Funkstandards bei IoT / IIoT Technologien für Industrie 4.0

Bei der Anbindung von Messmitteln an eine IIoT Industrie 4.0 Infrastruktur stellt sich immer wieder die Frage, auf welchen Funkstandard man setzen kann, soll, muss oder darf. Inzwischen bewerben sich viele verschiedene Protokolle oder Standards wie WLAN / Wi-FI, Bluetooth, Ant+ oder ZigBee um den Einsatz in der Fabrikhalle oder Fertigung.

Mit einem Vergleich und einer Gegenüberstellung der verschiedenen Funksysteme mit industrieller Eignung versuchen wir etwas Licht in dieses Thema zu bringen.

Wir sind ein Hersteller von WLAN-Modulen für die Messtechnik und sicherlich keine wissenschaftlichen Nachrichtentechniker. Aber gerade dies ermöglicht uns einen praxisorientierten Blick auf die Thematik welchen wir durch unsere langjährige Erfahrung in der Zusammenarbeit mit unseren Industriekunden verfestigen konnten.

Sie können unseren Artikel zu Funkstandards bei IoT / IIoT Technologien für Industrie 4.0 hier lesen oder downloaden.

Rechtliches

Einige Namen in diesem Text können Urheberrechtlich geschützt sein.
Bluetooth ist eine eingetragene Marke der Bluetooth SIG, Inc.
ANT+ ist ein eingetragene Marke der ANT Alliance bzw. Garmin.
Zigbee ist eine eingetragene Marke der Zigbee Alliance, USA.
Wi-Fi ist eine eingetragene Marke der Wi-Fi Alliance.
Wir weisen darauf hin, dass wir keine Rechte an diesen Namen haben oder beanspruchen, diese Namen nur redaktionell zur Erklärung verwenden und keine Verbindung zu den Firmen mit den Namensrechten haben.

WLAN Modul für Bügelmessschrauben

Geeignet für digitale Bügelmessschrauben mit Digimatic-Datenausgang (z.B. Mitutoyo Bügelmessschrauben)

Es war nur eine Frage der Zeit:
Nachdem wir der erste und – unseres Wissens nach – einzige Hersteller eines WLAN-Funkmodul für Messuhren und Messschieber sind ist es nicht mehr als konsequent auch die bekannten und präzisen Mitutoyo Bügelmessschrauben mit einer Wireless-Funktion durch unser WLAN-Modul auszustatten. Wie unsere anderen Module unterstützt dieses Funkmodul MQTT als IIoT Standard und kann einfach und zuverlässig in eine MQTT Infrastruktur eingebunden werden.
Die Funktionen sind identisch zum Funk-Modul für die Messuhr:

  • Genaue und sichere Übertragung der Messwerte per Funk auch über große Distanzen in schwierigem Umfeld.
  • Echtes IoT durch Übertragung per TCP/IP direkt im Netzwerk.
  • Keine Kopplung wie bei Bluetooth Funkmodulen notwendig.
  • Sichere Anmeldung an einem WLAN/WiFi Netzwerk über WPA2/PSK.
  • Auslösung der Messungen per Funk über eine Fernauslösung (MQTT-Protokoll) oder über die Multi-Funktionstaste direkt am Modul an der Bügelmessschraube.
  • Überwachung des Akku-Ladestandes des Funkmoduls über MQTT.
  • Multi-Funktions-LED am Sendemodul zur Überwachung und Kontrolle der Modulzustands und der Signalübertragung der Funkeinheit.

Montage

Das Modul wird direkt an der Messschraube angebracht.
Ein eingebauter Lithium-Polymer Akku versorgt entweder nur das Modul oder optional auch die Bügelmessschraube mit Energie.
Die Akku-Kapazität reicht für bis zu 1000 Messungen aus.
In den Messpausen wird die Messgerät-Modul-Kombination einfach in der mitgelieferten Ladeeinrichtung abgelegt.

