Bluetooth Low Energy IOT-Gateway ermöglicht die Sensor-Integration für mobile Messdaten – IIoT-Projektbeispiel

Nach unserem Bericht über smarte Sensoren, freuen wir uns Ihnen in diesem Artikel ein Projektbeispiel hinsichtlich einer kabellosen Sensorenvernetzung zur Verfügung stellen zu können. Die drahtlose Vernetzung von Sensoren, um Maschineninformationen auf dem direkten Weg auszutauschen, steht bei vielen Unternehmen im Zuge der Industrie 4.0 Vision, dem Internet der Dinge (IoT und IIoT) und der Digitalisierung, auf der Agenda. Jedes neue Anwendungsbeispiel trägt dazu bei, dass die Lernkurve immer steiler wird. Die Anforderungen steigen und es entstehen sowohl neue Wünsche als auch neue Geschäftsmodelle. Einzelne Messdaten zu erhalten sind längst keine Herausforderung mehr, vielmehr wird es spannend, wenn es sich um die Konsolidierung unterschiedlicher Datenpunkte (mehrere Funksensoren im Kommunikationsnetzwerk) dreht. In diesem Artikel geht es um Bluetooth Low Energy.

Kabelgebundene Sensoren zu vernetzen ist Standard – einen mobilen Sensor zu integrieren oft eine Herausforderung

Die Möglichkeiten der kabelgebundenen Signalübermittlung von Sensoren sind für viele unserer Leser/innen sicherlich nichts Neues.  Über mehrere Jahre hinweg haben sich die Feldbus-Schnittstellen wie Modbus oder PROFINET zu internationalen Standards entwickelt. Einen starken Rückenwind erhält im Zuge der vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0), die Sammlung von Standards für die Kommunikation und den Datenaustausch im Umfeld der Industrieautomation  – OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). Die Machine-to-Machine (M2M)-Kommunikation soll herstellerübergreifend vereinfacht werden, für die Übertragung der Maschinendaten, wie z. B. Messwerte, Messgrößen, Sensordaten, Steueranweisungen oder Regelgrößen. Auch wenn OPC UA grundsätzlich eine Internet-freundliche Service-Architektur zugrunde legt, stellt sich die Frage, wie sich ein Sensor über Funkverbindung in einem kritischen Umfeld, in das Kommunikationsnetzwerk  einbinden lässt?

 

Hinweis: Unsere Berichte sind oft sehr ausführlich. Daher bieten wir an dieser Stelle eine Zusendung des Artikels im PDF-Format zur späteren Sichtung an. Nutzen Sie das Angebot um sich die Praxis-Impulse in Ruhe durchzulesen, Sie können hierfür auch einfach auf das PDF-Symbol klicken.

Projektbeispiel: Weltweite Überwachung von Batterie-Container und deren funktionsfähigen Konnektivität mit E-RTG-Kräne

Hintergründe zur Branche und Endprodukte des Anwenders

Nicht nur die IT entwickelt sich weiter, sondern auch die Transport- und Lagersysteme, so auch die Kräne in den Häfen, für den Umschlag zwischen See- und Landtransport. Aber auch das Betriebssystem. In der Vergangenheit wurde die Stromversorgung der Kräne, beim Fahren außerhalb der Containergasse, über Schleifleitungen und Motorleitungstrommeln sichergestellt. Hierzu wurden Dieselaggregate benötigt, deren Akzeptanz jedoch aus Umwelt- und Kostengründen stark abgenommen hat.

Die weiterentwickelten Portal-Kräne in den Containerdepots sind gummibereift (RTG) und elektrisch betrieben (E-RTG)- ohne Schienenführung. Der praktische Vorteil liegt an der Bewegungsfreiheit, indem z. B. ein Gassenwechsel im Containerdepot einfacher, flexibler und schneller erfolgen kann. Der Umwelt- und Kostenvorteil ist der elektronische Betrieb von Portal-Kräne.

Aus RTG-Kräne werden E-RTG-Kräne

Der Anwender dieser beschriebenen IIoT- und Industrie 4.0-Anwendung, hat sich „E-RTG“ als Trademark (TM)  für die Elektrifizierung von Portal-Kräne schützen lassen (RTG steht für Rubber Tired Gantry Cranes, das E für Elektrifizierung).

