenübertragung gibt es drei Stufen: COM1 mit 4,8 kBit/s, COM2 mit 38,4 kBit/s und COM3 mit 230,4 kBit/s. Der zyklische Prozessdatenrahmen überträgt wenige Bytes. Ein azyklischer Kanal dient der Parametrierung und der Diagnose.

Ein IO-Link Master bündelt mehrere Ports und gibt die Daten über PROFINET, EtherCAT oder ein anderes Netzwerk an die Steuerung weiter. Für die Steuerung bleibt der Sensor ein normales Feldgerät mit Prozessdaten.

Der eigentliche Gewinn liegt in der Gerätebeschreibung. Die IODD-Datei beschreibt Parameter, Datenlängen und Diagnosemeldungen. Ein Parameter Server speichert die Einstellungen im Master. Ein defekter Sensor lässt sich dadurch tauschen, ohne ihn neu zu parametrieren.

Auch einfache Positionssensoren profitieren davon. Induktive Näherungsschalter von ifm electronic liefern über IO-Link nicht nur Schaltzustände, sondern zusätzliche Informationen über den Schaltabstand und den Gerätezustand.

Feldbusse: PROFIBUS, Modbus und ihre Grenzen

PROFIBUS DP arbeitet auf RS-485 mit Datenraten von 9,6 kBit/s bis 12 MBit/s. Die zulässige Segmentlänge hängt von der Datenrate ab. Bei 9,6 kBit/s sind 1200 Meter möglich, bei 12 MBit/s bleiben etwa 100 Meter.

Ein Segment trägt 32 Teilnehmer. Repeater verlängern die Strecke und erhöhen die Zahl der anschließbaren Geräte. An beiden Enden sitzen Abschlusswiderstände, die den Bus terminieren.

Modbus ist einfacher aufgebaut und weiter verbreitet als jeder andere Feldbus. Modbus RTU nutzt ebenfalls RS-485 und arbeitet strikt als Master-Slave-System. Modbus TCP überträgt dieselben Register über Ethernet.

Der Vorteil liegt in der geringen Komplexität, der Nachteil ebenso. Modbus kennt keine Typinformationen und keine Gerätebeschreibungsdatei. Registeradressen, Datenformat und Skalierung muss der Planer selbst dokumentieren.

Wer eine Anlage erweitert, merkt das schnell. Ein falsch skaliertes Register liefert plausible, aber falsche Zahlen. Ohne saubere Dokumentation ist ein solcher Fehler kaum zu finden.

Industrial Ethernet: PROFINET, EtherCAT und Ethernet/IP

PROFINET setzt auf Standard-Ethernet und erreicht mit dem Echtzeitkanal Zykluszeiten im Millisekundenbereich. Für isochrone Anwendungen kommt IRT hinzu, das den Datenverkehr in feste Zeitschlitze legt.

EtherCAT arbeitet nach einem anderen Prinzip. Das Telegramm läuft durch alle Teilnehmer und wird unterwegs gelesen und beschrieben. Dadurch sinken die Zykluszeiten unter eine Millisekunde. Welche Steuerungen und Klemmen dafür zur Verfügung stehen, listet die Produktübersicht von Beckhoff.

Ethernet/IP nach CIP nutzt TCP für die Konfiguration und UDP für zyklische Daten. In Anlagen mit Steuerungen von Rockwell ist es der übliche Weg.

Für die Planung zählt vor allem die geforderte Zykluszeit und die Zahl der Teilnehmer. Ebenso wichtig ist die Frage, ob die Anlage später erweitert wird. Bei PROFINET gehört die Gerätebeschreibungsdatei GSDML zur Dokumentation, bei EtherCAT die ESI-Datei, bei IO-Link die IODD. Versionierte Dateien verhindern Fehler beim Gerätetausch.

Steuerungen, Datenlogger und PC-Messsysteme

Speicherprogrammierbare Steuerungen sind die häufigste Erfassungsinstanz. Siemens stellt mit SIMATIC S7-1500 und der Peripherie ET 200SP Analogeingänge, Zählerklemmen und Kommunikationsmodule bereit. Das Prozessabbild wird zyklisch aktualisiert.

Datenlogger erfassen Werte unabhängig von der Steuerung. Geräte wie der Memograph M von Endress+Hauser schreiben Messkurven, Grenzwertverletzungen und Ereignisse in einen internen Speicher. Sie eignen sich für Nachweispflichten und für Messstellen ohne Steuerungsanbindung.

PC-Messsysteme decken einen anderen Bereich ab. Mit kompakten Chassis und Messsoftware lassen sich hohe Abtastraten und aufwendige Auswertungen umsetzen. Eine Auswahl an Datenerfassungssystemen von National Instruments reicht von USB-Modulen bis zu PXI-Systemen.

