[1] Ein Smart-Connected-Sensor mit einer direkten Internetverbindung liefert Messwerte per TCP/IP oder mithilfe eines Short-Range Wireless Network an die Cloud-Serviceplattform. Der Sensor kann ebenso per BLE-Verbindung mit einer Smartphone-App kommunizieren.

[1] Ein Smart-Connected-Sensor mit einer direkten Internetverbindung liefert Messwerte per TCP/IP oder mithilfe eines Short-Range Wireless Network an die Cloud-Serviceplattform. Der Sensor kann ebenso per BLE-Verbindung mit einer Smartphone-App kommunizieren. SSV

Im Konsumerbereich hat der Hype um das Internet der Dinge (Internet of Things = IoT) viele neue sensorbasierte Produkte hervorgebracht: Fitness-Armbänder, Laufschuhe mit integrierten Beschleunigungssensoren, Smart Watches oder Personenwaagen mit Internetanbindung. Die Monitoringfunktionen dieser Produkte basieren auf Sensoren, die über eine Kommunikationsverbindung mit einer Zusatzsoftware verbunden sind. Im einfachsten Fall ist der Sensor über eine Smartphone-App mit einer Onlineplattform gekoppelt, um weitere Softwarefunktionen bereit zu stellen.
Im industriellen Bereich sind Unternehmen viel vorsichtiger. Hier will man zwar über Industrie 4.0 ganze Wertschöpfungsketten mit externen und internen Fertigungsprozessen, Logistik, der Produktnutzung durch den Kunden oder dem After-Sales-Service vernetzen. In der Praxis existieren jedoch kaum I4.0-konforme Sensorsysteme.
Erste Ansätze finden sich bestenfalls im Maschinenbau. Dort versuchen Unternehmen bereits seit Jahren, ein Condition-Monitoring mit vernetzten Sensoren zu schaffen. Trotz relativ kostengünstiger Sensorik scheitern bislang viele Vorhaben am sehr kostspieligen Integrationsengineering: Der Aufwand, um aus einem Beschleunigungssensor, ein Schwingungsmesssystem mit automatischer Auswertung für einen bestimmten Antrieb zu schaffen, ist noch zu hoch. Mit einem Smart-Connected-Sensor käme man schneller ans Ziel: Dieser sollte bereits ab Werk mit einer offenen IT-Serviceplattform gekoppelt sein, sodass nur noch die Software zur Messdatenauswertung hinzugefügt werden muss.

Sensoren: Smart Connected oder nur Smart?

Smarte Sensoren bieten neben der Messgrößenerfassung auch die komplette Signalaufbereitung und Signalverarbeitung. Sie besitzen üblicherweise eine digitale Schnittstelle wie Modbus, CAN, CANopen, IO-Link oder Ethernet zur Kommunikation. Sogar Varianten mit Mobilfunkmodems sind am Markt zu finden.
Zu einem Smart-Connected-Sensor gehört immer eine spezielle (Cloud-)Serviceplattform, an die der Sensor Daten weitergeben kann  ohne zusätzliches Engineering. Mithilfe der Cloud-Serviceplattform müssen sich Zusatzfunktionen realisieren lassen, zum Beispiel der Abgleich der vom Sensor erhaltenen Messgröße mit einer Datenbank, um die Messgröße in einen Anwendungskontext zu setzen und bei Bedarf einen Alarm. Ein typisches Szenario ist die Füllstandsüberwachung: Der Sensor sendet jede  Änderung an die Cloud-Serviceplattform. Dort prüft eine Softwarekomponente den Messwert auf bestimmte Grenzwerte und verschickt bei Bedarf eine Auffüllbenachrichtigung an eine hinterlegte Adresse.

Vernetzung, direkt oder indirekt?

 
[2] Smart-Connected-Sensoren mit integriertem Datenlogger eignen sich für unterschiedliche Monitoringaufgaben – beispielsweise zur Überwachung von Schaltschränken.

[2] Smart-Connected-Sensoren mit integriertem Datenlogger eignen sich für unterschiedliche Monitoringaufgaben – beispielsweise zur Überwachung von Schaltschränken.
[2] Smart-Connected-Sensoren mit integriertem Datenlogger eignen sich für unterschiedliche Monitoringaufgaben – beispielsweise zur Überwachung von Schaltschränken.
[2] Smart-Connected-Sensoren mit integriertem Datenlogger eignen sich für unterschiedliche Monitoringaufgaben – beispielsweise zur Überwachung von Schaltschränken. SSV

