Digitale Transformation

Retrofitting für…Kaffeemaschinen?

| Redakteur: Lisa Marie Waschbusch

Endian zeigt in einem einfachen Szenario, wie man Maschinen per Retrofitting vernetzen kann, um Daten an eine IoT-Managementplattform zu übertragen und auszuwerten - am Beispiel einer Kaffeemaschine.
Endian zeigt in einem einfachen Szenario, wie man Maschinen per Retrofitting vernetzen kann, um Daten an eine IoT-Managementplattform zu übertragen und auszuwerten - am Beispiel einer Kaffeemaschine. (Bild: Endian)

Der Dreh- und Angelpunkt der vierten industriellen Revolution ist die Gewinnung und Analyse von Daten aus der gesamten Wertschöpfungskette. Wie das funktionieren kann, versucht Endian am Beispiel einer handelsüblichen Kaffeemaschine zu veranschaulichen.

Mit dem Projekt „Industrie 4.0 in a coffee“ zeigt Endian, wie sich seine Lösungen in bereits bestehende industrielle Anlagen integrieren lassen, um Daten zu gewinnen und auszuwerten. Der Schutz der Anlagen vor Cyberangriffen und die sichere Übertragung der Daten hat dabei stets oberste Priorität.

„Für diesen Zweck haben wir eine ‚Mini-Fabrik‘ gesucht, in der man den Produktionsprozess und die daraus resultierenden Daten in Echtzeit beobachten konnte“, erklärt Raphael Vallazza, CEO von Endian. „Die Wahl fiel auf eine handelsübliche, günstige Kaffeemaschine, weil hier auf sehr kleinem Raum Sensoren und Stellantriebe vorhanden sind, ähnlich wie in einer Fabrik. In einem Prozess entsteht aus verschiedenen Rohstoffen ein neues Produkt, der Kaffee.“

Mit dem Analysetool von Endian sollen alle Daten aus dem Produktionsprozess in Echtzeit auf einem zentralen Dashboard dargestellt werden. Somit sehen Unternehmen auf einen Blick, wo Zusammenhänge bestehen und haben eine ideale Entscheidungsgrundlage für Optimierungen, wie beispielsweise Predictive Maintenance.

Kleine Fabrik mit Produktionsprozess

Wie wichtig eine gute Datenstrukturierung ist, zeigt schon die Menge der Daten, die sich aus dem relativ kleinen Produktionsprozess in einer Kaffeemaschine gewinnen lässt. Folgende Daten sollen erhoben und im Analyse-Dashboard angezeigt werden:

  • Wasser
  • Wassertemperatur (Grad Celsius)
  • Wasserstand unterhalb des Minimums (Ja/Nein)
  • Status der Wasserpumpe (Ruhezustand/Betrieb)
  • Rückstandsentsorgung
  • Füllstand Rückstandsbehälter (0-100%)
  • Rückstandsbehälter voll (Ja/Nein)
  • Rückstandsbehälter vorhanden (Ja/Nein)
  • Zustand
  • Anzahl der Umdrehungen pro Minute des Mahlmotors
  • Zustand Hauptstromversorgung (Ja/Nein)
  • Aktuelle Heizleistung (0-100%)
  • Status des Mahlmotors (Ruhezustand/Betrieb)
  • Stromversorgung Kaffeemaschine (Ja/Nein)
  • Gesamtstatistik
  • Anzahl der gebrauten Kaffees
  • Energieverbrauch (Kwh)
  • Wasserverbrauch (mL)

In einem ersten Schritt lösten die Ingenieure sämtliche Mikrocontroller von der internen Platine. Ziel war es, die Signale der internen Platine (0-5V) in Signale zu wandeln, die auch von einer industriellen SPS lesbar sind (0-10V, bzw. 0-24V). Damit dies möglich war, baute man eine individuell angefertigte Platine ein.

Bei der SPS fiel die Wahl auf die S7-1200 SPS von Siemens. Diese eignet sich für kleine bis mittlere Anwendungen und ist im Markt weit verbreitet. Damit industrielle Netzwerkprotokolle wie ProfiNET und ProfiBUS verwendet werden konnten, wurde die Logik auf zwei verschiedene SPS aufgeteilt. Die beiden SPS erhielten die Titel „Main“ und „Slave“. „Main“ steuerte die Hauptlogik, während „Slave“ von der ersten SPS ferngesteuert wurde und für spezielle Funktionen zum Einsatz kam.

Die Kaffeemaschine hat fünf Komponenten, nämlich Wasserkocher, Kaffeemühle, Kaffeepresser, eine Wasserpumpe sowie eine Komponente für die Abgabe von Rückständen. Endian fügte eine sechste Komponente hinzu: ein Messinstrument für den Energieverbrauch. Diese Daten waren anschließend auf dem Dashboard sichtbar.