Über 2 Goldkontakte an der Unterseite des Module wird das Modul kontinuierlich geladen um jederzeit mit vollem Akku wieder Einsatzbereit zu sein.
Zusätzlich kann für einen dauerhaften Betrieb ohne Ladeschale die Funk-Einheit mit einem Magnetladekabel aufgeladen werden.

Die Messuhr mit Ladestation wird in der eigens dafür entwickelten maßgeschneiderten Aufbewahrungsbox ausgeliefert.

Ladestation

Die Ladestation ermöglicht neben dem Laden des eingebauten Lithium-Ionen Akkus auch die sichere und stabile Ablage der Messschraube mit Funkmodul. Die Ladestation kann direkt über ein USB (Mini- oder Micro-USB) Kabel mit dem mitgelieferten Netzteil verbunden werden oder an eine andere beliebige 5V Spannungsversorgung angeschlossen werden. Optional ist ein Magnetladekabel verfügbar um das WLAN-Modul der Bügelmessschraube auch in eingebauter oder eingespannter Messsituation mit Strom zu versorgen.

Bild der WLAN-Messschrauben-Ladestation, montiert auf einem Lochblech
Ablage der WLAN-Funk-Bügelmessschraube mit Ladefunktion über USB

Rechtliches

Mitutoyo und Digimatic sind vermutlich eingetragene Warenzeichen von Mitutoyo. Wir verwenden diese Bezeichnungen hier zur Erklärung des IoT Moduls (der Hardware und Software). Wir stehen in keiner Verbindung zu Mitutoyo – setzen aber sehr gerne und wo immer möglich deren gute und zuverlässigen Messuhren ein.
Die Angaben über Mitutoyo Produkte sind ohne Gewähr. Im Zweifel bitte direkt bei Mitotoyo nachfragen oder direkt an der Messuhr oder am Messschieber nachsehen: Ein Digimatic Datenausgang kann an den 5 Goldkontaktflächen unter der Abdeckung oder an der Goldkontaktfläche am Boden der Buchse (Coolant Proof Modelle) erkannt werden.

Kontakt

rAAAreware GmbH – Steigerweg 49 – D-69115 Heidelberg – tel 06221 136 110 – e-mail: info@raaareware.de

Einleitung und Zielsetzung

Wir betreiben Produktentwicklung und Fertigung als kleines Unternehmen. Dies ist in der heutigen Zeit vielleicht exotisch, denn klassische Produktentwicklung bedeutet hohe Entwicklungskosten für die erforderlichen Komponenten.
Für unsere industriellen IoT Produkte im Bereich der Messtechnik mit IIoT-Sensoren und IIoT-Aktoren benötigen wir die Komponenten [Gehäuse], die [Elektronik] und die [Software]. Alle diese Grundkomponenten zu Entwickeln ist entweder nur bei sehr großen Stückzahlen oder bei einem sehr hohen Produktpreis wirtschaftlich.
Deshalb versucht eine Produktionsfirma für industrielle Komponenten diese 2 Parameter zu optimieren:

  • Fertigung möglichst hoher Stückzahlen eines einzelnen Produktes
  • Möglichst lange Produktzyklen

Genau dies machen wir anders – uns wir erklären auch gerne das wie und warum:

Messuhr Konstruktionszeichnung in 3d-Ansicht

Agile Produktentwicklung

Wir kommen aus der Softwareentwicklung.
Hier war es vor langer Zeit auch so, dass die Produktzyklen sehr lange sind.
Eine Software war eine sehr langfristige Investition.
Entsprechend war ein ähnliches klassisches Vorgehen angebracht.
Bei der Entwicklung von Software hat hier in den letzten Jahren ein Umdenken stattgefunden.
Das klassische Wasserfallmodell findet nicht mehr überall Anwendung.
In vielen Bereichen wird Software als ein dynamischer und flexibler Prozess verstanden.
Die agile Softwareentwicklung hat sich hier zumindest für einige Bereiche durchgesetzt – sicherlich auch mit dem einen oder anderen Nachteil.
Unter Betrachtung der sich daraus jedoch auch ergebenden Vorteile haben wir unsere Produktentwicklung auf eine agile Entwicklung abgestimmt.

