Messdatenerfassung: In nur 7 Schritten digitalisiert

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KI, Industrie 4.0 und Smart City: Der aktuelle Weg führt zur kompletten Digitalisierung – auch bei der Messdatenerfassung und -aufbereitung. Doch wie gelangt der Anwender konkret auf diesen Weg?

Messdatenerfassung 2.0: Der Weg zur Digitalisierung beginnt mit der Datenerfassung, meist durch Sensoren. Auch Drucksensoren erfassen dazu Messwerte an Maschinen, Tanks und in Flüssen. Ermittelt werden etwa Füllstände und Pegel – in der Regel in Form von Zuständen.

Messdatenerfassung und Digitalisierung

Die gemessenen „Objekte“ sind über die Sensorik mit dem Internet verbunden, speichern so ihre Daten in einer Cloud und die Datenübertragung erfolgt meist kabellos per Funkübertragung. Dazu dienen Techniken wie LoRaWAN oder Mobilfunk. Abrufbar sind die Daten schlussendlich auf allen möglichen Endgeräten wie PC, Tablett oder Mobiltelefon. Diese ganze Internetumgebung von und mit Objekten nennt sich Internet of Things (IoT).

IoT-Leistungen vom Messtechnik-Hersteller

Praktisch ist, wenn sich bereits der Sensorik-Lieferant über die Lösung eines IoT-Messsystems Gedanken macht. Beispielsweise hat die Keller AG für Druckmesstechnik eine solche Messlösung entwickelt, die es dem Anwender erlaubt, ohne großen Aufwand mit der Digitalisierung zu starten. Dabei muss dieser keine Software- oder Hardwarelösungen selbst erstellen. Er kann auf eine funktionierende und erprobte Messdatenerfassung zurückgreifen.

Ein solches Messsystem ist so ausgelegt, dass jeder Teil der Messkette eine definierte Schnittstelle hat. Dank einer offenen und gut dokumentierten Cloud-Schnittstelle kann der Nutzer die Messdatenverarbeitung einfach in sein eigenes IT-System einbinden und so genau an dem Punkt starten, wo sich die größten Vorteile der Digitalisierung aufzeigen. Keller legt bei seinem System alle Schnittstellen offen, damit der Anwender für die Realisierung frei wählen kann, ob er das ganze System aufbauen möchte – oder bei Bedarf nur Teile davon.

Wie tief die vertikale Integration reicht, entscheidet der Anwender abhängig vom Kosten-Nutzen-Verhältnis. Die tiefste Integrationsstufe ist die Definition des Signals am Drucksensor. Die Signale werden durch eine elektronische Schaltung aufbereitet und digitalisiert. Nebst dem Druck und der Temperatur sind weitere Informationen vom Drucksensor nutzbar.

Sensor als essentielle Komponente

Vielfach wird die Wichtigkeit eines genauen, stabilen und zuverlässigen Sensors zur Messdatenerfassung unterschätzt. Dabei ist es der Sensor, der die Daten erfasst, auf deren Basis Entscheidungen getroffen werden wie „Maschine ausschalten“, „Tank auffüllen“, „Grundwasserförderung abschalten – Pegel erreicht kritischen Stand“, „Wasserpegel zu hoch – Hochwasser- oder Flut-Alarm auslösen“.

Der Sensor, der am Anfang der gesamten Messkette steht, hat also den größten Einfluss auf die Qualität des kompletten Systems.

Wichtig ist zudem, für die jeweilige Anwendung und Anforderung spezifisch entwickelte und erprobte Aufnehmer zu nutzen. Für die Verwendung von Drucktransmittern mit eigener Hardware zum Übertragen der gemessenen Daten stellt Keller die Kommunikationsprotokolle für die Schnittstellen RS485 oder I2C zur Verfügung. Bei Anwendungen, bei denen ein Drucksensor ohne genormtes Ausgangssignal eingesetzt werden soll, werden die Kalibrationsdaten zum Sensor mitgeliefert.

Messdatenerfassung: Daten weitergeben

Ein anderer wichtiger Teil bei der Digitalisierung ist die Weitergabe der erfassten Daten. Oft sind die Sensoren an Orten in großer Distanz zur zentralen Sammel- und Auswertungsstelle angebracht und/oder es ist kein vorhandenes Kommunikationsnetz nutzbar.

In solchen Fällen lässt sich über das Internet der Dinge (IoT) Sensordaten weltweit in einem System (Cloud) zusammenführen. Voraussetzung dafür ist, dass das Gerät, die Maschine und/oder der Sensor einen Zugang zum Internet hat. Keller setzt dabei auf autark arbeitende, batteriebetriebene IoT-Geräte, die Daten über verschiedene Funkschnittstellen übertragen.

Ein Vorteil dieser Geräte ist, dass sie ohne großen Aufwand installiert werden können, da sich einerseits eine Verkabelung erübrigt und andererseits die Messgeräte nicht in ein Firmenkommunikationsnetz eingebunden werden müssen. Damit die Standzeit der Geräte – vorwiegend begrenzt durch die Batterielaufzeit – mehrere Jahre betragen kann, kommen nebst einer intelligenten, stromsparenden Elektronik standardisierte Funktechniken (LoRaWAN, Mobilfunk wie 2G, 3G, 4G, NB-IoT, LTE-M) mit wenig Energieverbrauch und großer Sendereichweite von bis zu 15 Kilometern und mehr zum Einsatz. Ob LoRaWAN oder Mobilfunk zur Anwendung kommt, hängt von den Bedürfnissen der Datenerfassung, oder von der vor Ort vorhandenen Art der Funkabdeckung ab.