Innerhalb dieser fünf Komponenten gibt es Sensoren für folgende Funktionen:

  • Wasserkocher: Temperatursensor, Heizwiderstand
  • Kaffeemühle: Drehzahlmesser Mahlmotor
  • Kaffeepresser: Pressmotor, Positionssensor
  • Wasserpumpe: Wasserpumpe, Durchflusssensor, Sensor für geringen Wasserstand
  • Energieverbrauch: Stromfühler

Industrie 3.0: Entwicklung der Logik innerhalb der SPS

Das Programm für den Betrieb all dieser Sensoren wurde in den zwei SPS wiederhergestellt. Die „Main“ SPS ist für das Mahlen, Pressen, Wasserpumpen und das Wegwerfen der Rückstände verantwortlich, während die SPS „Slave“ die Erhitzung des Wassers und das Einhalten der vorgegebenen Temperatur verantwortet. Die richtige Temperatur gibt die SPS „Main“ vor und sendet diese Vorgabe via ProfiBUS an die SPS „Slave“.

Die SPS „Slave“ wiederum kümmert sich um den Temperatursensor und den Heizwiderstand, um die von „Main“ vorgegebene Zieltemperatur einzuhalten. Zusätzlich sendet „Slave“ die aktuelle Wassertemperatur via ProfiBUS permanent an „Main“. Außerdem überwacht „Slave“ den Stromfühler und sendet den Verbrauch in Echtzeit an „Main“, in diesem Fall über das Protokoll ProfiNET.

An dieser Stelle hat die Industrie 3.0 ihre Aufgabe erfüllt, bisher handelt es sich um einen „reinen“ Produktionsprozess. Das S7 Protokoll von Siemens macht es möglich, Daten aus der Siemens SPS zu beziehen, genauso, wie ein Mensch-Maschinen-Interface (HMI) Daten aus den Produktionsanlagen (Field) zieht, um sie für das Bedienungspersonal sichtbar zu machen.

Sicherer Übergang zur Industrie 4.0

Sobald eine Produktionsanlage über eine SPS verfügt, lässt sie sich über ein IoT-Gateway problemlos mit dem Internet verbinden. In diesem Projekt kam das Gateway Endian 4i Edge 515 zum Einsatz: Es sammelt die Daten über den S7 Kollektor, der in regelmäßigen Intervallen Daten aus der zentralen SPS „Main“ bezieht. Das Gateway überträgt die Daten an das Endian Connect Switchboard, das zentrale IoT-Management-Tool von Endian, wo sie gesammelt und in einer zentralen Datenbank abgelegt werden. Damit Unternehmen ihre Maschinen und Anlagen auch ohne Eingriffe in die Automation überwachen können, ist das Endian Connect Switchboard in der Lage, eine Vielzahl von Kommunikationsprotokollen zu verarbeiten, beispielsweise OPC-UA, Modbus oder Ethernet/IP. Für die Übertragung zwischen dem 4i Gateway und dem Endian Connect Switchboard kommt das Protokoll MQTT zum Einsatz, das sich als wichtigstes Standardprotokoll für das Internet der Dinge etabliert hat.

Die IoT-Gateways von Endian leisten dabei mehr als den reinen Datentransfer, denn sie liefern die Grundlage für IT-Sicherheit im Industrie 4.0-Umfeld gleich mit. IoT-Gateways von Endian basieren auf einem Unified Threat Management (UTM), das mehrere Sicherheitsfunktionen in einer einzigen Anwendung kombiniert: Eine Firewall schützt Maschinen und Anlagen vor Übergriffen von außen, während eine VPN-Appliance den Datenfluss verschlüsselt, und zwar von Ende-zu-Ende, also von der Maschine bis hin zur IoT-Plattform. Für zusätzlichen Schutz sorgt ein Antivirus-Programm und ein IDS/IPS (Intrusion Detection/Prevention System).

Visualisierung und Steuerung per Live-Map

Eine zentrale Funktion der IoT-Management-Plattform von Endian sind die Live-Maps. Dabei handelt es sich um interaktive Landkarten, in denen die Standorte der einzelnen Maschinen abgebildet sind.

Über die Live-Maps lassen sich die Maschinen auch direkt ansteuern. Die IoT-Management-Plattform von Endian unterstützt dabei auch den Zugriff über mobile Endgeräte. Damit ist es möglich, über ein Android-Tablet die Daten der Maschine auf dem Dashboard auszulesen und die Maschine in Gang zu setzen, sprich sich einen frischen Kaffee zu brauen.

Das Projekt zeigt, dass sich auch bereits bestehende Anlagen für Industrie 4.0 fit machen lassen: Eine Kaffeemaschine ist ein in sich geschlossenes System mit einer Platine und Mikrocontrollern, die den gesamten Produktionsprozess selbständig durchführen. Um die Daten aus diesem Produktionsprozess auf der IoT-Management Plattform sichtbar zu machen, mussten alle Prozesse über eine SPS gesteuert werden, so wie es auch in der Industrie praktiziert wird.

Endian wird auf der Hannover Messe vertreten sein und in Halle 6 am Stand D46 seine Technologien vorstellen.

IoT-Basics: Bussysteme, Schnittstellen und Sensornetze

IoT-Technik

IoT-Basics: Bussysteme, Schnittstellen und Sensornetze

03.02.18 - Ob PROFIBUS, CAN, I²C oder Ethernet: Bussysteme sind für die Datenübertragung zuständig und müssen elektrisch und mechanisch sehr robust sein. Der Beitrag vermittelt einen Überblick über die für Industrie 4.0 und das IoT relevanten Bussysteme, Schnittstellen (z.B. OPC UA) und Sensornetzwerke. lesen

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45247684 / Vernetzte Produktion)