Executive Roundtable: Industry 4.0 vorantreiben mit smarten Sensoren & IIoT

Die Fertigungsindustrien durchlaufen weltweit eine digitale Transformation, angetrieben durch die COVID-19-Pandemie, die die Einführung von Industrie 4.0 beschleunigt. Dieser Shift zum Digitalen treibt Fortschritte bei smarten Sensoren voran, die nicht nur Sensordaten erfassen, sondern diese auch in umsetzbare Erkenntnisse für diverse Anwendungen im Industrial Internet of Things (IIoT) interpretieren.

Der Markt für smarte Sensoren wird laut Market Research Future im Prognosezeitraum (2021-2026) mit einer CAGR von 19 Prozent wachsen. Was treibt die eskalierende Nachfrage nach smarten Sensoren an und welche Industrien werden in den kommenden Jahren die größte Nachfrage nach Sensortechnologie erwarten? Tech Briefs stellte vier Branchenexperten Fragen, um ihre Ansichten zur Zukunftsaussicht für smarte Sensoren und IIoT zu erfahren.

Unsere Roundtable-Teilnehmer sind Dean Bartles, Chief Executive Officer und President, Manufacturing Technology Deployment Group , Jeffrey Case, Director of Design Engineering and NPD, PCB Piezotronics, Inc. , Brad Walters, Founder and CEO, Monnit , Aric Prost, Senior Global Director, OEM, Stratus Technologies .

Tech Briefs: Der Einsatz „smarter“ Sensoren wird verbreiteter, da IIoT und Industrie 4.0 in der Fertigung alltäglicher werden. Wie werden smarte Sensoren genutzt, um die Fertigung zu verbessern?

Dean Bartles: Ein großartiges Beispiel, wie smarte Sensoren die Fertigung verbessern, ist ein Programm meines Unternehmens mit dem DOD zur Etablierung einer prototypischen Additive-Fertigungs-Lieferkette. Es gibt einen großen Wunsch, metallisch additiv gefertigte Teile in der Luft- und Raumfahrt und Verteidigung zu adoptieren. Vorteile umfassen Designkomplexität, Produktionsgeschwindigkeit, Leichtbau usw. Die aktuell in metallisch additiv gefertigten Teilen von Maschine zu Maschine und sogar Teil zu Teil gefundene Variabilität ist jedoch immer noch ein großes Hindernis für die Adoption. Mittels Sensoren und einem IoT-Edge-Gerät sammeln wir Echtzeit-Prozessdaten während des Druckprozesses wie Laserenergie, Scangeschwindigkeit, Hatch-Abstände, Kammerfeuchte etc. und stellen diese Daten dem Kunden zusammen mit den gefertigten Teilen bereit. Der Kunde kann dann die Datendatei abfragen, um sicherzustellen, dass alle Parameter während des gesamten Bauprozesses innerhalb eines spezifizierten Bereichs gehalten wurden, was ein höheres Vertrauen in die Integrität der Teile bietet.

Jeffrey Case: Smarte Sensoren werden in Fertigungsanlagen quer durch alle Industrien eingesetzt, um kritische Informationen zu sammeln, die mit der korrekten Analyse Lösungen schaffen können, die ungeplante Ausfallzeiten reduzieren oder eliminieren (Teileaustauschkosten, Personal, entgangene Opportunitätskosten); Sicherheit erhöhen, indem permanent montierte Sensoren für Messungen ersetzt werden, die menschliches Eingreifen erfordern; und Produktivität verbessern durch präzises Feedback-Control und Monitoring von Variationen im Produktionsprozess, um Fertigungsstabilität zu gewährleisten.

Brad Walters: Höhere Effizienz ist ein Top-Vorteil der Integration einer Plattform smarter Sensoren in Fertigungsumgebungen. Smarte Sensoren schaffen smartere Fabriken, wo Sie praktisch jeden Aspekt des Betriebs mit Echtzeit-datengetriebenen Einblicken überwachen, steuern und verbessern können; Gerätewartung vorhersagen und Protokolle vor Fehlfunktion oder Ausfall schnell auslösen; Datenerfassung automatisieren für gestraffte Trendanalyse, Aufzeichnung und regulatorische Compliance; und bei Umwelt- und Geräteproblemen alarmiert werden. Sensoren, die Menschen, Maschinen, Ausrüstung und Inventar mit den befähigenden Fähigkeiten des IIoT verbinden, ermöglichen Herstellern, mit größerer Transparenz, Effizienz und Gesamtqualität zu produzieren.

