Sensoren Mit intelligenten Sensoren das industrielle IoT ausreizen

Autor / Redakteur: Nate D. Larson * / Margit Kuther

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) bietet Komponenten und Geräten eine Plattform für den Austausch weit größerer Datenmengen als je zuvor. Dies eröffnet zahlreiche neue Möglichkeiten.

Starterkit: Konfigurierbare intelligente Edge-Knoten und Mobilfunk-/Ethernet-Gateway.
Starterkit: Konfigurierbare intelligente Edge-Knoten und Mobilfunk-/Ethernet-Gateway.
(Bild: Bild: Digi-Key)

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) mit seinem größeren Datenvolumen ermöglicht eine ausgefeiltere Kontrolle und Verwaltung von Prozessen, Anlagen und Wartungsplänen.

Herkömmliche Datenerfassungsmethoden wie SCADA, in denen passive Sensoren Rohdaten zurück zu einer zentralen Steuerung leiten, werden voraussichtlich IIoT-Lösungen weichen, die kürzere Ansprechzeiten, eine effizientere Datenerfassung und Big-Data-Services wie eine vorausschauende Wartung und eine autonome Selbstoptimierung des Systems bieten können.

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Das IIoT nutzt lokale Sensordaten mit integrierter Intelligenz

Bild 1 (Hinweis: Sie finden alle Bilder in der Bildergalerie) zeigt ein herkömmliches industrielles Sensornetz, in dem das SCADA-System Sensordaten empfängt und verarbeitet und für die anschließende Entscheidungsfindung verantwortlich ist. Im neuen, durch das IIoT ermöglichte Modell, werden die Sensordaten lokal mit integrierter Intelligenz verarbeitet, um Echtzeitentscheidungen zu treffen, die für die Durchführung des aktuellen Prozesses relevant sind.

Darüber hinaus werden aufbereitete Sensordaten an die Cloud weitergeleitet. Dort führen Big-Data-Anwendungen basierend auf allen, vom gesamten Sensornetz erhaltenen Daten eine eingehendere Analyse durch.

Die in der Cloud durchgeführten Analysen ermöglichen die Erkennung von Trends und Mustern, die menschliche Bediener oder Analysten nicht entdecken können. So generieren sie eine Intelligenz auf höherer Ebene, die eine effizientere, produktivere und kostengünstigere Gestaltung von Prozessen, Anlagen, Fabriken und Unternehmen ermöglichen.

Typische cloudbasierte Analysedienste, die für einen Fertigungsbetrieb von Interesse sind, sind zum Beispiel: Generierung von Diagnosedaten, automatische Reoptimierung der Anlageneinstellung, Bestellung neuer Bedarfsartikel oder Maschinenteile, Wartungsplanung und Management-, Abfrage- oder Berichtsdienste.

Mit diesen Diensten kann das IIoT den Unternehmen eine Produktivitätssteigerung bei sinkenden Kosten ermöglichen, Produktionsausfälle reduzieren und dem gesamten Unternehmen mehr und bessere Daten zur Unterstützung strategischer Entscheidungen verfügbar machen.

Das IoT World Forum (IOTWF) hat ein Referenzmodell (Bild 2) vorgestellt, das die verschiedenen Schichten des IoT darstellt und deren Rolle visualisiert. Das Modell baut auf physischen Komponenten, Geräten und Steuerungen auf, die über intelligente Edge-Knoten wie z. B. intelligente Sensoren verfügen.

Intelligente Edge-Knoten und Sensor-Plattform

Für die Ziele des IIoT sind intelligentere Sensoren unverzichtbar. Für ein intelligentes Sensordesign können diskrete Sensoren direkt mit Mikrocontroller-E/A-Anschlüssen verbunden werden oder über eine analoge Schnittstelle mit diskreten oder einem analogen Frontend-IC (AFE-IC).

Eine Anwendung, die auf dem Mikrocontroller läuft, übernimmt die Interpretation der Sensordaten, um die unmittelbaren Reaktionen des Sensors zu steuern und die Sensordaten an die Cloud weiterzuleiten.

Denken Sie an die Konstruktion eines intelligenten Temperatursensors, der auf einem Thermoelement wie dem Crouzet 79696034 basiert. Das Niederspannungssignal des Thermoelements muss verstärkt und in ein digitales Abbild verwandelt werden – entweder mit einem diskreten ADC oder mit dem integrierten Wandler eines Mikrocontrollers, falls ein solcher verfügbar ist.

Analog Devices hat mit dem CN0209 ein Referenzdesign für ein komplettes analoges Frontend mit verschiedenen Eingängen wie Spannungsmessung, 4- bis 20-mA-Strommessung und Thermoelementmessung veröffentlicht.

Der Thermoelementeingang nutzt den ADC AD7193 von Analog Devices mit der höchsten Verstärkungseinstellung und den 16-Bit-Temperatursensor-IC ADT7310 für die Bereitstellung der erforderlichen Kaltstellenkompensation durch die Messung der Temperatur an der Stelle, wo die Anschlüsse mit der Karte verbunden sind.

Darüber hinaus stellt der Verstärker AD8617 die Referenzspannung für die Thermoelementmessungen bereit.