Smart-Connected-Sensoren können  auf unterschiedliche Art und Weise mit der Cloud-Serviceplattform kommunizieren. Im einfachsten Fall besitzt der Sensor 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, sodass der Sensor im Feld einfach nur noch installiert werden muss. Weitere Vor-Ort-Konfigurationen sind nicht erforderlich – Massen-Rollouts problemlos möglich. Auch ein integriertes Wi-Fi-Interface ist denkbar. In diesem Fall muss der Smart-Connected-Sensor 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 Sensor notwendig.
Es ist aber auch eine Smart-Connected-Sensor-Variante mit Wireless Sensing möglich, die per Zigbee, Bluetooth oder Wireless M-Bus mit einem speziellen Gateway kommuniziert, das die Sensormessgrößen an die Cloud-Serviceplattform weiterleitet. In diesem Fall sind TCP/IP Plus Security nur im Gateway erforderlich. Der einzelne Wireless-Sensing-Knoten wäre dann 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. Der Sensor selbst hat dann keine direkte Verbindung in die Cloud. Diese wird über die App realisiert, die Sensordaten vorverarbeiten, verändern, zwischenspeichern und auch gleich vor Ort visualisieren kann. Dabei ist zum Beispiel die Ist-Zustands-Visualisierung durch die BLE-basierte Abfrage der Sensormessgrößen möglich. Gleichzeitig kann aber auch der Verlauf dargestellt werden, indem die App per Cloud-Serviceplattform einfach die Vergangenheitsdaten für den betreffenden Sensor anfordert.

Virtuelle Repräsentanzen für Sensoren

In der IT sowie der Konsumerelektronik  existieren zahlreiche echte Monitoring­anwendungen mit vernetzten Sensoren. Sie eignen sich durchaus als Blaupause für Smart-Connected-Sensors. Orientierungshilfen gibt aber auch das EU-Projekt ‚Internet of Things Architecture‘, das ein  möglichst universelles Referenzmodell für zukünftige IoT-Anwendungen zum Ziel hat. Sensoren, Aktoren und Geräte bilden in diesem Modell die physischen Repräsentanzen. Zu jeder physischen Repräsentanz gehört wiederum eine virtuelle Repräsentanz, die mithilfe eines IoT- beziehungsweise Cloud-Service im Internet realisiert werden kann. Auf einer solchen IoT-Serviceplattform wird zum Beispiel der aktuelle Zustand der Sensoren gespeichert und aktualisiert. Auf das jeweilige Datenabbild können andere Systeme und Benutzer mittels API zugreifen. Ein solches Cloud- beziehungsweise IoT-Service-API muss in der Regel unterschiedliche M2M- und IT-Protokolle sowie plattformunabhängige Datenformate unterstützen und darüber hinaus geeignete Sicherheitsmechanismen anbieten.

[3] Mit Thinglyfied lassen sich Steuerungs- und Sensor­daten erfassen, verdichten und an beliebige Cloud-Services weiterleiten. Dort erfolgt die Vorhersage der Ausfallwahrscheinlichkeit für einzelne Maschinen oder deren Komponenten.

[3] Mit Thinglyfied lassen sich Steuerungs- und Sensor­daten erfassen, verdichten und an beliebige Cloud-Services weiterleiten. Dort erfolgt die Vorhersage der Ausfallwahrscheinlichkeit für einzelne Maschinen oder deren Komponenten. SSV

Daten-Sammler für die Industrie

Auf der Hannover Messe 2016 präsentierte SSV Software Systems den IoT-Technologie-Stack Thinglyfied zusammen  mit einer Predictive Maintenance-Erweiterung. Die einzelnen Bausteine ermöglichen mittels analytischer Bewertung aktueller Zustandsdaten die Vorhersage möglicher Maschinenausfälle und Produktionsunterbrechungen. Der IoT-Technologie-Stack erfasst Maschinen- und Umgebungsdaten vor Ort. Dafür steht ein Things Connector-Baustein zur Verfügung, der beispielsweise per Modbus, ISO-on-TCP oder Profinet die erforderlichen Daten aus einer SPS auslesen und diese Informationen mit den Messdaten weiterer Sensoren kombinieren kann. Diese Daten werden verdichtet und mit Hilfe eines Cloud-Connectors an den Predictive Service einer Public Cloud im Internet gesendet. Hinsichtlich der Cloud und des jeweiligen Providers ist Thinglyfied flexibel. Es werden praktisch alle gängigen Plattformen mit entsprechenden Services unterstützt.
Über die Bausteine Device-2-Cloud- und Device-2-App des IoT-Technologie-Stacks lassen sich zudem vor Ort Condition Monitoring-Daten für die gesamte Anlage erzeugen und visualisieren. Hierfür stehen ein OPC UA-Server und ein Bluetooth-basiertes Mikro-Gateway plus Smartphone App zur Verfügung.
Die Thinglyfied-Architektur weist folgende Kernkomponenten auf:
• Das Thing Network Device (TND) ist eine Embedded Hardware, die sich in die bestehende Hardware integriert und sie in ein IoT-fähiges Gerät wandelt.
• Der Things Connector (TC) ist ein Overlay-Netz für den Informationsaustausch zwischen allen Komponenten, das je nach Anforderung skaliert werden kann. • Der Connector nutzt Microservices, um geschäftsspezifische Applikationen anzubinden.
• Eine Public-Key-Infrastructure (PKI), um Authentizität, Autorisierung und Datenintegrität zwischen allen vernetzten Komponenten sicherzustellen.