Executive Roundtable:Sensorik und IIoT

Die verarbeitende Industrie durchläuft weltweit eine digitale Transformation, die durch die COVID-19-Pandemie vorangetrieben wird und die Einführung von Industrie 4.0 beschleunigt. Diese Umstellung auf die Digitalisierung treibt Fortschritte bei intelligenten Sensoren voran, die nicht nur Sensordaten erfassen, sondern diese Daten auch in umsetzbare Erkenntnisse für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich des industriellen Internets der Dinge (IIoT) interpretieren.

Laut Market Research Future wird der Markt für intelligente Sensoren im Prognosezeitraum (2021-2026) voraussichtlich um 19 Prozent wachsen. Was treibt die steigende Nachfrage nach intelligenten Sensoren an und welche Branchen erwarten in den kommenden Jahren die größte Nachfrage nach Sensortechnologie? Technische Informationen stellte vier Branchenexperten Fragen, um ihre Meinung zu den Zukunftsaussichten für intelligente Sensoren und das IIoT einzuholen.

Zu unseren Roundtable-Teilnehmern gehören Dean Bartles, Chief Executive Officer und President, Manufacturing Technology Deployment Group , Jeffrey Case, Leiter Design Engineering und NPD, PCB Piezotronics, Inc. , Brad Walters, Gründer und CEO, Monnit , Aric Prost, Senior Global Director, OEM, Stratus Technologies .

Technische Informationen: Der Einsatz von „intelligenten“ Sensoren wird immer häufiger, da IIoT und Industrie 4.0 in der Fertigung immer üblicher werden. Wie werden intelligente Sensoren zur Verbesserung der Fertigung eingesetzt?

Dekan Bartles: Ein großartiges Beispiel dafür, wie intelligente Sensoren zur Verbesserung der Fertigung eingesetzt werden, ist ein Programm, das mein Unternehmen mit dem DOD zum Aufbau einer Prototyp-Lieferkette für die additive Fertigung hat. Es besteht ein großer Wunsch, additiv gefertigte Metallteile in den Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsmärkten einzuführen. Zu den Vorteilen zählen die Komplexität des Designs, die Produktionsgeschwindigkeit, das geringe Gewicht usw. Die Variabilität, die derzeit bei additiv hergestellten Metallteilen von Maschine zu Maschine und sogar von Teil zu Teil zu finden ist, ist jedoch immer noch ein großes Hindernis für die Einführung. Mithilfe von Sensoren und einem IoT-Edge-Gerät erfassen wir Echtzeit-Prozessdaten während des Druckvorgangs wie Laserenergie, Scangeschwindigkeit, Lukenabstand, Kammerfeuchte usw. und stellen diese Daten dann zusammen mit den produzierten Teilen dem Kunden zur Verfügung. Der Kunde kann dann die Datendatei abfragen, um sicherzustellen, dass alle Parameter während des gesamten Bauprozesses innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten wurden, wodurch ein höheres Maß an Vertrauen in die Integrität der Teile geschaffen wird.

Fall Jeffrey: Intelligente Sensoren werden in Produktionsstätten aller Branchen eingesetzt, um wichtige Informationen zu sammeln, die mit der richtigen Analyse Lösungen schaffen können, die ungeplante Ausfallzeiten reduzieren oder eliminieren (Kosten für den Austausch von Teilen, Personal und Kosten für entgangene Gelegenheiten); die Sicherheit erhöhen, indem Messungen, die einen menschlichen Eingriff erfordern, durch fest montierte Sensoren ersetzt werden; und die Produktivität durch präzise Rückkopplungskontrolle und die Überwachung von Schwankungen im Produktionsprozess zu verbessern und so die Produktionsstabilität zu gewährleisten.

Brad Walters: Die Steigerung der Effizienz ist einer der Hauptvorteile der Integration einer Plattform intelligenter Sensoren in Fertigungsumgebungen. Intelligente Sensoren schaffen intelligentere Fabriken, in denen Sie praktisch jeden Aspekt des Betriebs mit datengesteuerten Erkenntnissen in Echtzeit überwachen, steuern und verbessern können. Gerätewartung vorhersagen und Protokolle vor Fehlfunktionen oder Ausfällen schnell auslösen; Automatisieren Sie die Datenprotokollierung für optimierte Trendanalysen, Aufzeichnungen und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften; und über Umgebungs- und Ausrüstungsprobleme gewarnt werden. Sensoren, die Menschen, Maschinen, Ausrüstung und Inventar mit den leistungsstarken Möglichkeiten des IIoT verbinden, ermöglichen es Herstellern, mit größerer Transparenz, Effizienz und Gesamtqualität zu produzieren.

