IoT-Gateway im Härtetest Wie die Baumaschine mittels sensibler Elektronik nach Hause funkt

Anbieter zum Thema

Bürklin GmbH & Co. KG

TRACO ELECTRONIC GMBH

E.E.P.D. Electronic Equipment Produktion & Distribution GmbH

Wie bringt man also hochsensible IoT-Elektronik in eine robuste Estrichmaschine? Ein Blick unter die Haube einer Estrichmaschine von BMS zeigt, wie aus einem kompakten Standard-Gateway eine hochintegrierte, wasserdichte OEM-Lösung für die Cloud-Anbindung wurde.

Es ist eine Umgebung, die für filigrane Elektronik kaum feindlicher sein könnte: Estrichmaschinen sind genau für dieses Umfeld gebaut. Sie mischen Sand, Zement und Wasser und pumpen das abrasive Material oft über etliche Stockwerke hoch. „Wir sind ein klassischer Mittelständler, aber in unserer Nische sind wir heute einer der größten Hersteller weltweit mit einem Exportanteil von 60 Prozent“, erklärt Felix Kordtomeikel, Vorstandsvorsitzender von BMS. „Auch wenn unsere Maschinen mechanisch sehr ausgereift sind, suchen wir immer nach Wegen, das Produkt weiter zu verbessern. Wir haben sehr früh erkannt, dass die Vernetzung und digitale Transparenz in Zukunft der Standard sein werden. Wer damit nicht rechtzeitig anfängt, bleibt auf der Strecke.“ Und das selbst in einer Branche mit wenig digital affinen Anwendern.

Der Mehrwert einer vernetzten Estrichmaschine liegt für Kunden und Hersteller auf der Hand: Es geht hauptsächlich darum, die dezentral eingesetzten Baumaschinen aus der Ferne jederzeit exakt orten und gleichzeitig tiefgreifende Betriebsdaten in Echtzeit auswerten zu können. Diese gewonnene digitale Transparenz bildet die Basis für ein effizientes Flottenmanagement, einen effektiven Diebstahlschutz und detaillierte Fehlerdiagnosen aus der Distanz.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 6 Bildern

Für die Umsetzung der Digitalisierungsstrategie „BMS Connect“ holte man sich einen langjährigen Partner an Bord: die Concept Electronic GmbH, die unter der Marke EASY IOT smarte Vernetzungslösungen entwickelt und für BMS-Maschinen bereits Steuerungen lieferte. Die Aufgabe klang zunächst simpel, entpuppte sich technologisch jedoch als anspruchsvoll: Die Maschinendaten sollten ausgelesen, weltweit an eine Cloud gesendet und dem Kunden in einem Dashboard zur Verfügung gestellt werden, inklusive GPS-Tracking.

Hardware-Deep-Dive: Standard-Gehäuse scheitern hier

Die Basis für das Projekt bildete das EB-Gateway-Nano von Concept Electronic. Mit Abmessungen von nur 100 × 96,6 × 45 mm ist es ein äußerst kompaktes Edge-Device. Es verfügt über einen Weitbereichseingang mit 12 bis 24 VDC und bringt ab Werk bereits eine Vielzahl an industriellen Schnittstellen mit: Neben digitalen Ein- und Ausgängen (Open Drain) und einem Analogeingang mit 4 bis 20 mA besitzt das Board eine CAN-Schnittstelle sowie RS485 (Modbus RTU) und RS232.

Doch die Standardausführung mit der Schutzart IP41 war für den Einbau in eine offene Baumaschine völlig ungeeignet. „Ein normales Industriegehäuse wäre für diese Anwendung schlichtweg nicht robust genug“, erinnert sich Markus Kessler, Experte für hochintegrierte Steuerungslösungen bei Concept Electronic. „Wir haben es hier mit schwersten Erschütterungen und Feuchtigkeit zu tun. Die Anforderung lautete IP68.“

Die Lösung lag in einer radikalen OEM-Anpassung: Das Innenleben des Gateways wurde für den Einsatz in der Estrichmaschine vollständig vergossen. Dadurch ist die Elektronik zu 100 Prozent wasserdicht und resistent gegen permanente Vibrationen.