Für raue Umgebungen kommen Industrie-PCs und Embedded-Controller zum Einsatz, etwa aus der CX-Reihe von Beckhoff mit der Automatisierungssoftware TwinCAT. Die Erfassung läuft dort nah an der Maschine und bleibt auch bei Netzausfall verfügbar.

Hersteller von Feldgeräten liefern ebenfalls Erfassungsfunktionen. Endress+Hauser bindet Messumformer über HART, PROFIBUS oder Ethernet an und stellt Werkzeuge zur Parametrierung bereit. ifm und Balluff liefern IO-Link Master, über die Sensordaten gebündelt in die Steuerung gelangen.

Datenerfassung ist die Grundlage vernetzter Produktion. Wie weit die deutsche Industrie bei der digitalen Vernetzung ist, ordnet der Bitkom-Studienbericht zu Industrie 4.0 ein.

Rechenbeispiel: Auflösung und Latenz einer Messkette

Ein Druckmessumformer mit einem Bereich von 0 bis 16 bar gibt 4 bis 20 mA aus. Der Analogeingang der Steuerung hat 16 Bit Auflösung und einen Messbereich von 0 bis 20 mA.

Bei 12 Bit Auflösung steigt der kleinste auflösbare Schritt auf 3,9 mbar. Das bleibt feiner als die Genauigkeit vieler Drucksensoren.

Das Beispiel zeigt einen häufigen Denkfehler. Wer nur die Bitzahl der Eingangskarte erhöht, verbessert die Messung nicht. Die Unsicherheit entsteht im Sensor, im Messumformer und in der Kalibrierung.

OPC UA: Information unabhängig vom Transportweg

OPC UA ist in der Norm IEC 62541 beschrieben. Das Modell besteht aus Knoten, Typen und Referenzen. Daten werden dadurch nicht nur übertragen, sondern auch in ihrer Bedeutung beschrieben.

Im klassischen Betrieb arbeitet OPC UA als Client-Server-Verbindung auf Port 4840. Gesicherte Verbindungen prüfen Zertifikate und verschlüsseln die Nutzdaten. Neuere Geräte unterstützen zusätzlich Publish-Subscribe über UDP, MQTT oder TSN.

Für die Datenerfassung ist die Trennung von Information und Transport entscheidend. Ein OPC-UA-Server kann in der Steuerung sitzen, ein zweiter im Messumformer, ein dritter im Leitsystem. Der Client fragt Werte ab, ohne den Weg zu kennen, über den sie entstanden sind.

Companion Specifications ergänzen das Modell um branchenspezifische Typen. Sie beschreiben zum Beispiel Werkzeugmaschinen oder Kunststoffmaschinen in einheitlicher Form. Das erleichtert den Datenaustausch zwischen Anlagen verschiedener Hersteller und zwischen Produktion und MES.

Zeitstempel, Archive und Datenqualität

Ein Messwert ohne Zeitbezug ist nur eine Zahl. Steuerungen stempeln Werte mit ihrer Systemzeit, Archive speichern sie mit einer einheitlichen Zeitbasis. Netzwerkprotokolle wie NTP oder PTP nach IEEE 1588 synchronisieren die Uhren über das Netzwerk.

Auch die Abtastrate gehört in die Dokumentation. Wird ein Signal langsamer abgetastet, als es sich ändert, entstehen falsche Kurven. Das Abtasttheorem verlangt mindestens die doppelte Rate der höchsten vorkommenden Frequenz.

Archive arbeiten häufig mit Kompression und Totband. Ein Wert wird nur gespeichert, wenn er sich um mehr als die eingestellte Schwelle ändert. Das spart Speicherplatz, glättet aber schnelle Spitzen.

Zur Datenqualität gehört ein Statusmerkmal. OPC UA überträgt Qualitätscodes, die zwischen gültigen, unsicheren und ungültigen Werten unterscheiden. Die Steuerung sollte diese Codes auswerten und nicht jeden Zahlenwert als Messwert weitergeben.

Gateways und Edge-Systeme

Nicht jede Anlage spricht nur ein Protokoll. Gateways übersetzen zwischen Welten, etwa von PROFIBUS nach PROFINET, von Modbus RTU nach Modbus TCP oder von einem Feldbus nach OPC UA. Sie halten alte Bestandsanlagen an moderne Leitsysteme anschlussfähig.