Zeigt den Kreislauf einer agilen Entwicklung mit den einzelnen Entwicklungsschritten

Prinzip einer agilen Vorgehensweise

Dies bedeutet im auf ein Produkt übertragenen konkreten Fall:

  • Alle Gehäuse werden auf 3D Druckern gedruckt.
    Der Preis für ein Gehäuse vervielfacht sich dadurch zwar vom Cent-Bereich auf vielleicht einen Euro.
    Es liefert jedoch dafür den Vorteil, jederzeit Verbesserungen und Weiterentwicklungen am Gehäuse und Aufbau vornehmen zu können.
    Weiter können spezifische Kundenwünsche unkompliziert und schnell umgesetzt werden.
  • Als Elektronik-Bauteile werden nur Standard-Komponenten eingesetzt.
    Dies stellt auch bei kleinen Losgrößen und dynamischer Entwicklung sicher, dass eine lange und sichere Ersatzteilversorgung gewährleistet ist.

  • Die Software der Komponenten wird konsequent agil umgesetzt.
    Es werden wo möglich Standards mit Standard-Bibliotheken eingesetzt.
    Die Build-Prozesse sind automatisiert und Toolchains erstellen einfach und schnell neue Versionsstände.
    Neue Versionen können auf Wunsch und bei Bedarf einfach direkt aus der Ferne installiert werden.

Über alle Bereiche hinweg wird eine Dokumentation und Versionierung in hoher Präzision umgesetzt.
Dadurch ist es auch bei vielen Produktvarianten sicher möglich, jeden einzelnen Versionsstand zu reproduzieren und nachvollziehen zu können.

Dies alles vereint bedeutet ein leistungsfähiges Produkt in kleinen Stückzahlen zu vermarkten und mit kurzen Produktzyklen Innovationen sehr schnell in die Produktion einfliesen zu lassen.

Weiter lassen sich individuelle Kundenwünsche sehr einfach und zielgerichtet realisieren.
Dies beginnt bei Farbe und Material für das Produktgehäuse und endet bei eigenen Funktionen oder Schnittstellen in der Software.

Unsere Grundsätze

Unsere Produktentwicklung folgt weiteren wichtigen Grundsätzen um ein zuverlässiges und langlebiges Produkt für die Messtechnik zu erstellen.

Einfachheit

So einfach wie möglich. So komplex wie nötig.
Wir erleben es häufig in Projekten, dass Dinge unnötig kompliziert gemacht werden.
Dies versuchen wir mit unseren Entwicklungen zu vermeiden.

Modularität

Eine Veringerung der Komplexität führt unweigerlich zu einer Modularisierung.
Komplexe Themen werden so lange in kleinere Module geteilt, bis jedes für sich einfach zu lösen ist.
Dies führt zu einer einfachere Realisierung und dadurch zu geringeren Kosten.
So einfach ist es.
Durch die Modularität wird das gesamte Implementationsrisiko auf eigene Unterbereiche aufgeteilt.

Eigenständigkeit / Autark

Durch die Eigenständigkeit, also die Vermeidung von unnötigen Abhängigkeiten, wird das gesamte Ausfallrisiko verringert.
Vor allem negative (Seiten-)effekte durch abhängige Module dürfen das eigentliche Modul nicht beeinträchtigen.

Wiederverwendbarkeit / Reusability

Unabhängige und eigenständige Module ermöglichen eine hohe Wiederverwendung einzelner Elemente.
Auch dies spart Kosten und ermöglicht eine preisgünstige Produktentwicklung.

Testbarkeit / Validierbarkeit

Eine dokumentierte Test- und Validierbarkeit eines Systems ist inzwischen Standard und ermöglicht eine kontinuierliche und hohe Gesamtqualität des Produkts.
Modularität ermöglicht deutlich einfachere Modultests.
Gerade bei schnellen Produktzyklen sind automatisierte Tests sinnvoll und notwendig.

