Smarte Sensoren reichen nicht

Klaus-Dieter Walter ist Geschäftsführer der SSV Software Systems GmbH in Hannover, Mitbegründer der M2M Alliance e.V. sowie des VHPready e.V. Er unterstützt seit einigen Jahren auch den Nationalen IT-Gipfel

Der momentane Hype um das Internet der Dinge (Internet of Things = IoT) hat im Konsumerbereich bereits zahlreiche Sensor-basierte Produkte für Monitoringaufgaben hervorgebracht, die zum Teil in großen Stückzahlen produziert und vermarktet werden. Beispiele sind Fitness-Armbänder, Laufschuhe mit integrierten Beschleunigungssensoren, Smart Watches, Personenwaagen mit Internetanbindung, GPS-Tracker für Tiere oder Fahrräder, usw. Selbst ein Zustandsmonitoring für Zierpflanzen per Internet ist verfügbar. Die Monitoringfunktionen dieser Produkte basieren auf Sensoren, die über eine Kommunikationsverbindung mit einer Zusatzsoftware verbunden sind. Im einfachsten Fall ist der Sensor mit einer Smartphone-App, in anderen Anwendungen direkt mit einer Internet-basierten Plattform gekoppelt, um zusätzliche Softwarefunktionen zur Verfügung zu stellen.

Im industriellen Bereich ist man viel vorsichtiger. Gegenwärtig werden hier nur wenige ähnliche Produkte angeboten. Dabei gibt es gerade in diesem Umfeld einen hohen Bedarf für Sensoren, die etwas mehr können als eine physikalische Messgröße in einen 4-20-mA-Strom oder ein digitales Feldbusdatum umzuwandeln. So versucht zum Beispiel der Maschinenbau seinen Kunden seit Jahren ein kostengünstiges Condition Monitoring zu bieten. Bisher scheitern jedoch viele Vorhaben trotz relativ kostengünstiger Sensorik daran, dass das erforderliche Integrations-Engineering kostspielig ist. Der Gesamtaufwand, um aus einem Beschleunigungssensor ein Schwingungsmesssystem mit automatischer Auswertung für einen bestimmten Antrieb zu schaffen, ist noch zu hoch. Mit einem Smart Connected Sensor, der ab Werk bereits mit einer offenen IT-Serviceplattform gekoppelt wäre, sodass „nur noch“ die Software zur Messdatenauswertung hinzugefügt werden müsste, käme man schneller zum Ziel. Außerdem ließe sich per Serviceplattform auch die für Industrie 4.0-konforme Komponenten geforderte Verwaltungsschale realisieren.

Ein Smart Sensor beinhaltet neben der eigentlichen Messgrößenerfassung auch die komplette Signalaufbereitung und Signalverarbeitung im gleichen Gehäuse. Er hat üblicherweise eine digitale Schnittstelle (z. B. Modbus, CAN, Canopen, IO-Link, Ethernet usw.) zur Kommunikation mit übergeordneten Systemen. Auch Varianten mit integriertem Mobilfunkmodem und SMS-Alarmfunktionen sind am Markt zu finden. Für IoT-Anwendungen und Industrie 4.0 reicht ein Smart Sensor allerdings nicht aus. Es fehlt eine IP-fähige Schnittstelle mit umfangreicher Protokollunterstützung und eine zusätzliche Instanz, in der ein Datenabbild (eine sogenannte Virtuelle Repräsentanz) des jeweiligen Sensors gebildet wird. Auf dieses Datenabbild können andere Komponenten einer Systemlösung mittels entsprechender Serviceschnittstellen zugreifen.

Zu einem Smart Connected Sensor (SCS) gehört daher immer eine spezielle Cloud- bzw. Serviceplattform, an die der Sensor Daten weitergeben kann, ohne dass dafür ein zusätzliches Engineering erforderlich wäre. Über die Cloud-Serviceplattform müssen sich Zusatzfunktionen realisieren lassen, zum Beispiel der Abgleich der vom Sensor erhaltenen Messgröße mit einer IT-Datenbank, um die Messgröße in einen Anwendungskontext zu setzen und bei Bedarf einen Alarm oder eine Benachrichtigung zu verschicken. Für die Cloud-Kommunikation benötigt ein SCS daher ein integriertes oder externe Gateway. Diese Funktionseinheit nimmt auf der einen Seite digitalisierte Sensordaten entgegen und kommuniziert auf der anderen Seite mit einer Cloud. Dafür werden zum einen spezielle Protokolle und Datenmodelle benötigt. Zum anderen muss diese Kommunikation recht hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, da das Übermitteln von Sensordaten an eine Serviceplattform ein sicherheitskritischer Vorgang ist.