Aric Prost: Der beträchtliche Kostenrückgang bei Sensoren und Transmittern gekoppelt mit Verbesserungen in der Funktechnologie haben es OEMs, Maschinenbauern und Operationsteams ermöglicht, Sensoren zu installieren und Daten zu sammeln, die zuvor unzugänglich waren. Das ist der industrielle Edge, wo Daten generiert werden, und die Fähigkeit, mehr Prozessvariablen präziser zu messen, gewährt bessere Einblicke und erreicht das Versprechen von IIoT und Industrie 4.0. Die Chance ist ein Sprung nach vorne in Monitor und Control, um gewünschte Ergebnisse wie höhere Produktqualität, weniger Ausfallzeiten oder Ertragsverbesserung zu treiben.

Tech Briefs: Sensordatenfusion bietet die Fähigkeit, verschiedene Sensortechnologien in einer Anwendung zu kombinieren. Welche Herausforderungen sehen Hersteller beim Management – und effektiven Einsatz – des erhöhten Datenvolumens?

Dean Bartles: Die Proliferation von Sensoren in der Fertigung ist kritisch, um den vollen Vorteil der Effizienz zu nutzen, die Industrie 4.0 verspricht. Allerdings kann die Fähigkeit, optimalen Nutzen aus den generierten Daten zu ziehen, schwer beeinträchtigt sein, es sei denn, die Daten von den verschiedenen Sensoren können in einem gemeinsamen Sprachformat harmonisiert werden. Standards werden der Schlüssel sein, um solche Harmonisierung möglich zu machen. Ein solcher Standard, der bereits weit verbreitet ist, ist MTConnect. Mit einheitlichen Daten können Entwickler und Integratoren sich auf nützliche, produktive Fertigungsanwendungen fokussieren statt auf Übersetzung, was der Schlüssel für erfolgreiche Sensordatenfusion sein wird.

Jeffrey Case: Herausforderungen für Sensordatenfusion umfassen das Synchronisieren der verschiedenen Sensortypen und Sensorsysteme, besonders bei Zeitabhängigkeit, und das Sicherstellen kompatibler Kommunikationsnetzwerke. Zusätzlich wird Edge Computing immer kritischer auf Sensorebene, um die Menge der gesammelten und analysierten Daten zu minimieren, was sowohl Prozessorkapazität als auch Datenspeicheranforderungen betrifft.

Brad Walters: Sensordatenfusion ist ein Schlüsselvorteil des IIoT, weil Entscheidungen aus mehreren Datenpunkten höherwertige Entscheidungen sind. Aber es kann eine Herausforderung sein, wenn Hersteller verschiedene Sensorsysteme von verschiedenen Anbietern beziehen und alle Daten selbst aggregieren. Sie können Datenvolumen effektiv managen, indem Sie eine einzige Sensorplattform haben, die Sensortypen kombiniert mit Datenaggregation, Filterung, Fusionsalgorithmen und redundanter Datendeduplizierung am Edge. Der wertvollste Datenvolumenreduzierer ist Edge-Verarbeitung und -Filterung via Gateway auf Sensorebene. Es ist ideal, dass Sensoren sofort Events und Schwellenwertverletzungen melden, wenn sie vorkonfigurierte Bedingungen detektieren, anstatt ständig triviale Daten in häufigen Intervallen zu reporten. So kann ein Sensorsystem mit Edge-Gateway schnell relevante Daten von allen Sensortypen fusionieren und einen robusten Satz APIs nutzen, um Daten von anderen Analysesystemen gleichzeitig zu mischen und anzupassen.

