Kommunikation Wo bleibt der Sensor für Industrie 4.0?

Autor / Redakteur: Klaus-Dieter Walter* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Sensoren sind die grundlegenden Bausteine für das Internet der Dinge und Industrie 4.0. Zu jedem „Ding“ gehört mindestens auch ein Sensor. Manchmal ist der eine oder andere zwar heute schon „smart“, was aber nicht reichen wird. Vielmehr sind hochspezialisierte „Smart Connected Sensors“ – mit Internetverbindung und Zusatzfunktionen – erforderlich.

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Ein Smart Connected Sensor für das IoT braucht eine Internetverbindung und muss mehr können.
Ein Smart Connected Sensor für das IoT braucht eine Internetverbindung und muss mehr können.
(Bild: SSV)

Aus Sicht von Dr. Thomas Simmons, dem Geschäftsführer des AMA Verband für Sensorik und Messtechnik, könnten Sensorhersteller einen deutlichen Wettbewerbsvorteil erzielen, indem sie Neuerungen der IKT-Welt einbeziehen und mit ihren Sensorkomponenten verbinden. Im Konsumerbereich finden wir bereits viele neue Sensor-basierte Produkte, die sich diesen Wettbewerbsvorteil verschafft haben. Beispiele sind Fitness-Armbänder, Laufschuhe mit integrierten Beschleunigungssensoren, Smart Watches, Personenwaagen mit Internetanbindung und GPS-Tracker für Fahrräder. Sogar ein Zustandsmonitoring für Pflanzen gibt es. Wichtige Funktionen dieser Produkte basieren auf Sensoren, die über eine Kommunikationsverbindung mit einer Zusatzsoftware verbunden sind. Im einfachsten Fall ist der Sensor mit einer Smartphone-App, in anderen Anwendungen direkt mit einer Internet-basierten Plattform gekoppelt, um zusätzliche Funktionen zur Verfügung zu stellen.

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Im industriellen Bereich – also im Industrial-IoT-Umfeld – ist man viel vorsichtiger. Hier will man zwar über Industrie 4.0 (I4.0) etwa vollständige Wertschöpfungsketten mit externen und internen Fertigungsprozessen, Logistik, die Produktnutzung durch den Kunden und den After-Sales-Service vollständig vernetzen. In der Praxis existieren aber noch keine I4.0-konformen Sensorsysteme. Dabei gibt es gerade hier einen großen Bedarf an Sensoren, die mehr können als eine physikalische Messgröße in einen 4-20-mA-Strom oder ein digitales Feldbusdatum umzuwandeln.

Erste Ansätze sind bestenfalls im Maschinenbau zu finden. Dort versucht man seit Jahren, ein Condition Monitoring mit vernetzten Sensoren zu schaffen. Bisher scheitern viele Vorhaben trotz relativ kostengünstiger Sensorik daran, dass das erforderliche Integrations-Engineering sehr kostspielig ist. Der Gesamtaufwand, um aus einem Beschleunigungssensor ein Schwingungsmesssystem mit automatischer Auswertung für einen bestimmten Antrieb zu schaffen, ist einfach noch viel zu hoch. Mit einem (Smart Connected) Sensor, der ab Werk bereits mit einer offenen IT-Serviceplattform gekoppelt wäre, so dass „nur noch“ die Software zur Messdatenauswertung hinzugefügt werden müsste, käme man schneller zu Ziel.

Was ist ein Smart Connected Sensor?

Ein Smart Sensor umfasst neben der eigentlichen Messgrößenerfassung auch die komplette Signalaufbereitung und -verarbeitung im gleichen Gehäuse. Er besitzt üblicherweise eine digitale Schnittstelle (z.B. Modbus, CAN, CANopen, IO-Link, Ethernet) zur Kommunikation mit übergeordneten Systemen. Sogar Varianten mit integriertem Mobilfunkmodem hat der Markt zu bieten.

Zu einem Smart Connected Sensor (SCS) gehört allerdings immer eine spezielle (Cloud-) Serviceplattform, an die der Sensor Daten weitergeben kann, ohne dass dafür ein zusätzliches Engineering erforderlich wäre. Auf dieser wird auch die durch die I4.0-Spezifikationen geforderte „Verwaltungsschale einer I4.0-komformen Komponente“ gebildet. Per Cloud lassen sich wertvolle Zusatzfunktionen realisieren, zum Beispiel der Abgleich der vom Sensor erhaltenen Messgröße mit einer IT-Datenbank, um diese in einen Anwendungskontext zu setzen und bei Bedarf einen Alarm oder eine Benachrichtigung zu verschicken.