Simulationfähigkeit

Eine gute Simulationsfähigkeit der Produktumgebung ist zwingend für Leistungstests, Skalierungstests und Langzeittests.
Deshalb wird die Simulation von Anwendungsfällen von Anfang an mit eingeplant und umgesetzt. Bei Dienstleistungen für die Industrie ist es selten möglich eine reale Produktionsanlage in einem Entwicklungsbereich umzusetzen. Um trotzdem jede Komponente einer Anlage testen zu können ist es unabdingbar, die anderen Komponenten der Anlage soweit möglich zu simulieren.

Offenheit

Die Mindestanforderung einer Produktentwicklung sind offene Schnittstellen.
Diese Offenheit bietet Flexibilität in der Anwendung unserer Produkte und bietet unseren Kunden eine hohe Investitionssicherheit. Wir sind Freunde von Open-Source und bevorzugen Tools und Systeme, welche dem Open-Source Grundsatz folgen. Wir vermeiden die Abhängigkeit von bestimmten Herstellern oder IT-Systemen um jederzeit flexibel auf industrielle Anforderungen reagieren zu können.

Messgeräte direkt mit einem WLAN zu verbinden ist Industrie 4.0.

In der industriellen Umgebung sind verschiedene Netzwerke oft in Sub-Netzwerke getrennt.  Dies dient der Sicherheit, der besseren Wartbarkeit und Übersichtlichkeit des Netzwerks. Die Verbindungen der Netzwerke untereinander werden dann über Router, Firewalls und Gateways geregelt.

Es gibt hier eine reihe angebotener Produkte, welche die Aufgaben erfüllen. Am Einfachsten sind Geräte aus dem Home- oder Consumer-Bereich: Diese Geräte sind sehr günstig und erfüllen die Aufgabe oft zufriedenstellend. Als Nachteile dieser Produktgruppe sind jedoch zu sehen, dass oft

  • die Verarbeitung nur mittelmäßig ist.
  • die Produktzyklen sehr schnell sind und keine Ersatzteillieferung gewährleistet ist.
  • die Montagemöglichkeiten nicht für industriellen Einsatz geeignet sind.
  • keine zufriedenstellende Remote-Administration möglich ist.

Weiter gibt es dann Router für den industriellen Einsatz. Diese sind sicherlich brauchbar. Der Nachteil hier ist, dass für diese Geräte gerne Preise abgerufen werden, welche den Anwender nicht unbedingt glücklich machen. Beispiele hierfür sind die Industrial Router Produkte von Phoenix Contact: Router – FL MGUARD 1102 – 1153079, Router – Phoenix FL MGUARD 1105 – 1153078 oder TC ROUTER 3002T-4G.

Doch auch bei diesen Geräten besteht der Nachteil, dass es geschlossene Systeme sind: Der Anwender hat nicht die vollständige Kontrolle dessen, was auf dem Gerät vor sich geht. Er ist vom Hersteller abhängig. Änderungen oder Erweiterungen an der Software sind nicht vorgesehen.

Doch es gibt Alternativen welche auf der Hand liegen: Linux als freies System bietet nahezu unbegrenzte Möglichkeiten dessen, was auf einem Rechner oder Router passiert. Zudem gibt es inzwischen eine große Anzahl an Hardware-Implementierungen, welche für Linux geeignet sind.

Eine sehr populäre und sehr langlebige Plattform für Linux Hardware ist Raspberry. Es liegt also fast nichts näher, als diese Plattform für einen industriellen Router zu nutzen.

Entsprechend haben wir einen auf Raspberry basierenden Industrierechner realisiert um unsere Messgerät-Module für WLAN mit dem Internet oder dem Firmennetzwerk über einen Router oder eine Firewall zu verbinden.