Aric Prost: Die beträchtliche Senkung der Kosten für Sensoren und Sender in Verbindung mit Verbesserungen in der drahtlosen Technologie haben es OEMs, Maschinenbauern und Betriebsteams ermöglicht, Sensoren zu installieren und Daten zu sammeln, auf die zuvor nicht zugegriffen werden konnte. Dies ist der industrielle Vorsprung, an dem Daten generiert werden, und die Fähigkeit, mehr Prozessvariablen genauer zu messen, gewährt bessere Einblicke und erfüllt das Versprechen von IIoT und Industrie 4.0. Die Gelegenheit ist ein Sprung nach vorne in der Überwachung und Kontrolle, um die gewünschten Ergebnisse wie höherwertige Produkte, weniger Ausfallzeiten oder Ertragsverbesserungen voranzutreiben.

Technische Informationen: Die Sensordatenfusion bietet die Möglichkeit, verschiedene Sensortechnologien in einer Anwendung zu kombinieren. Vor welchen Herausforderungen stehen Hersteller bei der Verwaltung – und effektiven Nutzung – des erhöhten Datenvolumens?

Dekan Bartles: Die Verbreitung von Sensoren in der Fertigung ist entscheidend, um die Effizienz, die Industrie 4.0 verspricht, voll auszuschöpfen. Da die Sensortechnologie jedoch überall in Fertigungsbetrieben allgegenwärtig wird, kann die Fähigkeit, die generierten Daten optimal zu nutzen, stark beeinträchtigt werden, wenn die Daten von den verschiedenen Sensoren nicht in einem gemeinsamen Sprachformat harmonisiert werden können. Normen werden der Schlüssel sein, um eine solche Harmonisierung zu ermöglichen. Ein solcher Standard, der bereits weit verbreitet ist, ist MTConnect. Mit einheitlichen Daten können sich Entwickler und Integratoren auf nützliche, produktive Fertigungsanwendungen statt auf die Übersetzung konzentrieren, was in Zukunft der Schlüssel zu einer erfolgreichen Sensordatenfusion sein wird.

Fall Jeffrey: Herausforderungen für die Sensorfusion sind die Synchronisation der unterschiedlichen Sensortypen und Sensorsysteme, insbesondere bei Zeitabhängigkeit, und die Sicherstellung kompatibler Kommunikationsnetzwerke. Darüber hinaus wird Edge-Computing auf Sensorebene immer wichtiger, um die Menge der gesammelten und analysierten Daten zu minimieren, was sich sowohl auf die Verarbeitungsleistung als auch auf die Anforderungen an die Datenspeicherung auswirkt.

Brad Walters: Die Fusion von Sensordaten ist ein wesentlicher Vorteil des IIoT, da Entscheidungen, die aus mehreren Datenpunkten getroffen werden, höherwertige Entscheidungen sind. Aber es kann eine Herausforderung sein, wenn Hersteller verschiedene Sensorsysteme von verschiedenen Anbietern beziehen und alle Daten selbst zusammenführen. Sie können das Datenvolumen effektiv verwalten, indem Sie über eine einzige Sensorplattform verfügen, die Sensortypen in Kombination mit Datenaggregation, Filterung, Fusionsalgorithmen und redundanter Datendeduplizierung am Edge umfasst. Der wertvollste Datenvolumenreduzierer, den Sie haben können, ist die Kantenverarbeitung und Filterung über ein Gateway auf Sensorebene. Es ist ideal für Sensoren, Ereignisse und Schwellenwertüberschreitungen sofort zu melden, wenn sie vorkonfigurierte Bedingungen erkennen, anstatt ständig triviale Daten in kurzen Abständen zu melden. Auf diese Weise kann ein Sensorsystem mit einem Edge-Gateway relevante Daten von allen Sensortypen schnell zusammenführen und einen robusten Satz von APIs verwenden, um gleichzeitig Daten aus anderen Analysesystemen zu mischen und abzugleichen.