Ein Beispiel: Ein einfacher Füllstandssensor schickt den jeweiligen Messstand bei jeder Änderung an eine Cloud-Serviceplattform im Internet. Dort wird der Messwert von einer dem SCS zugeordneten Softwarekomponente entgegengenommen und bzgl. bestimmter Grenzwerte geprüft. Wird etwa der Wert für den Mindestfüllstand unterschritten, verschickt die Plattform eine Auffüllbenachrichtigung an eine hinterlegte Adresse.

Direkte oder indirekte Cloud-Verbindung

Ein Smart Connected Sensor kann auf unterschiedliche Art und Weise mit der Cloud kommunizieren. Im einfachsten Fall besitzt er ein integriertes 2G/3G/4G-Mobilfunkmodem mit SIM-Karte und kann über das Mobilfunknetz eines Netzwerkproviders die Cloud erreichen. Diese Lösung ermöglicht eine vollständige Vorkonfiguration ab Werk, so dass der Sensor im Feld einfach nur noch installiert werden muss. Weitere Vor-Ort-Konfigurationen sind nicht erforderlich, so dass Massen-Roll-outs problemlos möglich wären.

Auch ein integriertes Wi-Fi-Interface ist denkbar. In diesem Fall muss der SCS aber zumindest vor Ort für den jeweiligen Wi-Fi Access Point konfiguriert werden, was zusätzlich eine spezielle Konfigurationsschnittstelle erfordert.

In beiden Fällen (Mobilfunk und Wi-Fi) sind ein vollständiger TCP/IP-Stack sowie spezielle Security-Bausteine zur Abwehr von Cyber-Angriffen direkt im SCS notwendig.

Es ist aber auch eine „Wireless Sensing“-SCS-Variante möglich, die per Short-Range Wireless Network (SRWN, z.B. Zig Bee) mit einem speziellen Gateway kommuniziert, das die Sensormessgrößen an die Cloud weiterleitet. In diesem Fall sind TCP/IP plus Security nur im Gateway erforderlich. Der einzelne Wireless-Sensing-Knoten wäre dann viel kostengünstiger realisierbar.

Für viele Anwendungen reicht es aus, wenn der Sensor lediglich eine preiswerte Bluetooth-Low-Energy-(BLE-)Schnittstelle besitzt und zusammen mit einer Smartphone-App ausgeliefert wird. Er selbst hat dann keine direkte Verbindung in die Cloud. Diese wird über die App realisiert. Diese kann Sensordaten vorverarbeiten, verändern, zwischenspeichern und auch gleich vor Ort visualisieren. Dabei ist zum Beispiel die Ist-Zustands-Visualisierung durch die direkte BLE-basierte Abfrage der Sensormessgrößen möglich. Gleichzeitig lässt sich aber auch eine Historie darstellen, indem die App per Cloud-Serviceplattform einfach die Vergangenheitsdaten für den betreffenden Sensor anfordert.

Jetzt handeln: Industrie 4.0 benötigt den Smart Connected Sensor

Ohne ein entsprechendes Angebot an Industrie-4.0-tauglichen Sensoren wird es besonders im industriellen Umfeld sehr lange dauern, bis es zu einem nennenswerten Marktdurchbruch kommt. Die meisten Sensorhersteller warten offensichtlich noch ab. Anwender oder andere Marktteilnehmer müssten derzeit den benötigten Sensor selbst mit den für ein Vorhaben erforderlichen Schnittstellen ausstatten und mit einer Cloud oder einem IT-System verbinden. In der Konsumerelektronik hat dies zu neuen Anbietern geführt, die mit disruptiven Innovationen in Marktsegmente eindringen. Hoffentlich wartet die ansonsten sehr starke deutsche Sensorbranche diesmal nicht zu lange.

Hannover Messe: SSV, Halle 17, Stand A18/2

Dieser Artikel erschien zunächst auf unserem Schwesterportal Elektrotechnik

* *Klaus-Dieter Walter, Geschäftsführer der SSV Software Systems GmbH, Hannover

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