Industrie-IoT-Sensoren sind die Messgeräte, die Sie an Maschinen und Versorgungsanlagen anbringen, damit deren Zustand in einer Software ankommt, ohne dass jemand mit dem Klemmbrett durch die Halle gehen muss. Bei der Auswahl geht es darum, drei Dinge aufeinander abzustimmen: welchen Fehler Sie erkennen wollen, wie der Messwert von der Maschine wegkommt und was den Sensor jahrelang mit Strom versorgt.

Ein Betriebsingenieur geht diese Frage meist mit einer Maschinenliste und einem Budget an, und die Sensoren sind darin oft der kleinste Posten. Ein falsch gewähltes Netz oder eine falsche Stromversorgung macht aus einem Pilotprojekt eine Wartungslast, deshalb widmet sich dieser Leitfaden diesen Punkten genauso ausführlich wie den Sensoren.

Kurz erklärt

  • Gehen Sie vom Fehler aus, den Sie erkennen wollen, und wählen Sie dann die Messgröße: Vibration für Lager und Unwucht, Temperatur für Überhitzung, Strom für Last und Betriebszustand, Druck für Strömungsprobleme.
  • Ältere Maschinen lassen sich mit Sensoren zum Anklemmen und mit Magnetfuß überwachen, ohne die Steuerung der Maschine anzufassen.
  • Stromsparende Funknetze großer Reichweite eignen sich für sich langsam ändernde Messwerte über ein ganzes Gelände; kabelgebundene Verbindungen eignen sich für schnelle Daten und für Maschinen, bei denen Strom und Verkabelung schon in der Nähe sind.
  • Die Batterielaufzeit hängt vor allem davon ab, wie oft ein Sensor sendet, daher ist das Sendeintervall genauso eine Energie- wie eine Überwachungsentscheidung.

Welche Sensoren gibt es für die Zustandsüberwachung?

Sensoren für die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) messen ein physikalisches Anzeichen für den Zustand einer Maschine. Die gängigen Typen decken den Großteil der Anlagen in einem Werk ab:

Sensortyp Was er misst Typischerweise erkannte Probleme Typische Montage
Vibration (Beschleunigungssensor) Beschleunigung, oft gemeldet als RMS-Schwinggeschwindigkeit und Spitzenwerte Unwucht, Fluchtungsfehler, Lockerung, Lagerverschleiß Gewindebolzen, Klebepad oder Magnet am Lagergehäuse
Temperatur Oberflächen- oder Medientemperatur Überhitzte Motoren, ausfallende Kühlung, Reibung Kontaktfühler, Anlegesensor oder berührungslose Infrarotmessung
Strom Elektrischer Strom in der Zuleitung eines Motors Betriebszustand, Überlast, eine blockierte oder nicht beschickte Maschine Aufklappbarer Stromwandler um einen Phasenleiter
Druck Leitungs- oder Differenzdruck Verstopfte Filter, Leckagen, Pumpenprobleme Prozessanschluss mit Gewinde
Ultraschall Hochfrequenter Schall Beginnende Lagerschäden, Druckluftleckagen, elektrische Entladungen Kontaktfühler oder Luftschallmikrofon
Ölqualität Wassergehalt, Partikel, Viskosität Verunreinigter oder gealterter Schmierstoff Inline-Sensor im Schmierkreislauf

Zwei praktische Punkte stehen in keiner Tabelle. Erstens senden viele Funk-Vibrationssensoren keine vollständige Wellenform. Sie berechnen Kennwerte direkt im Gerät, etwa die RMS-Schwinggeschwindigkeit und die Spitzenbeschleunigung, und übertragen nur diese, weil eine rohe Wellenform für eine stromsparende Funktechnik viel zu viele Daten wäre. Kennwerte eignen sich hervorragend für Trends und Alarme; für eine detaillierte Schadensdiagnose braucht man einen Sensor oder ein Edge-Gerät, das die Wellenform erfassen kann.

