Das Internet der Dinge (IoT/IIoT) revolutioniert die Industrie, indem es Maschinen, Geräte und Anlagen intelligenter macht und die Interaktion mit ihnen vereinfacht. In diesem Zusammenhang spielen IoT-Sensoren eine entscheidende Rolle. Schließlich sammeln sie kontinuierlich Informationen und Messwerte, die fundierte Entscheidungen zur Prozesssteuerung und -optimierung in industriellen Umgebungen ermöglichen. Erfahren Sie mehr im nachfolgenden FAQ-Text!
Das Internet der Dinge (IoT) und das Industrielle Internet der Dinge (IIoT) sind verwandte Konzepte, die sich in ihren Anwendungsgebieten, Anforderungen und Auswirkungen allerdings etwas unterscheiden. Während das IoT darauf abzielt, das alltägliche Leben und den Komfort zu verbessern, konzentriert sich das IIoT auf die Steigerung der Betriebseffizienz und die Minimierung von Ausfallzeiten. Das IoT bezieht sich also auf eine breite Palette von Anwendungen im Privatbereich, wohingegen sich das IIoT speziell auf industrielle Anwendungen wie z. B. Fertigungsautomatisierung, prädiktive Wartung oder Lieferkettenoptimierung fokussiert.
Industrielle IoT-Sensoren oder auch Industrie 4.0-Sensoren wurden im Vergleich zu herkömmlicher Sensorik speziell für die M2M-Kommunikation und die Anforderungen des Industriellen Internets der Dinge (IIoT) entwickelt. Als digitale Sensoren erfassen sie nicht nur physikalische Messgrößen, sondern übertragen diese zugleich in Echtzeit zur Weiterverarbeitung an übergeordnete Automatisierungs- und Prozessleitsysteme. Sie sind geeignet für eine Vielzahl von Branchen und Anwendungen.
IoT-Sensoren funktionieren durch das Zusammenspiel von Datenerfassung und Sensorkommunikation. Nach der Messung werden die physikalischen Daten in ein maschinenlesbares Signal umgewandelt und in Echtzeit an andere Komponenten eines industriellen Netzwerks übertragen, wie z. B. Automatisierungs-, Cloud- oder SCADA-Systeme. Die Kommunikation kann in Abhängigkeit von der spezifischen industriellen Anwendung über Ethernet/Single Pair Ethernet (SPE), IO-Link oder drahtlose Technologien wie Wi-Fi, LoRaWAN, Mioty oder 5G erfolgen.
IoT-Sensoren ermöglichen die Echtzeitüberwachung und -steuerung von Geräten und Systemen, was besonders wichtig für Branchen und Anwendungen ist, in denen schnelle, datengesteuerte Entscheidungen unerlässlich sind. Außerdem erleichtern sie die Automatisierung von Routineaufgaben, steigern die Prozesseffizienz und unterstützen Anwendungen, die mit klassischer Sensorik nicht möglich oder nur schwer realisierbar sind. Durch vorausschauende Wartung können Ausfälle vermieden und die Lebensdauer von Anlagen verlängert werden.
IoT-Sensoren sind für unterschiedliche Anwendungen und eine Vielzahl an Messgrößen erhältlich. Im industriellen Bereich kommen hauptsächlich Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren, Drucksensoren, Durchflusssensoren, Flüssigkeitssensoren, Füllstandsensoren und Gassensoren zum Einsatz. So werden IoT-Sensoren u. a. in der Fertigungs- und Prozessindustrie zur Automatisierung von Prozessen, im Agrarwesen zur Überwachung von Gewächshäusern und in Aquakulturen zur Sicherstellung der Wasserqualität implementiert.
Durch ihre Fähigkeit, präzise Daten in Echtzeit zu liefern, ermöglichen IoT-Sensoren eine kontinuierliche Überwachung des Energieverbrauchs von Maschinen und Anlagen. Energieverbrauchsmuster werden erkannt und ineffiziente Geräte oder Prozesse identifiziert. Durch geeignete Gegenmaßnahmen kann langfristig der Energieverbrauch gesenkt werden.
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Neben der Energiebilanz profitiert auch das Ressourcenmanagement von moderner IoT-Sensorik. So erlauben die innovativen Sensoren eine passgenaue Bewässerung und Düngung in der Landwirtschaft, sodass Wasserverschwendung und Überdüngung vermieden werden. Gleiches gilt für Ausschüsse in der Fertigungsindustrie, die durch eine genauere Überwachung von Produktionslinien minimiert werden. Darüber hinaus werden Stillstandzeiten durch ein effektives Bestandsmanagement von Vorratsbehältern für Flüssigkeiten und industrielle Gase vermieden und eine kostenoptimierte Routenplanung ermöglicht.
IoT-Sensoren können zur Verbesserung der Sicherheit in industriellen Umgebungen beitragen. Schließlich wird das frühzeitige Erkennen potenzieller Sicherheitsrisiken durch die kontinuierliche Überwachung von Maschinen und Anlagen erleichtert. Durch verschiedene Arten von Sensoren können beispielsweise Temperatur- oder Druckabweichungen erfasst werden, die auf einen bevorstehenden Ausfall oder eine gefährliche Situation hinweisen. Dies ermöglicht proaktive Maßnahmen zur Vermeidung von Unfällen und zur Gewährleistung der Sicherheit von Mitarbeitern und Anlagen.
SPE bietet IoT-Sensoren gleich mehrere wichtige Vorteile. Dazu zählen:
SPE verwendet im Gegensatz zu den traditionellen 4 oder 8 Drähten nur ein Paar Kupferdrähte für die Datenübertragung. Diese Reduktion vereinfacht die Verkabelung und Installation, was zu geringeren Material- und Arbeitskosten führt.