Alternativ kann der MAX31850 von Maxim als komplettes Thermoelement-zu-Digital-Frontend mit Kaltstellenkompensation und integrierter Referenzspannungserzeugung eingesetzt werden (Bild 3).

Er verfügt über zwei Thermoelementeingänge und einen digitalen 1-Wire-Ausgang. Der Wandler hat einen VDD-Pin, kann seine Versorgungsspannung aber bei Bedarf auch nur aus der 1-Wire-Verbindung beziehen.

Die einzigen zusätzlich erforderlichen Verbindungen sind die vier Adresspins, die bis zu sechzehn Thermoelemente auf derselben 1-Wire-Datenleitung ermöglichen, die mit dem Digitaleingang eines Mikrocontrollers verbunden werden können.

Um die Entwicklung weiter zu vereinfachen, dient die Evaluierungsplatine 1727 von Adafruit zur Verbindung des MAX31850 mit einem Thermoelement Typ K wie dem Crouzet 79696034. Die Platine verfügt über eine zweipolige Klemmleiste, die ein einfaches Einführen der Thermoelementanschlüsse ermöglicht, einen Datenleitungs-Pull-up-Widerstand, wie für das 1-Wire-Protokoll benötigt, und Pinleisten zum Einstecken in eine Prototypkarte.

Adafruit hat außerdem auf github.com/adafruit Bibliotheken veröffentlicht, die mit dem Datenformat MAX31850 kompatibel sind, inklusive Beispiele. Bild 4 zeigt einen Auszug aus einem Beispielcode für die Einstellung der Sensor-auflösung und die Erfassung von Temperaturdaten.

Die Vorteile eines Wzzard-Mesh-Netzwerks

Viele der Design-Herausforderungen bei der Konstruktion eines intelligenten Sensors lassen sich allerdings ganz vermeiden – mit der Intelligenten Sensorplattform Wzzard von B+B SmartWorx.

Ein Starterkit ist erhältlich (Bild 5), das ein Gateway für die Verbindung mit einem Mobilfunk- oder Ethernet-Netzwerk enthält, und einen Satz intelligenter Edge-Knoten, die Eingänge für verschiedene Wandler wie analoge und digitale Eingänge, Beschleunigungsmesser-Eingang und einen Eingang für ein Thermoelement Typ J oder K bereitstellen.

Verschiedene Methoden zum physischen Anschluss der Sensoren werden unterstützt und jeder Knoten stellt mit einer IEEE 802.15.4e-unterstützenden drahtlosen SmartMeshIP-Netzwerktechnologie eine Verbindung zum Gateway her. Die Kommunikation erfolgt über das MQTT IoT-Protokoll und das Lightweight Open-Standard Datenaustauschformat JSON (JavaScript Object Notation).

MQTT ist ein abgespecktes Maschine-zu-Maschine-Protokoll, das für IoT-Anwendungen viele Vorteile hat, wie geringer Codeumfang, geringer Bandbreitenbedarf und geringer Stromverbrauch. Je nach Abtast- und Berichtsrate des Sensors kann die 2,4-Ah-Batterie, die mit jedem Knoten geliefert wird, bis zu mehrere Jahren halten.

Solange ein paar Grundregeln beachtet werden – zum Beispiel dafür zu sorgen, dass jeder Edge-Knoten in Reichweite von mindestens drei anderen Komponenten ist, und dass mindestens drei „First-Hop“-Komponenten in Reichweite des Gateways sind –, kann das Wzzard-Mesh-Netzwerk selbstkonfigurierend, selbstverwaltend und selbstoptimierend sein.

Unter idealen Bedingungen können die Knoten eine Reichweite von bis zu 1000 Metern und mehr haben. Konfigurationsdaten für individuelle Knoten, zum Beispiel Informationen zur Kalibrierung und Skalierung, Knotennamen und weitere Informationen wie Geolokalisierung können mit einem über Bluetooth LE mit dem Knoten verbundenen Android Smartphone oder Tablet abgerufen werden.

Das Wzzard-Netzwerk kann sofort mit Autodesk SeeControl verbunden werden – einem skalierbaren IoT-Cloud-Abonnementservice, der Abonnenten die Konfiguration von Analysen per Ziehen und Ablegen ermöglicht, um die Sensorinformationen in Business Intelligence zu verwandeln. Wzzard kann auch mit der Anwendungsplattform Bluemix Cloud von IBM verbunden werden.

Fazit: Intelligente Sensoren an der Peripherie des IIoT erfassen Daten, die unverzichtbar sind für das Echtzeit-Management industrieller Anlagen und die Dateneinspeisung in Cloud-Anwendungen, die aus den Daten Informationen für Unternehmensziele auf höheren Ebenen gewinnen.

Intelligente Sensoren können auf verschiedene Weise konstruiert werden, wobei Referenzdesigns genutzt werden können oder integrierte Frontend-Geräte, die sich leicht mit einem Mikrocontroller verbinden lassen, oder aber eine konfigurierbare intelligente Sensorplattform.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal Elektronikpraxis. Verantwortliche Redakteurin: Margit Kuther

* * Nate D. Larson ist Product Manager Semiconductors bei Digi-Key

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