Vorausschauende Instandhaltung (Predictive Maintenance) ist ein Schlüsselbegriff für einen reibungslosen Betriebsablauf. Es geht darum, zukünftige Ausfälle an Produktionsanlagen bereits vorab zu erkennen und präventiv zu handeln, um unvorhergesehene Wartungen und Produktionsstopps zu verhindern. Jedoch übersteigt der finanzielle, personelle und zeitliche Aufwand für eine manuelle Überprüfung der einzelnen Maschinen für viele Betriebe den Rahmen der Möglichkeiten. Erschwerend kommt hinzu, dass Maschinen oft weit entfernt voneinander an Orten installiert sind, an denen eine herkömmliche, kabelgebundene Datenkommunikation gar nicht oder nur schwer möglich ist. Hier kommen funkgestützte LoRaWAN-IoT-Module ins Spiel: Sie sammeln drahtlos Daten von Sensoren und Aktoren und senden diese in Echtzeit an eine zentrale Basisstation. Überwachte Parameter sind dabei u.a. Spannung, Strom, Vibration, Luftfeuchtigkeit, Wasserstand oder Temperatur. Installiert an der Stromzuleitung einer Pumpe z.B. warnen Sensormodule vor erhöhtem Stromverbrauch oder Hitzeschäden; angebracht an Kesseln und Motoren überwachen sie Kühlwasser und Maschinenschwingungen.
Effizientere Instandhaltung durch Fernkontrolle und Cloud Management
Der Einsatz von IoT-Geräten wie I/O-Sensormodulen ist keine Neuerung. Sind diese Geräte aber noch zusätzlich fähig, funkbasierte Kommunikationstechnologien zu nutzen, kann vorausschauende Instandhaltung durch Fernkontrolle und Cloud Management effizienter und kostengünstiger gestaltet werden als bisher möglich. Ein solches funkbasiertes System ist LoRaWAN, das von dem offenen Non-Profit-Verband LoRa Alliance speziell für das IoT entwickelt wurde. Es überträgt kleine Datenmengen über große Entfernungen und das mit sehr geringem Energieaufwand. Dabei arbeitet das LoRa-Signal auf unterschiedlichen Frequenzkanälen im unlizenzierten ISM-Band, in Europa bei 868MHz. LoRaWAN beschreibt also nicht nur die Kommunikation zwischen diesen einzelnen Geräten, sondern die Architektur des ganzen Netzwerks.
Durch die Wand: Starkes Signal mit großer Reichweite
Die Messorte, an denen funkbasierte Kommunikationstechnik eingesetzt wird, sind oft weitläufig und voller Signalhindernisse, z.B. Fabrikgebäude mit dicken Wänden oder Keller und Tiefgaragen. Gerade unter diesen Einsatzbedingungen zeigen Protokolle wie LoRaWAN entscheidende Vorteile:
Große Reichweite: In ländlichen Gebieten reicht das LoRa-Signal bis zu 15km, in städtischen Umgebungen bis zu 5km weit. Damit kommt LoRaWAN weiter als herkömmliche Funktechnologien wie WiFi oder Bluetooth.
Geringer Energieverbrauch: Batteriebetriebene LoRaWAN-IoT-Module erreichen oft eine Batterielebensdauer von mehreren Jahren. Dies ist gerade in industriellen Anwendungen nützlich, da die Geräte oft an Orten installiert werden, die schwer zu erreichen und aufwändig zu warten sind.
Einfache Nachrüstung: Obwohl LoRaWAN eine neuere Technologie ist, lassen sich LoRaWAN-fähige IoT-Module ohne großen Aufwand auch an älteren Maschinen problemlos nachrüsten.
Adaptive Data Rate (ADR): LoRaWAN verwendet eine adaptive Datenratenregelung, die automatisch die Datenrate und die Sendeleistung anpasst, um Energieeffizienz zu maximieren und Netzwerkkapazität zu optimieren.
Starke Signaldurchdringung: Echtzeitdaten können auch auf großen Fabrikgeländen oder in dicht bebauten Städten gemessen werden, da die LoRa-Signale Hindernisse wie Wände gut durchdringen. Dies wird insbesondere durch die sehr hohe Empfindlichkeit von -137dBm der LoRaWAN-Empfänger und des CSS-Modulationsverfahrens ermöglicht.
Hohe Skalierbarkeit: LoRaWAN-Netzwerke sind hoch skalierbar und können mehrere Millionen Geräte in einem großflächigen Netzwerk unterstützen.
Vorausschauende Wartung als Komplettlösung
Im Bild ist ein Beispiel für die Umsetzung einer LoRaWAN-Komplettlösung in einem Fertigungsbetrieb zu sehen. Im dargestellten Außenbereich einer Fabrik messen intelligente Sensoren an Pumpen angebracht die Schwingungen der Antriebsaggregate. Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Zonen gibt es LoRaWAN-Sensoren auch mit ATEX-Zulassung. In Fertigungshallen überwachen ebenfalls Vibrationssensoren die reibungslose Produktionsleistung der Motoren. Temperatursensoren in den Fertigungszentren stellen sicher, dass es nicht zur Überhitzung kommt und vermeiden damit unvorhergesehene Ausfälle. Stromsensoren erfassen den Energieverbrauch der Anlagen und liefern so weitere wichtige Informationen, um die Fertigungsprozesse zu optimieren und Einsparungspotenziale zu identifizieren. Über ein industrielles LoRaWAN-Gateway werden regelmäßig und in Echtzeit gemessenen Daten auf einen lokalen Datenserver übertragen oder in einer Daten-Cloud gespeichert. In diesem Beispielsbetrieb wird deutlich, wie wichtig eine zuverlässige drahtlose Verbindung in einem räumlich ausgedehnten Bereich mit begrenzter Konnektivität ist.