Edge-Systeme gehen einen Schritt weiter. Sie sammeln Daten mehrerer Quellen, puffern sie bei Netzunterbrechungen und rechnen Kennzahlen direkt vor Ort. Die Übergabe an übergeordnete Systeme läuft über OPC UA oder MQTT.

Wichtig bleibt die Auswahl der Daten. Wer jede Sekunde alle Rohwerte überträgt, belastet Netz und Archiv ohne Nutzen. Sinnvoll sind Grenzwerte, Mittelwerte und Ereignisse, ergänzt um Rohdaten nur dort, wo sie ausgewertet werden.

Ein Gateway ist außerdem ein Angriffspunkt. Zugriffsrechte, Firmware-Stand und Netzsegmentierung gehören deshalb zur Planung dazu.

Normen, Empfehlungen und Richtlinien

Normen legen Begriffe, Kennlinien und Prüfverfahren fest. Sie sind keine Gesetze, gelten aber als anerkannte Regeln der Technik.

Für die Sensorik sind IEC 60751 für Platin-Widerstandsthermometer und IEC 60584 für Thermoelemente zentral. IEC 61131-3 beschreibt Programmiersprachen für Steuerungen, IEC 61158 und IEC 61784 die Feldbusse. IEC 62541 ist die Norm für OPC UA.

Für die elektromagnetische Verträglichkeit gilt die Reihe IEC 61326 für Mess- und Laboreinrichtungen, ergänzt durch die Prüfnormen der Reihe IEC 61000-4. IEC 62443 beschreibt Anforderungen an die IT-Sicherheit industrieller Automatisierungssysteme und arbeitet mit Zonen und Conduits. Sicherheitsfunktionen bewertet man nach IEC 61508 und IEC 61511 mit einem SIL.

Die NAMUR hat Empfehlungen veröffentlicht, die in der Praxis weit verbreitet sind. NE 43 beschreibt, wie ein 4-bis-20-mA-Signal einen Fehlerzustand anzeigt. NE 107 ordnet Statusmeldungen von Feldgeräten ein, NE 21 behandelt Fragen der elektromagnetischen Verträglichkeit.

Der VDI und der VDE geben Richtlinien für die Messtechnik heraus. VDI/VDE 3511 Blatt 4 behandelt die Strahlungsthermometrie, VDI/VDE 3512 die Temperaturmessung in der Automatisierung, Blatt 4 davon die Kalibrierung. Welche Themen der Verband bearbeitet, zeigt die Themenübersicht des VDE.

Für überwachungsbedürftige Anlagen kommen Vorgaben außerhalb der reinen Messtechniknormung hinzu. Die Betriebssicherheitsverordnung regelt Prüffristen, die Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU das Inverkehrbringen von Druckgeräten. Messstellen für Sicherheitsfunktionen brauchen deshalb dokumentierte Kalibrierungen.

Checkliste für die Planung einer Datenerfassung

Der letzte Punkt wird häufig unterschlagen. Mit OPC UA und Ethernet wächst die Zahl der Geräte, die aus der Produktion heraus erreichbar sind. Eine saubere Segmentierung schützt Messdaten und Produktion gleichermaßen.

Häufige Fragen

Wie viele Teilnehmer trägt ein PROFIBUS-Segment?

Ein Segment trägt 32 Teilnehmer. Repeater verlängern die Strecke und erhöhen die Zahl der anschließbaren Geräte. Mit steigender Datenrate sinkt die zulässige Kabellänge.

Wann lohnt sich IO-Link gegenüber 4 bis 20 mA?

Wenn Parameter, Diagnosedaten oder Zusatzwerte gebraucht werden. Für einen einzelnen analogen Messwert genügt die Stromschleife. IO-Link hilft besonders beim Gerätetausch und bei der vorbeugenden Instandhaltung.

Warum ist eine höhere Auflösung nicht automatisch genauer?

Weil die Unsicherheit aus Sensor, Messumformer und Kalibrierung stammt. Ein feinerer Analog-Digital-Wandler kann diese Fehler nicht beseitigen. Er verbessert nur die Stufe der Digitalisierung.

Was leistet OPC UA gegenüber einem Feldbus?

OPC UA beschreibt Daten mit Typen und Beziehungen und läuft über verschiedene Transportwege. Feldbusse sichern die schnelle, deterministische Übertragung innerhalb der Maschine. Beide ergänzen sich, statt sich zu ersetzen.

Welche Rolle spielt die NAMUR-Empfehlung NE 43?

Sie beschreibt, wie ein 4-bis-20-mA-Signal einen Fehlerzustand anzeigt. Die Steuerung erkennt dadurch, ob ein Wert gültig ist oder nicht. Das verhindert, dass Ausfallwerte als Messwerte weiterlaufen.