Doch die Hardware-Anpassungen gingen noch weiter. Um die geforderte Diebstahlsicherung umzusetzen, musste das Gateway auch dann autark kommunizieren können, wenn die Maschine (und damit die Stromversorgung) abgeschaltet ist. „Wir haben die Gateway-Lösung speziell für BMS aufgepimpt“, so Kessler. „Dazu gehören ein integrierter Gyrosensor zur Bewegungserkennung, ein GPS-Modul und vor allem ein leistungsstarker Lithium-Ionen-Akku inklusive Lade- und Kabelmanagement. Damit erreichen wir eine Bereitschaft von knapp 100 Stunden, ohne dass der Dieselmotor der Maschine laufen muss. Das reicht problemlos aus, um die Ortung über ein langes Wochenende zu gewährleisten.“

Spezifikationen EB-Gateway Nano

Systemarchitektur: Vom Edge in die Cloud

Um die Komplexität der Datenabfrage gering zu halten, kommuniziert das IoT-Gateway nicht direkt mit dem Motor der Estrichmaschine. Stattdessen dient die zentrale Maschinensteuerung als Datendrehscheibe.

Die Architektur sieht wie folgt aus: Der verbaute Deutz-Dieselmotor sendet seine Statuswerte über den Motor-CAN-Bus an die Maschinensteuerung. Diese Steuerung wertet zudem lokale Endschalter und Sensoren der Maschine aus. Das IoT-Gateway wiederum ist direkt an die Maschinensteuerung gekoppelt, greift die gebündelten Datenpakete ab und bereitet sie für die Kommunikation vor.

Obwohl BMS für seine Anwender-Dashboards auf die Cloud-Anbindung setzt, ist diese Systemarchitektur mit dem IoT-Gateway von EASY IOT nicht zwingend auf einen externen Server angewiesen. Je nach Anwendungsfall kann das Modul auch als reines, autarkes Edge-Device fungieren. Die anfallenden Sensordaten werden dann direkt vor Ort („edge-mäßig“) aufbereitet, komprimiert und lokal verarbeitet. Das ist besonders für Szenarien interessant, in denen eine permanente Übertragung in ein Rechenzentrum technisch nicht möglich oder nicht erwünscht ist.

Die Übertragung in die Cloud bei BMS erfolgt über ein integriertes LTE-Cat-1-Modem (mit Fallback auf das 2G-Netz). Um die Maschinen weltweit ohne Roaming-Hürden und Netzlöcher betreiben zu können, ist standardmäßig eine Multi-Netz-SIM-Karte verbaut. „Das Modem sucht sich völlig unabhängig vom Provider immer den stärksten verfügbaren Sendemast. Das funktioniert weltweit“, bestätigt Kessler. Sollte die Maschine dennoch einmal in einem absoluten Funkloch arbeiten, gehen keine Informationen verloren. Die Daten werden lokal in der Steuerung zwischengespeichert und automatisch per MQTT über HTTPS auf den Server hochgeladen, sobald wieder eine Netzverbindung besteht.

Die Datenübertragung vom BMS-Gateway in die Cloud (gehostet auf Servern in Deutschland) erfolgt strikt verschlüsselt. Ein weiterer wesentlicher Baustein der Sicherheitsarchitektur sind vollautomatische Over-the-Air-Updates (OTA). „Im Fall von Bugfixes oder generellen Verbesserungen können wir aus der Ferne die komplette Firmware aufdatieren – und zwar sowohl für das Gateway als auch für die Maschinensteuerung“, erklärt Kessler den Wartungsprozess. „Das Update wird im Hintergrund heruntergeladen und erst dann installiert, wenn das Datenpaket vollständig und fehlerfrei auf dem Gateway vorliegt.“

BMS Connect in der Praxis: Transparenz schlägt Bauchgefühl

Für den Endkunden, egal ob Handwerker oder Flottenmanager, der Dutzende Maschinen auf unterschiedlichen Baustellen koordiniert, bündelt das cloudbasierte Dashboard alle entscheidenden Kennzahlen. Neben der reinen GPS-Ortung liefert das System detaillierte Betriebszustände in Echtzeit: Läuft der Motor? Wird gerade Zement gemischt oder bereits in das Gebäude gefördert?

