Mobile Estrichmaschinen mischen Sand, Zement und Wasser und fördern das abrasive Material über Schlauchleitungen bis an den jeweiligen Einsatzort – häufig über mehrere Stockwerke hinweg. Für mechanische Komponenten ist das bereits eine anspruchsvolle Umgebung. Noch höher sind die Anforderungen an Kommunikations- und Sensorelektronik, die dauerhaft in der Maschine verbleibt.
BMS erzielt rund 60 Prozent seines Umsatzes im Export. Die zunehmende Vernetzung betrachtet der Maschinenhersteller deshalb als nächsten Entwicklungsschritt seiner Maschinen.
Für Betreiber schafft die Vernetzung vor allem Transparenz über dezentral eingesetzte Maschinen: Position, Betriebszustände sowie Wartungs- und Fehlerdaten lassen sich abrufen und für Flottenmanagement, Diebstahlschutz und Ferndiagnose nutzen.
Vom Maschinensignal zum Kundendashboard
Für die Umsetzung von BMS Connect arbeitete der Maschinenhersteller mit Concept Electronic zusammen. Das Unternehmen entwickelt unter der Marke Easy-IoT Lösungen für die industrielle Vernetzung und hatte bereits Steuerungstechnik an BMS geliefert. Die Aufgabenstellung umfasste die gesamte Datenkette: Betriebsinformationen aus der Maschine erfassen, mit Positionsdaten ergänzen, weltweit übertragen und in einem cloudbasierten Dashboard bereitstellen. Aufgrund der Einsatzbedingungen erforderte die Telematikanwendung eine weitreichende Anpassung der Hardware.
Als technische Basis diente das EB-Gateway-Nano von Concept Electronic. Das 100×96,6×45mm kleine Edge-Gerät arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 12 bis 24V DC. Zur Ausstattung gehören digitale Ein- und Ausgänge in Open-Drain-Ausführung, ein Analogeingang für 4-20mA sowie CAN-, RS485- und RS232-Schnittstellen. Damit bringt das Gerät die Voraussetzungen für die Kommunikation mit industriellen Steuerungen und Sensoren mit.
Vollverguss für den Baustelleneinsatz
Die serienmäßige Ausführung des Gateways mit Schutzart IP41 reichte für den offenen Einbau in einer Baumaschine nicht aus. Feuchtigkeit, Staub und anhaltende Erschütterungen hätten die Zuverlässigkeit im täglichen Betrieb beeinträchtigen können. Gefordert war deshalb eine Lösung nach IP68. „Ein übliches Industriegehäuse wäre für diese Anwendung nicht robust genug gewesen“, erklärt Markus Kessler, Experte für hochintegrierte Steuerungslösungen bei Concept Elec-tronic. „Die Elektronik ist erheblichen Vibrationen und Feuchtigkeit ausgesetzt.“
Für die OEM-Ausführung wurde die Elektronik vollständig vergossen. Der Verguss schützt das System sowohl gegen eindringendes Wasser als auch gegen die mechanischen Belastungen während des Maschinenbetriebs. Zusätzlich musste das Gateway bei ausgeschalteter Maschine kommunikationsfähig bleiben. Das ist insbesondere für Ortung und Diebstahlschutz relevant, da die reguläre Bordversorgung bei abgestelltem Dieselmotor nicht dauerhaft verfügbar ist. In die kundenspezifische Ausführung wurden daher ein Gyrosensor zur Bewegungserkennung, ein GPS-Modul sowie ein Lithium-Ionen-Akku mit Lademanagement integriert.
Die Maschinensteuerung als Datendrehscheibe
Das IoT-Gateway greift die Motordaten nicht unmittelbar am Aggregat ab. Stattdessen übernimmt die zentrale Maschinensteuerung die Funktion einer Datendrehscheibe. Der verbaute Deutz-Dieselmotor übermittelt seine Statuswerte über den Motor-CAN-Bus an die Steuerung. Dort laufen außerdem Informationen von Endschaltern und weiteren Sensoren zusammen.
Das Gateway ist direkt mit dieser Steuerung verbunden. Es übernimmt die bereits gebündelten Daten, bereitet sie für die weitere Verarbeitung auf und überträgt sie an das Backend. Diese Architektur reduziert die Zahl der direkten Schnittstellen und trennt Maschinenfunktion und externe Kommunikation. Grundsätzlich kann das Gateway Daten nicht nur weiterleiten, sondern auch lokal verarbeiten. Je nach Anwendung lassen sich Sensordaten direkt auf dem Edge-Gerät filtern, auswerten und speichern. Das ist bei fehlender dauerhafter Mobilfunkverbindung sinnvoll.