Aric Prost: Hersteller stehen aufgrund der Menge an erstellten Edge-Daten vor einigen Herausforderungen. Erstens stammen Daten in einer typischen Anlage oder Einrichtung von Sensoren, die von mehreren Anbietern hergestellt werden, die unterschiedliche Kommunikationsprotokolle verwenden. Diese Daten müssen gesammelt und integriert werden. Zweitens sind Edge-Standorte – sogar die Fabrikhalle – mit Bandbreiten- und Latenzproblemen konfrontiert, wenn sie an den Kontrollraum übertragen werden, geschweige denn an die Cloud. Die Fähigkeit, diese Edge-Daten zu analysieren und in Erkenntnisse umzuwandeln, hängt von ihrer Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit ab. Predictive Analytics oder KI-Anwendungen verlassen sich auf diese vollständigen Datensätze. Jegliche Kommunikationslücken bei Daten oder Ausfallzeiten von Geräten können diese fortschrittlichen Modelle stören. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, einschließlich der Fusion von Sensordaten, setzen Unternehmen Edge-Computing ein, um Informationen in der Nähe von Geräten zu sammeln, Verarbeitung und Historisierung bereitzustellen, um Ausfallzeiten und Datenverluste zu vermeiden.

Technische Informationen: Wenn Einrichtungen mehrere verbundene Sensoren und Systeme verwenden, wie stellen sie sicher, dass sie ordnungsgemäß gegen unerwünschten Zugriff von außen gesichert sind?

Dekan Bartles: Der sicherste Weg, sich vor unerwünschtem Zugriff von außen zu schützen, besteht darin, alles mit einem „Airgap“ zu versehen. Mit anderen Worten, vermeiden Sie die Verwendung von Wi-Fi-Sensoren und setzen Sie stattdessen fest verdrahtete Sensoren und fest verdrahtete IoT-Edge-Geräte ein und lassen Sie alle Daten durch eine Cybersicherheits-Appliance leiten, die alles, was die Einrichtung verlässt, sowohl verschlüsselt als auch tokenisiert. Da OEMs weiterhin „Transparenz“ in die Fertigungsabläufe ihrer Zulieferer treiben, werden Technologielösungen von größter Bedeutung sein.

Fall Jeffrey: Während es in Bezug auf die industrielle Cybersicherheit keine Wunderwaffe gibt, ist die Netzwerksegmentierung ein Eckpfeiler zum Schutz privater Netzwerke vor potenziellen Schwachstellen. Sensorsysteme sollten in einem von internen Systemen isolierten Netzwerk konfiguriert werden, und der Zugriff auf die Sensorsystemnetzwerke sollte auf das erforderliche Minimum beschränkt werden. Wir ermutigen alle unsere IIoT-Kunden, Best Practices für Cybersicherheit in ihren internen Sensorsystemnetzwerken und/oder unseren Sensorsystemen zu befolgen und Industriestandardtechnologien zu nutzen.

Brad Walters: Die Sicherheit muss an allen Kommunikationspunkten zwischen Sensor, Gateway, Netzwerk, Netzwerkcontroller und der Cloud aufrechterhalten werden. Eine robuste IoT-Geräte- und Datensicherheits-Governance-Initiative zur Durchsetzung von Richtlinien kann dazu beitragen, das Sensornetzwerk und die Daten eines Unternehmens zu schützen. Sie können auch nicht alle Ihre Sicherheitsvorkehrungen in Festungen wie Firewalls platzieren, sondern den Temperatursensor im Aquarium der Lobby anfällig lassen. Wenn Sie ein Sensormanagementsystem verwenden, begrenzen Sie äußere Einstiegspunkte. Unabhängig davon muss jedes System einzeln und dann als ganzes System auf Sicherheit überprüft werden.

Aric Prost: Cybersicherheit steht im Mittelpunkt der Betriebstechnologie, und die Vorstellung von Air-Gap-Assets ist immer weniger realistisch, je mehr Geräte miteinander verbunden sind. Durch den Einsatz von Edge-Computing-Plattformen mit integrierter Virtualisierung haben OT- und IT-Teams die Möglichkeit, Cybersicherheitssoftware neben anderen industriellen Softwareanwendungen in der Nähe kritischer Geräte auszuführen. In diesem Fall befindet sich die Edge-Computing-Plattform, auf der Sicherheitssoftware ausgeführt wird, zwischen den Sensoren oder SPSen und dem Rest des Netzwerks.

Technische Informationen: In welchen Branchen erwarten Sie in den nächsten fünf Jahren die größte Nachfrage nach Sensorik?