Aric Prost: Hersteller stehen vor einigen Herausforderungen wegen des Volumens an Edge-Daten, das erzeugt wird. Erstens kommen Daten in einer typischen Anlage von Sensoren, die von mehreren Herstellern gefertigt werden und verschiedene Kommunikationsprotokolle nutzen. Diese Daten müssen gesammelt und integriert werden. Zweitens stehen Edge-Standorte – sogar der Fabrikboden – vor Bandbreiten- und Latenzproblemen, wenn Daten ins Kontrollraum übertragen werden, geschweige denn in die Cloud. Die Fähigkeit, diese Edge-Daten zu analysieren und in Einblicke zu übersetzen, ist von ihrer Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit abhängig. Prädiktive Analytik oder KI-Anwendungen verlassen sich auf diese vollständigen Datensätze. Kommunikationslücken in Daten oder Geräteausfallzeiten können diese fortgeschrittenen Modelle stören. Um diese Herausforderungen anzugehen, einschließlich Sensordatenfusion, deployen Organisationen Edge Computing, um Informationen nah an Geräten zu sammeln, Verarbeitung und Historisierung bereitzustellen, um Ausfallzeiten und Datenverlust zu vermeiden.

Tech Briefs: Wenn Einrichtungen mehrere vernetzte Sensoren und Systeme nutzen, wie stellen sie sicher, dass diese ordnungsgemäß gesichert sind, um unbefugten externen Zugriff abzuwehren?

Dean Bartles: Der sicherste Weg, um unbefugten externen Zugriff abzuwehren, ist, alles „airzugappen“. Mit anderen Worten: Vermeiden Sie den Einsatz von Wi-Fi-Sensoren und deployen Sie stattdessen hartverdrahtete Sensoren und hartverdrahtete IoT-Edge-Geräte und lassen Sie alle Daten durch ein Cybersicherheits-Appliance routen, das alles, was die Anlage verlässt, sowohl verschlüsselt als auch tokenisiert. Da OEMs weiterhin „Transparenz“ in die Fertigungsoperationen ihrer Lieferanten treiben, werden Technologielösungen paramount sein.

Jeffrey Case: Obwohl es keine Silberkugel bei industrieller Cybersicherheit gibt, ist Netzwerksegmentierung ein Eckpfeiler zum Schutz privater Netze vor potenziellen Schwachstellen. Sensorsysteme sollten auf einem vom internen System isolierten Netzwerk konfiguriert werden, und Zugriff auf die Sensorsystemnetze sollte auf das Minimum beschränkt werden. Wir ermutigen all unsere IIoT-Kunden, Cybersicherheits-Best-Practices auf ihren internen Sensorsystemnetzen und/oder unseren Sensorsystemen zu befolgen, indem sie Industriestandard-Technologien nutzen.

Brad Walters: Sicherheit muss an allen Kommunikationspunkten zwischen Sensor, Gateway, Netzwerk, Netzwerkcontroller und Cloud aufrechterhalten werden. Eine robuste IoT-Geräte- und Datensicherheits-Governance-Initiative zur Durchsetzung von Richtlinien kann helfen, das Sensornetzwerk und die Daten eines Unternehmens zu schützen. Man kann auch nicht alle Schutzmaßnahmen in Bollwerken wie Firewalls platzieren, aber den Temperatursensor am Aquarium im Foyer verwundbar lassen. Wenn Sie ein Sensormanagementsystem nutzen, begrenzen Sie externe Eintrittspunkte. Unabhängig davon muss jedes System individuell und dann als Gesamtsystem auf Sicherheit geprüft werden.

Aric Prost: Cybersicherheit steht im Fokus für Operational Technology, und die Vorstellung air-gapped Assets wird immer unrealistischer, je mehr Geräte vernetzt sind. Durch Deployment von Edge-Computing-Plattformen mit eingebauter Virtualisierung haben OT- und IT-Teams die Mittel, Cybersicherheitssoftware nah an kritischen Geräten neben anderen industriellen Softwareanwendungen laufen zu lassen. In diesem Fall sitzt die Edge-Computing-Plattform, die Sicherheitssoftware läuft, zwischen den Sensoren oder SPS und dem Rest des Netzwerks.

Tech Briefs: In welchen Industrien erwarten Sie die größte Nachfrage nach Sensortechnologie in den nächsten fünf Jahren?

