IoT-Nachrüstung mit Rapid Prototyping

Als Hersteller von Sensoren und Funkmodulen weiß man bei Würth Elektronik, dass diese Produkte eine wichtige Rolle bei den Teilnehmern am Internet of Things (IoT) spielen. Trotzdem ist es noch viel motivierender, wenn man an der Entwicklung einer IoT-Lösung beteiligt ist. So geschehen im Rahmen eines Proof of Concept für die Nachrüstung von Maschinen. Zusammen mit dem Elektrogroßhändler FEGA & Schmitt, der einen bestehenden Industrie-Cutter fit für die vorausschauende Wartung machen wollte, und IAV, die die Datenanalyse vornahm, konnten wir zeigen, wie man IoT-Funktionen im Feld nachrüsten kann.

Ziel war es, ein einfach zu installierendes Produkt für FEGA-Kunden zu entwickeln, um industrielle Schneidemaschinen zu überwachen, die Auslastung anhand von Strommessungen zu ermitteln und mögliche Probleme mit den Schneidwerkzeugen zu erkennen, bevor sie auftreten. Hintergrund: Manchmal kann eine bestimmte Kombination von Werkzeugbewegungen dazu führen, dass Werkzeuge brechen. Durch die Identifizierung dieser Bewegungsabläufe lässt sich eine Fehlervorhersage treffen. Infolgedessen kommt es zu deutlich weniger Produktionsausfällen. Eine Strommessung ermöglicht zusätzlich die Bestimmung der Maschinenauslastung und vereinfacht den Planungsprozess.

Eine Herausforderung: Da es ja um ein Konzept für die Nachrüstung von Maschinen ging, die bereits im Einsatz sind, war es eine strikte Vorgabe bei der Installation, weder die Infrastruktur des Kunden zu beeinträchtigen noch Prozessausfälle zu verursachen.

Da die Bewegung der Messerhand Beschleunigungsmomente erzeugt, ist die Verwendung eines Beschleunigungssensors ein guter Ausgangspunkt für die Überwachung von Bewegungen. Mit dem WSEN-ITDS-3-Achsen-Beschleunigungssensor haben wir dafür das richtige Modul und es steht auch in einer Form zur Verfügung, die dem Projekt rasch Flügel wachsen lässt.

Rapid Prototyping

FeatherWings sind eine Serie stapelbarer Prototyping Boards mit unterschiedlichen Funktionen. Würth Elektronik hat eine Reihe solcher Entwicklungsplatinen im Angebot – Open Source und vollständig kompatibel mit dem Feather-Formfaktor. Dazu gehören Sensor-Wings, drahtlose Kommunikation mit WE Pro-Ware Wireless oder WiFi sowie verschiedene Stromversorgungen.

Der WE Sensor FeatherWing ist ein Entwicklungs-Board mit vier Sensoren. Zusätzlich zum Adafruit Feather-Formfaktor ist es auch mit Sparkfuns QWIIC-connect kompatibel, das eine Standard-I²C-Schnittstelle bietet, die auch mit STEMMA QT und Grove/Gravity zusammenarbeitet. Dies bietet schier endlose Möglichkeiten im Prototyping.

Die Strommessung zur Bestimmung der Maschinenauslastung musste nicht-invasiv sein, um das überwachte Gerät nicht zu beeinträchtigen. Zu diesem Zweck wurden der WAGO Split-Core-Stromwandler 855-4101/400-001 und der SparkFun ACS723 Hall-Effekt-Sensor Breakout verwendet. Der Vorteil des Einsatzes eines Hall-Effekt-Sensors besteht darin, dass die Schaltung, die den Sensor abtastet, und die Schaltung, die den Sensor ausliest, elektrisch isoliert sind. Daher kann die Schaltung, die den Sensor abtastet, mit höheren Gleich- oder Wechselspannungen arbeiten als die Hauptplatine.

Der Weg der Daten in die Cloud

In der ersten Phase der Datenerfassung kam ein mit dem Raspberry Pi kompatibles Industrial-IoT-Gateway zum Einsatz. Ein Linux-basiertes System wurde verwendet, um C-Code zu generieren und die Datenerfassung und -übertragung zu optimieren, da eine große Menge an Daten erforderlich ist, um das Maschinenverhalten zu validieren. Für die Cloud wurde ein Dashboard für die Echtzeitüberwachung der Daten mit Node-Red und Grafana erstellt. Darüber hinaus wurden die Zeitstromdaten analysiert, um mit maschinellem Lernen Trends und Muster zu erkennen. Ähnliche Prozessmuster werden automatisch erkannt und gekennzeichnet. Diese Daten dienen als Grundlage für Prozessstatistiken, die für verschiedene Anwendungsfälle wie Prozessüberwachung, Qualitätssicherung und vorausschauende Wartung genutzt werden können.

Durch das Prototyping des Proof of Concept in zwei Stufen konnte in der ersten Stufe ein effektives Modell erstellt werden, das dann in der zweiten Stufe implementiert wurde. In der zweiten Phase wurden lokale Modelle auf dem Mikrocontroller implementiert und nur das absolute Minimum an Daten gesendet. Die erforderlichen Daten wurden über das Adrastea-I-Mobilfunkmodul an die Cloud gesendet. Dabei handelt es sich um ein vorzertifiziertes LTE-M-/NB-IoT-Modul von Würth Elektronik, das sich durch eine geringe Stromaufnahme auszeichnet.

Das Projekt war ein erfolgreicher Proof of Concept für den Elektrogroßhändler FEGA & Schmitt, der seinen bestehenden Kunden durch IoT-Nachrüstung einen zusätzlichen Nutzen bieten will. Die Verwendung von Open-Source-Standards für das Prototyping ermöglichte dabei eine enorme Implementierungsgeschwindigkeit.

Einen ausführlicheren Bericht zu dem Projekt können Sie auf Elektronikpraxis.de lesen.