Dekan Bartles: Große Unternehmen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Automobil, Lebensmittel, Medizin, chemische Verarbeitung usw. haben bereits erhebliche Fortschritte erzielt. Daher denke ich, dass die Frage nicht „welche Branchen“ sein sollte, sondern „wer“ innerhalb der verschiedenen Branchen wo wir die größte Nachfrage sehen werden. Die kleinen und mittleren Hersteller („SMMs“) haben eindeutig am meisten zu gewinnen, wenn sie Sensortechnologie in ihre Fertigungsabläufe integrieren. In einer kürzlich vom Manufacturing Leadership Council der National Association of Manufacturers durchgeführten Umfrage wurde „Sichtbarkeit, Transparenz und Vorhersagbarkeit der gesamten Lieferkette auf die nächste Stufe heben“ als zweitwichtigste Sache für 2022 eingestuft Transparenz, Transparenz und Vorhersagbarkeit in ihrer Lieferkette, die sie sich wünschen, müssen SMMs weitaus mehr Sensortechnologie einsetzen als bisher.

Fall Jeffrey: Da Sensoren mit Verbesserungen in der Sensortechnologie, Edge-Computing, künstlicher Intelligenz und der Verbreitung von Industrie 4.0-Kommunikationsnetzwerken immer mehr zum Mainstream werden, wird die größte Nachfrage nach Sensortechnologie in allen Fertigungsbetrieben in fast allen Märkten/Branchen bestehen. Sowohl vorbeugende Wartung als auch Anwendungen in der Prozessautomatisierung treiben diese beispiellose Nachfrage in der industriellen Fertigung voran. Auf dem Markt für Prozessautomatisierung wird eine Vielzahl von Sensortechnologien eingesetzt, um eine strengere Kontrolle von Fertigungsprozessen zu ermöglichen. Während Sensoren traditionell in diesen Anwendungen eingesetzt wurden, bietet Industrie 4.0 mit dem Internet verbundene Sensoren, die in der Lage sind, Daten über etablierte digitale Autobahnen mit minimalem menschlichem Eingriff zu sammeln, zu übertragen und anzuzeigen. Diese Infrastruktur kann den ROI eines Unternehmens problemlos erfüllen und wird den Verkauf von Sensoren in den nächsten fünf Jahren und darüber hinaus erheblich steigern.

Brad Walters: Es ist leicht zu erkennen, dass vorausschauende Wartung, Fernüberwachung und -steuerung sowie autonome Systeme in praktisch jeder Branche weiterhin stark von Fortschritten in der intelligenten Sensortechnologie abhängen werden. Beispielsweise stützen sich Innovatoren in den Bereichen Öl und Gas, Landwirtschaft, Energie- und Stromerzeugung, Chemie und Bergbau sowie Transportwesen auf die weitreichenden Fähigkeiten drahtloser Sensoren, die eine große Reichweite, einen geringen Stromverbrauch und eine lange Batterielebensdauer bieten. Da Hersteller, Gesundheitswesen und intelligente Städte effizienter werden wollen, werden Sensorlösungen, die die 4G-LTE- und 5G-Funktionalität beschleunigen, Frequenzstörungen eliminieren und Multi-Access-Edge-Computing ermöglichen, sehr wertvoll sein. Branchen, die intelligente Sensoren effektiv integrieren, werden dazu beitragen, die IIoT-Evolution in die nächste industrielle Revolution voranzutreiben.

Aric Prost: Wir sehen die größte Nachfrage nach Sensortechnologie nicht aus bestimmten Branchen, sondern aus bestimmten Anwendungsfällen innerhalb von Branchen, in denen Anlagen und Prozesse entfernt oder unzugänglich, messkritisch, schnell und in denen Sicherheit ein wesentlicher Faktor ist. Sensortechnologie wird in diesen Fällen unerlässlich sein, um die Automatisierung und das Remote-Management zu skalieren. Es gibt eine Reihe von Beispielen, die übergreifend sind, darunter Discrete Manufacturing – komplexe Verpackungsmaschinen, Robotik, Metallverarbeitung; Wasser und Abwasser – entfernte und unbemannte Pumpstationen, Durchflussmesser; Stromerzeugung – Solaranlagen, Windparks und Umspannwerke; Öl und Gas – Pumpstationen, Durchflussmessstationen, Produktionsplattformen und viele andere. Für diese Assets und Anwendungsfälle erfordern die Fülle an Sensortechnologie und die begrenzte Konnektivität ein „Gehirn“ vor Ort, um Daten zu verarbeiten und zu speichern, die Verfügbarkeit sicherzustellen, Cybersicherheitsagenten auszuführen und möglicherweise Überwachung und Kontrolle ohne menschliches Eingreifen bereitzustellen. Edge-Computing-Plattformen bieten diese Fähigkeiten und damit die Möglichkeit, Sensordaten zu nutzen, um Industrie-4.0-Fähigkeiten zu realisieren.

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