Das im Bereich der Energie- und Datenübertragung tätige Unternehmen Conductix-Wampfler hat einen Batterie-Container entwickelt, welcher direkt am Kran montiert wird. Die Konnektivität zwischen Kran und Batterie-Container muss aufgrund der kritischen Betriebsparameter regelmäßig überwacht werden, um die einwandfreie Funktion und die hohe Verfügbarkeit, aller weltweit eingesetzten Kräne zu gewährleisten.

Die Schwierigkeit bei der Netzwerk-Architektur

Die Batterie-Container enthalten technologisch anspruchsvolle Komponenten und eine entsprechende Sensorik für die jeweiligen Betriebsparameter, zu denen jederzeit eine Konnektivität gewährleistet sein muss.

Da die E-RTG-Kräne weltweit im Einsatz sind, musste der Aufbau von einem weltweit funktionsfähigen Kommunikationsnetzwerk sichergestellt werden. Die Herausforderung war weniger das zentrale Datenportal, sondern vielmehr die unterschiedlichen und örtlichen Gegebenheiten. Hinzu kommen die seit Jahren bekannten Herausforderungen, bei der Integration von Funktechnik in ein industrielles Kommunikationsnetzwerk. Bei diesem Projektbeispiel musste eine Lösung für folgende Rahmenfaktoren geschaffen werden:

• Das Umfeld ist in hohem Maße „metallisch“
• Die Kräne und die Batterie-Container sind ständig in Bewegung
• Die Kräne liegen am Rande vom Kommunikationsnetzwerk (Edge)
• Geringer Stromverbrauch bei der Datenübertragung muss gewährleistet sein

Die geschaffene IIoT- und Industrie 4.0-Lösung

Zur Architektur der Lösung wurde auf den über 35-jährige Erfahrungsschatz von Dipl.-Ing. Thomas Schildknecht (Vorstand der Schildknecht AG) zurückgegriffen. Er ist langjähriger und ausgewiesener Funktechnik-Experte und seit Jahren ein Geheimtipp zur Lösung von Problemfälle, rund um die Funktechnik. Er teilt gerne seine Erfahrungen im VDI/GMA Fachausschuss 5.21 Wireless Automation und entwickelt seine Produkte bedarfsgerecht durch die Kundenanforderungen.

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Folgende drei Lösungsbausteine waren für die Zielerreichung erforderlich:

Energiesparende Funktechnik als wichtiger Bestandteil der IIoT- und Industrie 4.0-Lösung

Welche Erfahrungen haben Sie bislang mit Bluetooth-Verbindungen im privaten Gebrauch gemacht, wenn Sie an Ihren Akku oder die Reichweite denken? Für einen deutlich geringeren Stromverbrauch sorgt die Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE oder BLE), auch Bluetooth-Smart oder iBeacons genannt. Es handelt sich um eine erweiterte Funktechnik, mit der sich Geräte in Reichweite miteinander vernetzen lassen.

Hinweis: Bluetooth Hardwarekomponenten im privaten und geschäftlichen Gebrauch sind unterschiedlich. Durch z. B. den Batteriesparmodus und die integrierten Antennen, hatte bisher Bluetooth im privaten Gebrauch eine Reichweite von 10 Meter. Im industriellen Einsatz kann diese Reichweite jedoch bis zu 70 Meter erreichen. 

Erfolgsfaktor Hardware der IIoT- und Industrie 4.0-Lösung

Die hardwareseitigen Anforderungen dieses Projektes wurden mit einem Gateway aus dem Hause Schildknecht (Edge-Gateway DATAEAGLE 2730) gelöst, welches eingangsseitig über eine Bluetooth Low Energy (BLE, iBeacon) Schnittstelle verfügt und kabellos bis zu 8 Sensorsignale verarbeiten kann. Ausgangsseitig verfügt das Gateway von Schildknecht (Dataeagle 2730) über Feldbus-Schnittstellen wie Modbus und/oder PROFINET, zur Übertragung der Daten per Mobilfunk an eine Steuerung bzw. in die Cloud und das dort befindliche zentrale Datenportal.