Zweitens ist eine Messung nur so gut wie die Stelle, an der sie stattfindet. Ein Vibrationssensor gehört auf ein steifes Bauteil nahe am Lager, nicht auf ein Lüftergitter oder ein dünnes Abdeckblech. Ein Temperaturfühler am Motorgehäuse zeigt eine niedrigere Temperatur an, als in den Wicklungen im Inneren herrscht, deshalb muss sein Alarmgrenzwert diesen Versatz berücksichtigen.

Es hilft, von einer Maschine auszugehen statt vom Sensorkatalog. Ein Beispiel ist eine Kreiselpumpe, die von einem Elektromotor über eine Kupplung angetrieben wird. Der Motor hat zwei Lager, auf der Antriebs- und auf der Nichtantriebsseite, und die Pumpe hat zwei weitere. Eine sinnvolle Grundausstattung besteht aus einem Vibrationssensor am antriebsseitigen Lager des Motors, einem am antriebsseitigen Lager der Pumpe, einer Temperaturmessung an jedem dieser beiden Gehäuse (viele Vibrationssensoren messen auch die Temperatur) und einem Stromwandler an der Motorzuleitung. Das sind drei Geräte, und zusammen decken sie Unwucht, Fluchtungsfehler, Lagerverschleiß, Überhitzung und die Frage ab, ob die Pumpe überhaupt läuft.

Welche Sensoren eignen sich zur Überwachung älterer Maschinen?

Die meisten Fabriken betreiben Maschinen, die lange gebaut wurden, bevor jemand an Vernetzung dachte. Die gute Nachricht: Sensoren zur Maschinenüberwachung lassen sich nachrüsten, ohne den Schaltschrank zu öffnen oder das SPS-Programm zu ändern, sodass Garantien und sicherheitstechnische Abnahmen erhalten bleiben.

Das übliche Nachrüst-Set sieht so aus. Ein aufklappbarer Stromwandler um eine Phase zeigt Ihnen, ob eine Maschine läuft, im Leerlauf ist oder überlastet wird, und beantwortet damit bereits Fragen zur Auslastung. Ein Beschleunigungssensor mit Magnetfuß an jedem Lagergehäuse eines kritischen Motors und einer kritischen Pumpe liefert einen Vibrationstrend. Ein Anlegetemperatursensor an einem Getriebe oder einem Hydrauliktank liefert einen Temperaturtrend. Für keinen davon muss gebohrt werden, und alle lassen sich versetzen, falls sich der erste Montageort als falsch herausstellt.

Prüfen Sie beim Vergleich von Hardware zur Maschinenüberwachung diese Punkte an der realen Umgebung statt am Prospekt:

  • Messbereich und Genauigkeit für das tatsächliche Signal, zum Beispiel einen Vibrationsmessbereich, der die Drehzahl der Maschine abdeckt;
  • Schutzart gegen Wasser bei der Reinigung, Kühlschmierstoff und Staub;
  • Betriebstemperatur, einschließlich der heißesten Oberfläche, die der Sensor berührt;
  • Zulassung für explosionsgefährdete Bereiche, wo nötig, etwa eine ATEX-Gerätezulassung in der EU;
  • wie der Sensor nach der Installation konfiguriert wird, zum Beispiel ob sich sein Sendeintervall per Funk ändern lässt.

Sensoren für die vorausschauende Wartung sind keine eigene Hardwarekategorie. Dieselben Beschleunigungs- und Temperatursensoren werden „vorausschauend“, wenn ihre Messwerte über Monate als Trend verfolgt und mit Grenzwerten verglichen werden, die genug Zeit lassen, eine Reparatur zu planen.

Welches drahtlose Sensornetzwerk eignet sich für die Fabrik?

Drahtlose Sensornetzwerke für die Überwachung in der Fabrik ersparen den teuersten Teil einer Nachrüstung: Kabel durch ein laufendes Werk zu ziehen. Jede Option eignet sich für andere Daten.