„Für die Kunden ist diese absolute Transparenz der wichtigste Faktor“, resümiert Kordtomeikel die bisherigen Erfahrungen aus dem Markt. Neben der Routenverfolgung und den Tagesleistungen bietet das System einen enormen Hebel bei der Fernwartung (Remote Diagnostics). Da das Gateway über die Steuerung auch auf die aktiven und passiven Diagnosecodes des Motors zugreifen kann, sieht der Service-Techniker bei BMS in Echtzeit, warum eine Maschine stillsteht. „Das reicht von echten Fehlfunktionen bis hin zu dem simplen Klassiker, dass schlichtweg der Dieseltank leer ist. Dank der Daten können wir uns teure, unnötige Service-Einsätze sparen“, so Kordtomeikel.

Von der Wartungs-Ampel zur künstlichen Intelligenz

Bislang basiert die Überwachung auf klassischen Indikatoren: Wartungsintervalle werden stundenbasiert berechnet und schalten im Dashboard nach dem Ampelsystem von Grün über Orange auf Rot. Doch das soll sich bald ändern. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut arbeitet Concept Electronic bereits am nächsten Meilenstein: echter Predictive Maintenance auf Basis von KI.

Dabei geht es nicht mehr nur um das Ablesen starrer Fehlercodes. „Die KI soll künftig sämtliche zur Verfügung stehenden Sensor- und Telemetriedaten empfangen, völlig eigenständig Asymmetrien erkennen und konkrete Handlungsempfehlungen ausgeben“, gibt Kessler einen Einblick in das laufende Forschungsprojekt. Das Besondere an diesem Ansatz: Die KI soll nicht erst monatelang manuell mit historischen Maschinendaten in der Cloud trainiert werden müssen (Machine Learning). Stattdessen sollen die Algorithmen nach einer kurzen, servergestützten Anlernphase künftig eigenständig und autark direkt als Edge-Anwendung auf dem System laufen. Das Gateway analysiert die Muster im Maschinenlauf dann direkt vor Ort und warnt den Betreiber beispielsweise vor einem anstehenden Verschleiß, ohne für jede Analyse zwingend mit dem Rechenzentrum verbunden zu sein.

Für BMS-Vorstand Felix Kordtomeikel liegt genau hier der nächste große Hebel für die Kundenzufriedenheit: „Wenn komplexe Fehlerbilder auftreten, ruft der Kunde oft bei uns an und bittet uns, auf das Dashboard zu schauen. In Zukunft soll die KI diese Muster selbstständig erkennen und dem Kunden direkt mitteilen: 'Wechsle genau dieses Ersatzteil aus'. Das vereinfacht Prozesse enorm.“

Fazit: OEM-Integration statt Router-Frust

Das Beispiel zeigt, dass ein erfolgreiches IoT-Projekt im Maschinenbau mehr erfordert als nur den Zukauf eines Standard-Routers. Die rauen Bedingungen erforderten ein maßgeschneidertes Hardware-Design vom Akku bis zum Vollverguss. „Man kann bei solchen Anforderungen nicht einfach den Standard nehmen“, fasst Markus Kessler zusammen. „Man braucht eine technische Lösung, die mechanisch genau zur Anwendung passt, hochintegriert ist und direkt aus der Maschinensteuerung die relevanten Werte zieht. Erst diese Kombination aus Hardware-Resilienz und intelligenter Software-Architektur schafft für den Endanwender echten Mehrwert.“(mc)

(ID:50775404)