Ein “normaler” Raspberry hat entweder eine LAN oder eine W-LAN Schnittstelle. Sind mehrere Netzwerke anzubinden kommt dieser günstige und bewährte Rechner jedoch schnell an seine Grenzen.

Unser Industrierechner bietet hier mehr: Mindestens 2 LAN Schnittstellen und oder LAN und WLAN Schnittstelle ermöglichen es, Netzwerke einfach und sicher miteinander zu verbinden. Zusätzlich kann auf dem Rechner auch gleich der MQTT Broker betrieben werden.

Industrierechner auf Raspberry Basis mit mehr als 2 Netzwerkschnittstellen

Zum Betrieb von IIoT Devices eignen sich Raspberry Pi Computer für verschiedene kleine und große Aufgaben.

Zum Beispiel um eine Netzwerkbrücke bereitzustellen oder um einen kleinen MQTT Server oder auch anderen Server zu betreiben.

Durch den Einsatz des Linux Betriebssystem stehen eine große Anzahl an Programmen und Funktionen bereit, um dieses Gerät mit Software zu bestücken.
Die OpenSource Philosophie stellt sicher, dass Investitionen in Software und Hardware langfristig verfügbar bleiben.

Prinzipiell lässt sich ein Raspberry PI gut erweitern. Ein gewisser Nachteil ist, dass zunächst nur die Raspberry Platine einheitlich ist. Die Ein- und Anbauteile sind relativ spezifisch. Wenn diese an einem Standard Raspberry Pi Gehäuse extern angebracht werden entsteht schnell eine wilde Landschaft von Modulen, welche mehr oder weniger lose mit dem Raspberry verbunden sind.

Um diese Erweiterungen industrietauglich zu machen haben wir alle für unsere Anforderungen benötigten Module in ein Gehäuse gepackt.

Das Gehäuse kann entweder frei positioniert, verschraubt oder auf eine 35mm DIN Hutschiene montiert werden.

Das Innenleben ist modular und kann dynamisch für die entsprechende Anforderung erweitert werden.

Möglich sind:

  • bis zu 7 USB Schnittstellen.
  • bis zu 3 Netzwerkkarten
  • Externer WLAN-Accesspoint (WLAN SMA oder WLAN RP-SMA Anschluß).
  • serielle Schnittstellen (RS232/RS485/RS422)
  • I²C oder SPI Schnittstellen
  • Serielles Terminal (RX/TX-Connector)
  • HDMI Monitor Anschluss

Ein Alleinstellungsmerkmal dieses Einplatinencomputers auf Raspberry Pi Basis ist die Verlötung aller relevanten Module. Durch den Verzicht auf  Steckverbindungen fallen schlechte Verbindungen als Ausfallursache des Moduls aus. Wir halten unser entwickeltes Modul daher für sehr robust und sehr ausfallsicher.

Auch für diesen Rechner verfolgen wir unsere agile Entwicklung und agile Fertigungsstrategie: Das Gehäuse ist konsequent in 3D gedruckt und es kommen nur Standardbauteile zum Einsatz.

Mögliche Funktionen:

  • Industrial Router / IP forwarding
  • Industrial Firewall (ufw, iptables)
  • Network Bridge
  • DNS Server
  • DHCP Server
  • Proxy Gateway
  • MQTT Broker
  • M2M Interface
  • Webserver

Es können hier nur einige exemplarische Funktionen genannt werden. Es ist alles möglich, was Linux auf dieser Hardware bietet.

Das Technische Handbuch und die Bedienungsanleitung der Raspberry Bridge kann hier heruntergeladen werden.

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Rechtliches

Raspberry Pi ist ein eingetragenes Warenzeichen der RASPBERRY PI FOUNDATION. Wir stehen in keiner Verbindung zu dieser Stiftung – setzen aber sehr gerne die von ihnen entwickelten Computer ein.

Kontakt

rAAAreware GmbH – Steigerweg 49 – D-69115 Heidelberg – tel 06221 136110 – e-mail: info@raaareware.de