Option Typische Reichweite im Werk Stromversorgung Daten pro Nachricht Geeignet für
Kabelgebunden 4–20 mA oder IO-Link Kabellänge (IO-Link bis 20 m pro Port) Aus dem Schaltschrank Kontinuierlich Schnelle Signale, Maschinen mit Schaltschrank in der Nähe
LoRaWAN Hunderte Meter bis einige Kilometer pro Gateway Batterie, oft für Jahre Wenige bis einige Dutzend Bytes Regelmäßige Messwerte über ein ganzes Gelände
mioty Ähnlich wie LoRaWAN Batterie, oft für Jahre Kleine Payloads Sehr viele Sensoren, Standorte mit vielen Funkstörungen
WLAN Einige Dutzend Meter pro Access Point Netzstrom oder Akku Hoch Wellenformen, Daten mit hoher Rate
Zigbee- oder Bluetooth-Mesh Einige Dutzend Meter pro Hop Batterie Klein bis mittel Dichte Innenbereiche, kurze Distanzen

Fabrikhallen machen es dem Funk schwer. Stahlregale, Maschinen und Betonwände reflektieren und blockieren Signale, und Motoren und Schweißanlagen erzeugen zusätzlich elektrische Störungen. LPWAN-Technologien großer Reichweite wie LoRaWAN und mioty kommen damit gut zurecht, weil sie Datenrate gegen Robustheit eintauschen. So kommt eine kleine Nachricht dort durch, wo eine WLAN-Verbindung Mühe hätte. Bevor Sie in großer Stückzahl kaufen, montieren Sie ein Gateway hoch und zentral, tragen Sie einen Testsensor in die ungünstigsten Ecken der Halle und prüfen Sie an jeder Stelle die Signalqualität. Wiederholen Sie den Rundgang bei laufenden Maschinen, denn eine Halle unter Volllast ist elektrisch lauter als dieselbe Halle an einem ruhigen Sonntag, und eine Stelle mit knappem Empfang kann unter Last ausfallen.

Auch die Funkregeln bestimmen, wie oft ein Sensor melden kann. In Europa nutzt LoRaWAN das 868-MHz-Band, in dessen meisten Teilbändern ein Gerät nur 1 % der Zeit senden darf. Für einen Sensor, der alle paar Minuten eine kurze Nachricht schickt, ist das überhaupt keine Einschränkung, es schließt LoRaWAN aber für alles aus, was jede Sekunde einen Messwert braucht. Wer schnelle Daten braucht, plant von Anfang an eine kabelgebundene oder WLAN-Verbindung ein.

In Kilo ist der LoRaWAN-Netzwerkserver Teil der Plattform, sodass eine Fabrik nur Gateways braucht, die das Protokoll LoRa Basics Station unterstützen. mioty-Basisstationen verbinden sich entweder mit der in Kilo Cloud integrierten mioty-Anbindung oder mit dem quelloffenen Kilo mioty Service Center, das Sie selbst hosten. In beiden Fällen landen die Messwerte von Sensoren für die vorausschauende Wartung an Pumpen und Motoren in denselben Dashboards, wobei der Vibrations- und Temperaturtrend jeder Maschine neben denen der anderen dargestellt wird.

Wie versorgt man Sensoren in der Fabrik dauerhaft mit Strom?

Für die dauerhafte Stromversorgung von Sensoren in der Fabrik gibt es vier Quellen, und meist nimmt Ihnen der jeweilige Montageort die Wahl ab.

Batterien sind der Standard bei Funk-Nachrüstungen. Langlebige Industriesensoren nutzen oft Lithium-Thionylchlorid-Zellen, die ihre Ladung jahrelang halten, bei starker Kälte aber Kapazität verlieren. Die Batterielaufzeit hängt vor allem vom Senden ab. Angenommen, das Datenblatt eines Sensors verspricht acht Jahre bei einer Meldung pro Stunde, und bei dieser Rate entfallen 70 % seiner Energie auf das Senden und 30 % auf den Schlafmodus. Stellen Sie auf eine Meldung alle zehn Minuten um, wächst der Sendeanteil um das Sechsfache: 0,3 + 0,7 × 6 = 4,5, also der 4,5-fache Tagesenergiebedarf, und die Batterie hält also etwa 8 ÷ 4,5 ≈ 1,8 Jahre. Die Zahlen sind frei gewählt, aber das Muster gilt für die meisten stromsparenden Sensoren.

