In Zusammenarbeit zwischen Krieger MIS und Schubert & Salzer Controls Systems GmbH wurde ein Industrial IoT-Modul zur Cloud-Kommunikation entwickelt. Das Modul ermöglicht die Echtzeit-Analyse der wartungsrelevanten Daten hochpräziser Ventil-Stellungsregler. Mit diesem Projekt wurde den Kunden von Schubert & Salzer Control Systems GmbH die Möglichkeit geschaffen Condition Monitoring im Produktionsprozess zu implementieren.
Auftraggeber und Hintergrund
Als stark wachsendes Hightech-Unternehmen entwickelt, fertigt und vertreibt die Schubert & Salzer Control Systems GmbH hochpräzise Regel- und Absperrventile, Stellantriebe und Stellungsregler für den industriellen Einsatz in verfahrenstechnischen Prozessen. Die Ventile finden Anwendung zum Beispiel bei der Herstellung von chemischen und pharmazeutischen Produkten, in der Lebensmittelfabrikation, bei der Getränkeproduktion oder bei der Herstellung von Kunststoffen, Stahl, Papier oder Glas sowie in der Textilindustrie. Überall wo flüssige, dampf- bzw. gasförmige Medien geregelt und abgesperrt werden müssen, sind Ventile von Schubert & Salzer Control Systems GmbH im Einsatz.
Die Aufgabe: Digitale Vernetzung von Ventilen mit einer Cloud
Die Wartungsdaten von im Einsatz befindlichen Stellungsreglern sollen mittels eines Online-Dashboards analysiert werden. Ziel der Datenübertragung ist es die Interpretation zur Verfügung stehender Wartungsdaten möglich zu machen, ebenso wie die zielgerichtete vorbeugende Instandhaltung und das frühzeitige Erkennen von Verschleiß der Komponenten.
Ziel #1: Vernetzte Sensoren: Die einzelnen Ventile sollen untereinander vernetzt werden und jeweils Daten zum aktuellen Zustand und zur Nutzung an eine zentrale Stelle senden. Weitere Informationen zum Thema “Vernetzte Sensoren”
Ziel #2: Condition Monitoring: Ein weiteres Ziel ist es, auf Basis der erhobenen Daten Vorhersagen zu Wartungsintervallen und Ausfallwahrscheinlichkeiten zu generieren. Weitere Informationen zu “Predictive Maintenance und Condition Monitoring”
Die Lösung: Entwicklung eines kundenspezifischen Embedded Systems
Das Projekt wurde entsprechend unseres Rahmenkonzeptes (“In 3 Schritten zum Embedded IoT-System”) in drei Teilschritten unterteilt:
- Anforderungsanalyse
- Konzept- und Strategieentwicklung inkl. Proof-of-Concept
- Produktentwicklung
In mehreren Sprints und diversen Workshops wurden die Vorgaben und Fortschritte jeweils regelmäßig it dem Kunden abgeglichen und die nächsten Schritte abgesprochen.
Im ersten Schritt wurde eine detaillierte Anforderungsanalyse durchgeführt. Dabei wurden wichtige Rahmenparameter festgelegt, z.B.:
- Grundlegende Datenkonzepte, Datenfluss, Datensicherheit
- Anzahl und Abstand der Ventile
- Installationsumgebung (Potenzielle Störquellen und andere Gegebenheiten vor Ort)
- Kosten- und Budgetrahmen
In Schritt 2 wurde eine konkrete Lösungsstrategie konzeptionell entwickelt und mithilfe eines Proof-of-Concepts getestet. Im Rahmen dieser Entwicklungsphase wurden u.a. folgende Fragestellungen bearbeitet:
- Welche Funktechnik ist im vorliegenden Fall am besten?
Bluetooth Mesh, ZigBee, Thread oder NB-IoT / LTE-M? - Welche Netzwerktopologie ist im aktuellen Fall zu wählen?
Beispiel: Horizontale und Vertikale Netzstruktur (Topologie) - Welches Netzwerkprotokoll ist für den vorliegenden Fall am besten geeignet?
Zum Beispiel: MQTT, LwM2M, HTTP
Im konkreten Fall der Schubert & Salzer Control Systems GmbH fiel die Entscheidung auf eine vertikale Netzwerktopologie mit Mobilfunktechnologie (NB-IoT/LTE-M). Als Protokoll kommt MQTT zu Einsatz. Das Proof-of-Concept konnte mithilfe der IO:EdgeConnectBox kostengünstig und mit minimalem Aufwand in einem realen Anwendungsfall durchgeführt werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse gingen maßgeblich in die weitere Produktentwicklung mit ein.
Im dritten Schritt wurde die Entwicklung eines serienreifen Produktes begleitet. Dabei ging es im Wesentlichen um Anpassungen aufgrund der Vorgaben der Gehäuseabmessungen (Antennenanpassungen) sowie dem optimalen Aufbau eines Dashboards.
Auch Anpassung der Elektronik aufgrund vorhandener kundenspezifischer Vorgaben standen auf dem Programm. Dabei wurden die tatsächlich notwendigen Features der IO:EdgeConnectBox innerhalb einer neuen kundenspezifischen Elektronikeinheit realisiert. Dieses IIoT-Modul wird dann von der Hauptsteuereinheit bei Bedarf aktiviert und für die Cloud-Kommunikation genutzt. Diese findet natürlich über eine sichere (TLS-verschlüsselte) Verbindung statt.
In einem virtuellen Dashboard laufen nun alle Daten der vernetzten Regelventile zusammen und werden übersichtlich dargestellt. Neben der Echtzeitkommunikation über alle einzelnen Ventile liefert das System auch die Datenbasis zur späteren Vorhersage von notwendigen Wartungsintervallen. Damit konnten alle Zielvorgaben erfolgreich erfüllt werden.
Kundenstimme:
C. Lukasik, Entwicklungsleiter bei Schubert & Salzer Control Systems GmbH:
„Krieger MIS hat uns während der gesamten Projektlaufzeit fachlich kompetent unterstützt. Besonders schätzen wir das partnerschaftliche Verhältnis auf Augenhöhe.“