In der Prozessindustrie gibt es unzählige Behälter für flüssige und gasförmige Hilfs- und Betriebsstoffe. Für praktisch alle Behältnisse existiert eine Füllstandsüberwachung mit unterschiedlichem Automatisierungsgrad. Ob händische Füllstandsbestimmung, elektronischer Peilstab mit digitaler Anzeige oder ein Füllstandssensor mit integrierter Feldbusschnittstelle, vor der Neubefüllung des Behälters erfolgt in der Regel ein mehr oder weniger manueller Bestellvorgang. Dieser verursacht zum Teil unnötige Kosten und – bei verzögerter Bestellung und unerwarteten Lieferzeiten – unter Umständen sogar eine Betriebsunterbrechung. Mit einem Smart Connected Sensor lässt sich der gesamte Überwachungs- und Bestellvorgang vollständig automatisieren.

Das wird an einem Anwendungsbeispiel zur automatischen Füllstandsüberwachung deutlich. Ein geeigneter Sensor wird mit einem Gateway verbunden, um den aktuellen Füllstand bei jeder relevanten Veränderung an einen IT-Server in der Cloud zu übertragen. Die Datenübermittlung erfolgt per REST (Representational State Transfer) oder MQTT (Message Queue Telemetry Transport). Die Füllstandsdaten selbst werden in Form von JSON-Objekten (JSON = JavaScript Object Notation) übermittelt. Da SCS und Cloud per Internet miteinander kommunizieren, muss für eine ausreichende Sicherheit (IT-Security) gesorgt werden. Aus diesem Grund wird die Verbindung per TLS (Transport Layer Security) abgesichert. Dieses vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) empfohlene Verfahren gewährleistet die erforderliche Authentifizierung, Datenintegrität und Vertraulichkeit. REST, MQTT, JSON und TLS sind im Internet der Dinge und in der M2M-Kommunikation weit verbreitete Technologiebausteine, die sich auch in einem SCS-Gateway implementieren lassen. Zahlreiche Cloud-Plattformen, zumindest wenn sie von ihren Anbietern für IoT-Anwendungen vorgesehen sind, unterstützen einen solchen Technologie-Stack ebenfalls.

In der Cloud existiert eine Datenbank (DB) mit vorgegebenen Regelwerken, um die Frage „Bei welchem Füllstand ist was zu tun?“ automatisch zu beantworten und entsprechende Handlungen in die Wege zu leiten, sodass sich Betriebsunterbrechungen vermeiden lassen. Die Regeln werden von einer sogenannten Rule Engine (siehe zum Beispiel If-This-Than-That unter https://ifttt.com/) laufend mit dem jeweils aktuellen Füllstand abgeglichen. Als Folge dieser Auswertungen können zum Beispiel Benachrichtigungen an Mitarbeiter, Servicepartner und sogar automatische Bestellungen zur Neubefüllung eines Behälters an Lieferanten verschickt werden. Dafür wird direkt aus der Cloud heraus eine Angebotsanfrage bzw. Bestellung an die Customer-Relationship-Management- (CRM) bzw. Enterprise-Resource-Planning-Software (ERP) eines Lieferanten gesendet.

Neben der Cloud-Anbindung hat der SCS im genannten Beispiel eine weitere lokale OPC-UA-Schnittstelle und den dafür erforderlichen OPC-UA-Server. Der Füllstandssensor ist ein OPC-UA-Objekt mit eindeutigem Namen. Der jeweils aktuelle Behälterfüllstand steht über dieses Objekt innerhalb des OPC-UA-Serveradressraums für den Zugriff durch einen OPC-UA-Client (zum Beispiel ein Scada-System) zur Verfügung. Da OPC UA als das Protokoll für Industrie 4.0-konforme Baugruppen angesehen wird, wäre der SCS somit auch gleich für Industrie-4.0-Anwendungen geeignet.

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