Der Datenaustausch kann in beiden Funksystemen bidirektional erfolgen. Das bedeutet, dass nicht nur Messwerte vom Messpunkt zur zentralen Sammelstelle (Cloud) gesendet werden können, sondern es kann auch von der zentralen Sammelstelle zu jedem Messpunkt kommuniziert werden. Die Kommunikation zum Gerät wird für Konfigurationsmeldungen genutzt, die zum Beispiel aus der Ferne ein Messintervall verändern. Die Kommunikationsschnittstellen sind dazu gut dokumentiert und es ist Software-Beispielscode für die Integration in die eigene Anwendung vorhanden.

Die Daten werden bei LoRaWAN und Mobilfunk verschlüsselt übertragen, vom Messpunkt bis zur Cloud. Dabei werden aktuelle kryptographische Verfahren benutzt. Die Verschlüsselung kann bei Mobilfunk durch den höheren Datendurchsatz und die wählbaren Verschlüsselungsarten stärker sein.

Das Cloud-System bei der Messdatenerfassung

Als Cloud-System bietet Keller die Kolibri Cloud an. Diese liefert einen Zugriff auf die Messdaten mit persönlichem Login und SSL-Verschlüsselung. Durch ein entsprechende WebApp stehen sie ohne Einrichten und Warten einer Datenbank zur Verfügung. Sie lassen sich in Grafiken visualisieren und über Exportfunktionen im Excel- und CSV-Format herunterladen. Mittels eines integrierten Alarmsystem kann der Anwender sich beispielsweise bei einem erhöhten Wasserpegel oder bei niedrigen Batteriestand eine Warnung per E-Mail senden lassen.

Die Softwareschnittstelle der Cloud erlaubt das Abrufen von Messwerten von anderen Softwaresystemen aus via https in einem standardisierten Json-Format. Dadurch lassen sich die Daten fortlaufend in das eigene Softwaresystem überführen und Abläufe effizienter gestalten, womit das Ziel der Digitalisierung mit IoT erreicht ist.

Eigenschaften der Funkübertragungen

LoRaWAN-Übertragung

• Datenaustausch über Gateways über das Internet mit dem Netzwerkserver. Die Messdaten werden vom Netzwerkserver an die Cloud weitergeleitet oder die Anwendung greift auf die Daten des Netzwerkservers zu.

• Übertragung einzelner Messwerte erfolgt im kleinsten Intervall von etwa 10 Minuten und normalerweise ohne Rückbestätigung, ob sie erfolgreich war.

• Nutzt öffentliche Netzwerke (oft von Mobilfunkanbietern), private Netzwerke (eine Stadt erstellt ihr eigenes Netzwerk) oder durch ein offenes Netzwerk wie zum Beispiel TTN (The Things Network).

• Betrieb ohne SIM-Karte über eine lizenzfreie Funkfrequenz (jeder kann ein eigenes Funksystem aufbauen).

• Übertragungsdistanzen von bis zu 15 Kilometern oder mehr, je nach Bedingungen vor Ort aber (noch) kein weltweites Funknetz vorhanden.

Mobilfunk (2G 3G 4G / NB-IoT LTE-M)

• Der Datenaustausch erfolgt über standardisierte Verfahren wie FTP oder E-Mail zur Cloud, dabei spielt es keine Rolle welche Technologie (2G 3G 4G / NB-IoT LTE-M) benutz wird. Es können viele Messwerte in einem kleinen Intervall (eine Minute) erfasst werden. Die Übertragung erfolgt meist in Datenpaketen, die mehrere Messwerte enthalten.

• Übertragung immer mit Rückbestätigung und ausschließlich über Netzwerke der Mobilfunkanbieter.

• Betrieb mit einer SIM-Karte über lizenzierte Funkfrequenzen. Nur Mobilfunkanbieter dürfen diese Funknetze betreiben.

• Weltweites Kommunikationssystem.

Schritte in die Digitalisierung

1. Datenerfassungspunkte/Messstellen für einen Proof of Concept (POC) definieren.

2. Geeignete Drucktransmitter anhand der Anforderungen wie Genauigkeit, Medienverträglichkeit und weiteren Randbedingungen definieren.

3. Übertragungstechnologie LoRaWAN oder Mobilfunk auswählen.

4. Messpunkte mit Hilfe einer grafischen Aufbereitung in einer Cloud einige Wochen betreiben und intensiv überwachen.

5. Erweitern des Messsystems (POC) mit weiteren eventuell technisch kritischen Messpunkten und intensive Überwachung von allfälligen Unstimmigkeiten.

6. Automatisierte Datensynchronisierung zwischen dem Messsystem und der firmeneigenen Cloud.

7. Komplette vertikale Integration.

Der Autor Marcel Gautschi ist Leiter Geräte-Entwicklung bei der Keller AG für Druckmesstechnik.

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