Mobilfunk mit lokaler Datenpufferung
Bei BMS Connect erfolgt die Datenübertragung über ein integriertes LTE-Cat-1-Modem, das bei Bedarf auf 2G zurückfallen kann. Eine Multi-Netz-SIM ermöglicht die Einwahl in unterschiedliche Mobilfunknetze. Das Gerät wählt das am Einsatzort verfügbare Netz und ist damit nicht dauerhaft an einen einzelnen Anbieter gebunden.
Auch bei fehlender Netzabdeckung bleiben die Betriebsinformationen erhalten. Das Gateway speichert die Daten lokal zwischen. Sobald wieder eine Verbindung besteht, werden sie automatisch an die in Deutschland betriebene Cloud übertragen. Für den Nachrichtenaustausch kommt MQTT in Verbindung mit HTTPS zum Einsatz; die Übertragung erfolgt verschlüsselt.
Zur Systemarchitektur gehören außerdem Over-the-Air-Updates. Neue Firmwarestände und Fehlerkorrekturen lassen sich aus der Ferne sowohl für das Gateway als auch für die Maschinensteuerung bereitstellen. Das Updatepaket wird zunächst vollständig im Hintergrund geladen und geprüft; erst danach beginnt die Installation. So soll eine unterbrochene Mobilfunkverbindung nicht zu einem unvollständigen Softwarestand führen.
Betriebszustände und Ferndiagnose
Im Dashboard sehen Anwender nicht nur die aktuelle Position ihrer Maschinen. Das System stellt außerdem Betriebszustände und Leistungsdaten bereit. So lässt sich erkennen, ob der Motor läuft, ob die Maschine Material mischt oder ob der Estrich bereits in das Gebäude gefördert wird. Damit erhalten Flottenverantwortliche einen Überblick über parallel auf unterschiedlichen Baustellen eingesetzte Maschinen.
Neben Routen und Tagesleistungen spielt die Ferndiagnose eine zentrale Rolle. Über die Maschinensteuerung kann das Gateway aktive und passive Diagnosecodes des Motors auslesen. Servicetechniker erhalten dadurch Hinweise auf die Ursache eines Stillstands, bevor ein Vor-Ort-Einsatz veranlasst wird. „Die Meldungen reichen von technischen Störungen bis zu einem leeren Dieseltank“, berichtet Kordtomeikel. „Wenn wir die Ursache aus der Ferne erkennen, lassen sich unnötige Servicefahrten vermeiden.“ Betreiber können ihre Maschinen damit gezielter disponieren und Ausfallzeiten verkürzen; der Hersteller kann Serviceanfragen schneller einordnen und die technische Unterstützung vorbereiten.
Schritt zur zustandsbasierten Wartung
Derzeit werden Wartungsintervalle vor allem anhand der Betriebsstunden berechnet. Im Dashboard weist ein Ampelsystem in den Farben Grün, Orange und Rot auf anstehende Maßnahmen hin. Perspektivisch soll die zustandsbasierte Wartung über feste Intervalle und klassische Fehlercodes hinausgehen.
Concept Electronic arbeitet dazu gemeinsam mit einem Fraunhofer-Institut an Verfahren zur KI-gestützten vorausschauenden Wartung. Ziel ist es, verfügbare Sensor- und Telemetriedaten gemeinsam auszuwerten, Abweichungen in den Betriebsabläufen zu erkennen und daraus konkrete Handlungsempfehlungen abzuleiten. Nach einer kurzen servergestützten Anlernphase sollen die Algorithmen möglichst direkt auf dem Edge-System arbeiten. Wiederkehrende Muster könnten damit lokal erkannt werden, ohne dass für jede Analyse eine permanente Verbindung zum Rechenzentrum erforderlich ist.
Denkbar ist beispielsweise, Veränderungen im Maschinenlauf frühzeitig einem beginnenden Verschleiß zuzuordnen und den Betreiber vor einem Ausfall zu warnen. „Bei komplexen Fehlerbildern bitten Kunden heute häufig unseren Service, die Daten im Dashboard zu prüfen“, sagt Kordtomeikel. „Künftig soll das System solche Muster selbst erkennen und möglichst konkret anzeigen, welches Bauteil kontrolliert oder ersetzt werden muss.“