Durch die reduzierte Verkabelung sind SPE-Sensoren leichter und kompakter als herkömmliche Sensoren. Sie eignen sich daher hervorrragend für den Einsatz in dicht gepackten industriellen Umgebungen.
SPE unterstützt Power over Data Line (PoDL) und sendet Strom und Daten über dasselbe Kabel. Dies vereinfacht das Design von IoT-Sensoranwendungen, indem es die Notwendigkeit für separate Stromversorgungsleitungen eliminiert.
SPE kann Daten über längere Distanzen übertragen als herkömmliche Ethernet-Lösungen. Mit Reichweiten von bis zu 1 000 m bietet es eine erhebliche Verbesserung gegenüber den früher üblichen 100 m. Dies ist besonders nützlich für großflächige industrielle Anlagen oder verteilte Systeme.
Single Pair Ethernet unterstützt hohe Datenübertragungsraten, die bis zu 10 Gbit/s betragen können. Dadurch lassen sich Anwendungen mit hohen Bandbreiten abdecken wie z. B. die präzise Steuerung und Überwachung komplexer Regelkreise in der Prozessautomatisierung.
SPE ermöglicht eine direkte Sensor-Anbindung an Cloud-Systeme; zusätzliche Edge-Gateways sind nicht erforderlich.
SPE ist gegenüber Störungen und Umwelteinflüssen widerstandsfähig und für den Einsatz in rauen Umgebungen konzipiert. Diese Robustheit macht die Technologie ideal für Anwendungen, die starken Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.
Die wachsende Akzeptanz von SPE als Standard für industrielle Kommunikation fördert die Interoperabilität zwischen verschiedenen Geräten und Systemen. Dadurch wird die Integration von IoT-Sensoren in bestehende Netzwerke und Systeme vereinfacht.
Als intelligentes Kommunikationsprotokoll ermöglicht IO-Link eine nahtlose Anbindung an industrielle Netzwerke und IIoT-Umgebungen. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen:
IO-Link ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation zwischen Sensoren/Aktoren und Steuerungssystemen. Dies bedeutet, dass nicht nur Daten von den Geräten zur Steuerung gesendet werden, sondern auch Steuerbefehle und Konfigurationsdaten an die Geräte zurückgesendet werden können. Diese digitale Kommunikation verbessert die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit von Automatisierungssystemen, da Geräte schnell und einfach neu konfiguriert werden können, um sich ändernden Anforderungen gerecht zu werden.
Bei der IO-Link-Kommunikation werden Diagnose- und andere Metadaten (Herstellerinformationen, Softwarestand, usw.) übertragen, die für die Predictive Maintenance entscheidend sind. Durch die kontinuierliche Überwachung von Gerätezuständen und die Analyse von Diagnosedaten können potenzielle Probleme frühzeitig erkannt und behoben werden, bevor sie zu Ausfällen führen. Dies erhöht die Anlagenverfügbarkeit und reduziert Wartungskosten, da Wartungsmaßnahmen gezielt und bedarfsgerecht durchgeführt werden können.
Über IO-Link Master mit Cloud-Schnittstelle oder entsprechende Gateways lassen sich IO-Link-Geräte direkt mit Cloud-Plattformen verbinden. So können Sensordaten zentral gesammelt, analysiert und visualisiert werden – ein entscheidender Baustein für IIoT-Anwendungen. Unternehmen profitieren von höherer Transparenz, effizienteren Prozessen, datenbasierten Entscheidungen und erweiterten Möglichkeiten zur Fernüberwachung und -steuerung.
IO-Link ist ein internationaler Standard nach der Norm IEC 61131-9. Das bedeutet, dass Anwender die Geräte verschiedenster Hersteller problemlos über eine einheitliche Infrastruktur konfigurieren und betreiben können. So können gegenüber proprietären Lösungen Einarbeitungs-, Inbetriebnahme- und Bedienzeiten optimiert werden.
Künstliche Intelligenz spielt eine entscheidende Rolle für die effektive Nutzung von Industrie 4.0-Sensoren. Schließlich werden die gesammelten Sensordaten durch KI-Annotation mit informativen Labels versehen, die bestimmte Merkmale oder Bedingungen in den Daten beschreiben. Dadurch können KI-Systeme aus den Daten lernen und Muster erkennen.
Darüber hinaus können durch ein genaues KI-Labeling Fehler, Inkonsistenzen und Unklarheiten in den Daten identifiziert und korrigiert werden, was zu präziseren und zuverlässigeren Messwerten führt.
Der Einsatz von Sensoren hängt von den Anforderungen bzw. den verschiedenen Eigenschaften in Anwendungen ab. So sind SPE-Sensoren mit Power over Data Line (PoDL) ideal, um Ethernet-Verbindungen auf Distanzen von bis zu 1000 Metern umzusetzen, wie es beispielsweise in der Klimaüberwachung großer Lagerhallen oder Gewächshäuser der Fall sein kann.
IO-Link hingegen erleichtert durch die flexible Integration und schnelle Konfiguration von Sensoren und Aktoren die Anpassung an sich ändernde Produktionsanforderungen und erhöht die Effizienz von Produktionslinien. In der Chemie- und Pharmaindustrie unterstützt IO-Link die präzise Überwachung und Steuerung von Prozessen durch die Bereitstellung detaillierter Diagnosedaten, was die Wartung vereinfacht und die Prozesssicherheit verbessert.
Bei Bedarf sollte bei der Auswahl der passenden Sensorik ein Spezialist aus dem Gebiet der Sensortechnologie zu Rate gezogen werden. Dies gilt besonders für komplexe Anforderungen, die durch handelsübliche Industrie 4.0-Sensoren nur unzureichend erfüllt werden können.