Dean Bartles: Signifikanter Fortschritt wurde bereits von Großkonzernen in Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Automobil, Lebensmittel, Medizintechnik, Chemietechnik etc. gemacht. Also glaube ich nicht, die Frage sollte „welche Industrien“ sein, sondern eher „wer“ innerhalb der verschiedenen Industrien, wo wir die größte Nachfrage sehen werden. Klar haben kleine und mittlere Hersteller (SMMs) den größten Gewinn durch Adoption von Sensortechnologie in ihre Fertigungsoperationen. Eine kürzlich von der Manufacturing Leadership Council der National Association of Manufacturers durchgeführte Umfrage rankte „End-to-End-Lieferketten-Transparenz, -Visibilität und -Vorhersagbarkeit auf das nächste Level heben“ als zweitwichtigste Sache für 2022. Um OEMs die gewünschte Transparenz, Visibilität und Vorhersagbarkeit in ihrer Lieferkette zu bieten, werden SMMs weit größere Sensortechnologie deployen müssen als bisher.

Jeffrey Case: Da Sensoren mit Verbesserungen in Sensortechnologie, Edge Computing, KI und Proliferation von Industrial-4.0-Kommunikationsnetzen mainstreamer werden, wird die größte Nachfrage nach Sensortechnologie quer durch alle Fertigungsoperationen in fast allen Märkten/Industrien sein. Sowohl präventive Wartung als auch Prozessautomatisierungsanwendungen treiben diese beispiellose Nachfrage in der industriellen Fertigung. Eine breite Vielfalt an Sensortechnologien wird im Prozessautomatisierungsmarkt deployed, um engere Kontrolle über Fertigungsprozesse zu ermöglichen. Während Sensoren traditionell in diesen Anwendungen deployed wurden, bietet Industrie 4.0 internetverbundene Sensoren, die Daten via etablierte digitale Highways mit minimalem menschlichen Eingriff sammeln, übertragen und anzeigen können. Diese Infrastruktur kann leicht die ROI-Anforderungen eines Unternehmens erfüllen und wird Sensorverkäufe über die nächsten fünf Jahre und darüber hinaus signifikant treiben.

Brad Walters: Es ist leicht zu sehen, dass prädiktive Wartung, Fernüberwachung und -steuerung sowie autonome Systeme in praktisch jeder Industrie weiterhin stark von Fortschritten in smarter Sensortechnologie abhängen werden. Zum Beispiel verlassen sich Innovatoren in Öl & Gas, Landwirtschaft, Energie- und Stromerzeugung, Chemie & Bergbau und Transport auf drahtlose Sensoren mit weitreichenden Fähigkeiten, die langreichweitige, energiesparende und lange Batterielebensdauer liefern. Während Hersteller, Gesundheitswesen und Smart Cities danach streben, effizienter zu werden, werden Sensorslösungen, die 4G LTE und 5G Funktionalität beschleunigen, Frequenzinterferenzen eliminieren und Multi-Access Edge Computing ermöglichen, hochwertvoll sein. Industrien, die smarte Sensoren effektiv integrieren, werden die IIoT-Evolution in die nächste industrielle Revolution vorantreiben.

Aric Prost: Wir sehen die größte Nachfrage nach Sensortechnologie kommen nicht von spezifischen Industrien, sondern von spezifischen Use Cases innerhalb von Industrien, wo Assets und Prozesse remote oder unzugänglich sind, kritisch zu messen, hochgeschwindig sind und wo Sicherheit ein signifikanter Faktor ist. Sensortechnologie wird essenziell sein, um Automatisierung und Fernmanagement in diesen Fällen zu skalieren. Es gibt eine Reihe von Beispielen, die quer durch Discrete Manufacturing – komplexe Verpackungsmaschinen, Robotik, Metallfertigung; Wasser & Abwasser – remote und unbesetzte Pumpstationen, Durchflussmesser; Stromerzeugung – Solaranlagen, Windparks, Umspannwerke; Öl & Gas – Pumpstationen, Durchflussmessstationen, Produktionsplattformen und viele andere. Für diese Assets und Use Cases erfordert die Fülle an Sensortechnologie und limitierte Konnektivität ein „Gehirn“ vor Ort, um Daten zu verarbeiten und zu speichern, Uptime-Verfügbarkeit zu gewährleisten, Cybersicherheits-Agenten laufen zu lassen und potenziell Monitor und Control ohne menschliches Eingreifen bereitzustellen. Edge-Computing-Plattformen bieten diese Fähigkeiten und damit die Mittel, Sensordaten zu nutzen, um Industrie-4.0-Fähigkeiten zu realisieren.

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