Unverzichtbar für IoT und Industrie 4.0 Kommunikative Sensoren

Hochspezialisierte Sensoren mit Internetverbindungen benötigt die Industrie.
Die Industrie benötigt hochspezialisierte Sensoren mit Internetverbindung.

Sowohl für das Internet der Dinge als auch für Industrie 4.0 gilt: Zu jedem Ding gehört mindestens ein Sensor. Die smarten Sensoren der Hersteller sind für die Industrie jedoch nicht ausreichend. Benötigt werden hochspezialisierte Sensoren mit Internetverbindung und entsprechenden Zusatzfunktionen.

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 Informations- und Kommunikationstechnik einbeziehen und mit ihren Sensorkomponenten verbinden würden. In der Unterhaltungselektronik gibt es bereits viele neue Sensor-basierte Produkte, die sich diesen Wettbewerbsvorteil verschafft haben – beispielsweise Fitness-Armbänder, Laufschuhe mit integrierten Beschleunigungssensoren, Smartwatches, Personenwaagen mit Internetanbindung, GPS-Tracker für Fahrräder. Sogar der Zustand von Pflanzen kann mit Gießanzeigern und Bodentestern überwacht werden. Wichtige Funktionen dieser Produkte basieren auf Sensoren, die eine Kommunikationsverbindung mit einer Zusatz-Software haben. Entweder ist der Sensor mit einer Smartphone-App oder direkt mit einer Internet-basierten Plattform verbunden, um zusätzliche Funktionen zur Verfügung zu stellen.

Die Industrie ist im IoT-Umfeld viel vorsichtiger. Für Industrie 4.0 (I4.0) ist zwar eine vollständige Vernetzung gewollt, in der Praxis existieren jedoch noch keine I4.0-konformen Sensorsysteme. Dabei gibt es gerade in diesem Umfeld einen sehr großen Bedarf für Sensoren, die etwas mehr können als eine physikalische Messgröße in einen 4-bis-20-mA-Strom oder ein digitales Feldbusdatum umzuwandeln. Erste Ansätze sind bestenfalls im Maschinenbau zu finden. Dort wird seit Jahren versucht, eine Zustandsüberwachung mit vernetzten Sensoren zu schaffen. Bisher scheitern viele Vorhaben trotz relativ kostengünstiger Sensorik an der kostspieligen Integrationstechnik. Der Gesamtaufwand, um aus einem Beschleunigungssensor ein Schwingungsmesssystem mit automatischer Auswertung für einen bestimmten Antrieb zu schaffen, ist einfach noch viel zu hoch. Zielführender wäre ein Smart-Connected-Sensor (SCS), der ab Werk bereits mit einer offenen IT-Service-Plattform gekoppelt wäre, sodass „nur noch“ die Software zur Messdatenauswertung hinzugefügt werden müsste.

Was ist ein Smart-Connected-Sensor?

Die am Markt verfügbaren klassischen Sensoren sind Messgrößenumformer mit analogem Ausgangssignal. Smarte Sensoren bieten neben der eigentlichen Messgrößenerfassung auch die komplette Signalaufbereitung und Signalverarbeitung. Sie besitzen üblicherweise eine digitale Schnittstelle – z.B. Modbus, CAN, CANopen, IO-Link, Ethernet – zur Kommunikation mit übergeordneten Systemen. Sogar Varianten mit integriertem 2G-Mobilfunkmodem sind am Markt zu finden.

Im Gegensatz dazu gehört zu einem Smart-Connected-Sensor immer eine spezielle Cloud-Service-Plattform, an die der Sensor Daten weitergeben kann, ohne dass dafür eine zusätzliche Technik erforderlich wäre. Über die Cloud-Service-Plattform müssen sich Zusatzfunktionen realisieren lassen – zum Beispiel der Abgleich der vom Sensor erhaltenen Messdaten mit einer IT-Datenbank –, um die Messgröße in einen Anwendungskontext zu setzen und bei Bedarf einen Alarm oder eine Benachrichtigung zu verschicken. Zum Beispiel ein Füllstands-Sensor, der den jeweils gemessenen Füllstand bei jeder Änderung an eine Cloud-Service-Plattform im Internet schickt. Dort wird der Messwert von einer dem Smart Connected Sensor (SCS) zugeordneten Software-Komponente entgegengenommen und bezüglich bestimmter Grenzwerte geprüft. Wird der Wert für den Mindestfüllstand unterschritten, verschickt die Service-Plattform eine Auffüllbenachrichtigung an eine hinterlegte Adresse.

Direkt oder indirekt in die Cloud

Ein SCS (Bild 1) kann auf unterschiedliche Art und Weise mit der Cloud-Service-Plattform kommunizieren. Im einfachsten Fall besitzt der Sensor ein integriertes 2G-, 3G-, oder 4G-Mobilfunkmodem mit SIM-Karte bzw. SIM-Chip und kann über das Mobilfunknetz eines Netzwerkanbieters die Cloud erreichen. Diese Lösung ermöglicht eine vollständige Vorkonfiguration ab Werk, sodass der Sensor im Feld einfach nur noch installiert werden muss. Weitere Vor-Ort-Konfigurationen sind nicht erforderlich, sodass auch Massen-Auslieferungen problemlos möglich wären. Eine integrierte WiFi-Schnittstelle ist ebenfalls denkbar.

In diesem Fall muss der SCS zumindest vor Ort für den jeweiligen WiFi-Zugangspunkt konfiguriert werden, was zusätzlich eine spezielle Konfigurationsschnittstelle erfordert. In beiden Fällen – Mobilfunk und WiFi – sind ein vollständiger TCP/IP-Stack sowie spezielle Sicherheits-Bausteine zur Abwehr von Cyber-Angriffen direkt im Sensor notwendig. Allerdings ist auch eine Wireless-Sensing-SCS-Variante möglich, die per Kurzstrecken-Funknetzwerk – z.B. ZigBee, Bluetooth, Wire­less M-Bus – mit einem speziellen Gateway kommuniziert, das die Sensormessgrößen an die Cloud-Service-Plattform weiterleitet. In diesem Fall sind TCP/IP und Sicherheit nur im Gateway erforderlich. Der einzelne Wireless-Sensing-Knoten wäre sehr viel kostengünstiger realisierbar.

Für viele Anwendungen reicht es aus, wenn der Sensor lediglich eine preiswerte Bluetooth-Low-Energy-Schnittstelle (BLE) besitzt und zusammen mit einer Smartphone-App ausgeliefert wird. Bei dieser Variante wird die Verbindung in die Cloud über die App realisiert (Bild 2). Die App 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 kann eine Historie dargestellt werden, indem die App per Cloud-Service-Plattform einfach die Vergangenheitsdaten für den betreffenden Sensor anfordert.