Erfolgsfaktor Cloud-Portal der IIoT- und Industrie 4.0-Lösung

Im zentralen Datenportal werden zur sofortigen Darstellung und Auswertung die kritischen Sensordaten wie z. B. Spannung, Temperatur, Druck oder Feuchte angezeigt. Der nahtlose Übergang zwischen dem Portal, der Hardware und den mobilen Sensoren über Bluetooth Low Energy (BLE), war für einen reibungslosen Projektverlauf gewünscht, weshalb die Schildknecht AG auch die Portaltechnik zur Verfügung gestellt hat.

Somit entstand eine durchgängige Vernetzung der Sensoren: Von dem Gateway, das fortlaufend über Bluetooth Low Energy (iBeacons, BLE) die Messdaten von jedem Funksensor erfasst und nach entsprechender Vorverarbeitung (noch im Gateway) die kritischen Betriebsdaten per Funk/Mobilfunk über das Modbus-Kommunikationsprotokoll an die Steuerung bzw. die Cloud und das dortige Portal weiterleitet.

 

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Bluetooth 5 Standard sorgt für Zukunfts- und Investitionssicherheit

Das Internet der Dinge erhöht die Anforderungen an das technologische Umfeld und somit auch an die Funktechnik bzw. Messtechnik Bluetooth. Nachdem Bluetooth 5 als neuer Standard freigegeben worden ist, gibt es folgende signifikante Unterscheidungsmerkmale zum letzten Bluetooth 4.2 Standard:

• Verbesserung der  Reichweite um das Vierfache
• Zwei Geräte können gleichzeitig gekoppelt werden
• Die Datenrate verdoppelt sich
• Weitere Dienste wie Standortübermittlung sollen eingeführt werden
• Der Energiebedarf zur Erzielung der höheren Reichweiten verringert sich –> geringerer Energieverbrauch

Experten schätzen, dass mit dem neuen Bluetooth 5 Standard die bisherigen WLAN-Verbindungen im Smart Home abgelöst werden könnten, indem die smarten drahtlosen Geräte und Sensoren wie z. B. für das Licht, die Temperaturmessung oder dem Rauchwarnmelder effizienter vernetzt werden. Der Verbindungsaufbau würde kabellos per Bluetooht 5 funktionieren.

Bislang war die Bluetooth Funktechnik interessant für den Verbrauchermarkt, jedoch wird dieser Standard durch Bluetooth Low Energy (BLE) für die Geschäftswelt interessanter. Kleine Bluetooth-Sender (iBeacons) werden mit dem Bluetooth 5 Standard starken Rückenwind erhalten und noch mehr Einzug in den Einzelhandel nehmen, als Kommunikationskanal für Verbraucherinformationen mittels Smartphone-Notifikationen. Doch auch die Industrie wird mit den neuen Merkmalen versuchen die Vernetzung in der Logistik und Produktion noch effizienter zu gestalten. Zur Identifikation von z. B. Werkstücken, Maschinen und Mitarbeitern oder auch für mobile Anwendungen auf Smartphone / Tablet können durch die Beacons und Bluetooth Low Energy Sensoren effizienter vernetzt werden. Vor der Integration war die Funktechnik auch als Bluetooth ultra low power oder Wibree bekannt.

Bluetooth Low Energy – Ein neues Geschäftsmodell entsteht nicht auf Papier, sondern in der Praxis

Conductix-Wampfler möchte als Early Adopter die neuen industriellen Chancen durch das Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IoT, IIot), seinen Kunden ein Geschäftsmodell zur intensiven Überwachung der Batterie-Container anbieten. Im Zeitalter von Industrie 4.0 ist die regelmäßige Überwachung global installierter, technologisch anspruchsvoller und kostspieliger Maschinen ein attraktives Geschäftsmodell, da im Sinne von Predictive Maintainance, zur Vermeidung von Stillstandszeiten, gerne in vorausschauende Maßnahmen investiert wird.

Conductix-Wampfler hat dieses Leistungspotential erkannt und für seine weltweit installierten Maschinen eine entsprechende Testphase der zuvor beschriebenen IIoT- und Industrie 4.0-Lösung, eingeleitet.

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