Netzstrom oder 24 V DC ist sinnvoll, wo der Sensor neben einem Schaltschrank sitzt, der bereits eine Versorgung hat, und für Sensoren, die schnell abtasten oder Daten streamen. 24 V DC ist in der Industrie die Standardversorgung für Feldgeräte, sodass ein Sensor oder Gateway im Schaltschrank sie meist mitnutzen kann.

Power over Ethernet (PoE) überträgt Strom und Daten über ein einziges Kabel. Der Standard IEEE 802.3af liefert bis zu 15,4 W am Switch-Port, genug für die meisten Sensoren, Edge-Geräte und Gateways, und spätere Versionen liefern mehr. Der Haken ist das Kabel selbst: Jedes PoE-Gerät braucht eine eigene Leitung zurück zum Switch, deshalb lohnt sich PoE für ein Gateway oder eine Kamera an der Hallendecke, für zwanzig über Maschinen verteilte Sensoren dagegen kaum.

Energy Harvesting versorgt einen Sensor aus seiner Umgebung: aus Vibration, Temperaturunterschieden oder Licht. Das passt zu Maschinen, die ständig laufen, aber ein Sensor, der von der Vibration der Maschine lebt, hört auf zu melden, sobald die Maschine stillsteht. Prüfen Sie also, ob Sie auch während Stillstandszeiten Messwerte brauchen.

Batteriewechsel sind leichter zu bewältigen, wenn man sie als geplante Instandhaltungsarbeit behandelt. Erfassen Sie für jeden Sensor Installationsdatum und Sendeintervall und planen Sie den Tausch nach Bereichen, sobald sich die ersten Sensoren ihrer erwarteten Lebensdauer nähern. Ein Sensor an einer heißen Stelle, etwa auf einem Ofen oder einem Kompressor, kann früher leer sein, als das Datenblatt vermuten lässt, weil die Batteriechemie in beide Richtungen temperaturempfindlich ist.

Häufige Fragen zu Industrie-IoT-Sensoren

Was bedeutet IP67 bei Industrie-IoT-Sensoren?

IP67 ist eine Schutzart nach IEC 60529. Die 6 bedeutet, dass das Gehäuse staubdicht ist, und die 7, dass es zeitweiliges Untertauchen in bis zu 1 m tiefes Wasser für 30 Minuten übersteht. Reinigung mit Hochdruck deckt sie nicht ab, dafür gibt es IP69K.

Brauchen Industrie-IoT-Sensoren ein Gateway?

Die meisten Funksensoren schon. LoRaWAN-Sensoren kommunizieren mit einem LoRaWAN-Gateway und mioty-Sensoren mit einer Basisstation, die die Nachrichten über Ethernet, WLAN oder eine andere Backhaul-Verbindung an einen Netzwerkserver weiterleiten. Ein Gateway kann Hunderte Sensoren bedienen, daher braucht eine einzelne Halle selten mehr als ein oder zwei.

Lassen sich Industrie-IoT-Sensoren an eine vorhandene SPS anschließen?

Ja, wenn die SPS freie Eingänge hat. Ein kabelgebundener Sensor mit 4–20-mA-Ausgang lässt sich direkt an eine Analogeingangskarte anschließen, und die SPS teilt diesen Wert dann wie jedes andere Signal mit SCADA oder einem Edge-Gateway. Funksensoren umgehen die SPS meist und melden stattdessen an ihr eigenes Netz.

Wählen Sie die Maschine – eine Pumpe oder einen Motor –, deren Ausfall am meisten wehtut, und statten Sie sie mit der Grundausstattung aus drei Geräten aus dem Pumpenbeispiel aus. Ergänzen Sie dann zwei Vibrationssensoren an der nächsten Maschine in der Linie und stellen Sie beide Maschinen in einem Dashboard dar. Diese fünf Sensoren passen in den kostenlosen Tarif von Kilo. Kilo Electronics führt Beschleunigungssensoren für diese Art der Nachrüstung, und Sensoren anderer Anbieter funktionieren ebenfalls, solange sie eine unterstützte Anbindung nutzen.