Kleiner Sender, großes Potential – Einsatz von Beacons in Ex-BereichenBeacons übertragen kleine Datenmengen besonders ener-gieeffizient, halten mehrere Jahre ohne Batteriewechsel durch und triggern mobile Apps für vielfältigste Anwen-dungen. Im Zusammenspiel mit den Enterprise-Mobility-Lösungen von BARTEC eröffnen die kosteneffizienten Funksender in Ex- und Non-Ex-Bereichen ein beachtliches Verbesserungspotential. Das Spektrum reicht von erhöh-ter Sicherheit über stark vereinfachte und nachvollziehba-re Wartungsrundgänge mit Augmented-Reality-Navigation und automatischer Datenernte bis hin zur permanenten Datenerfassung im Rahmen von IIoT-Konzepten.

Wer heute ein Museum besucht und sich die passende App herun-terlädt, interagiert immer häufiger mit kleinen Funksendern. Die so-genannten Beacons sind an den Exponaten angebracht und senden über Bluetooth regelmäßig ihre ID aus. Nähert sich ein Besucher, erfasst sein Smartphone das ID-Signal, und die App liefert die zum Exponat passenden Multimedia-Inhalte. Der lokale Bezug macht nicht nur Museumsbesuche zu einem völlig neuen interaktiven Erlebnis, sondern auch das Einkaufen. Der Handel nutzt Beacons zum Navigieren in Ladengeschäften, für Rabattprogramme und Payback-Lösungen. Welche Chancen bringt der weltweite Beacon-Trend für die Prozessindustrie?

Erhebliches Potential für die Prozessindustrie

Übertragen auf die Prozessindustrie und weitere Branchen mit Ex-Bereichen eröffnen Beacons vielfältige Einsatzmöglichkeiten: So können etwa Mobilgeräte, die das Beacon-Signal im Feld empfan-gen, anhand der Signalstärke grob lokalisiert werden (Proximity). Per App lassen sich dann insbesondere Wartungsarbeiten digital unterstützen oder die Personensicherheit verbessern. Befinden sich mehrere Beacons im Umfeld des Empfängers, ist mittels Tri-lateration (Entfernungs- bzw. Abstandsmessung zu drei Beacons) auch eine genauere Positionsbestimmung möglich, etwa für das Asset-Tracking.Über so genannte Sensor-Beacons lassen sich zusätzlich zur ID auch Messdaten an ein Smart Device oder einen Hub senden. Im Rahmen eines Industrial Internet of Things (IIoT) können so An-lagen und Prozesse zustandsbasiert überwacht oder zustandsba-siert gewartet werden. Werden Beacons mit externen Sensoren verbunden, lassen zudem noch weitere Messdaten erfassen bzw. sammeln. Dies ist nicht zuletzt für das Nachrüsten von bestehen-der Anlagen höchst interessant ist, da sich nun Informationen zu Anlagenteilen gewinnen lassen, die bislang nicht verfügbar waren. Darüber hinaus bietet sich dadurch eine Alternative zum kostenin-tensiven Nachrüsten mit kabelgebundenen Sensoren, was zudem aus Sicherheitsgründen nicht immer möglich ist.

>> Ein Beacon sendet per Bluetooth LE seine ID, Textinfos oder Messdaten an ein Smart-Device oder einen Hub.

Bluetooth-Beacons sind in vielen Varianten erhältlich und ermöglichen vielfältige Anwendungen. (Quelle: www.blukii.com)

Unterschiedliche Kategorien von Beacons

Einfache Beacons senden in regelmäßigen Abständen ihre ID, die nach einem Abgleich mit einem Backend eine Aktion auslö-sen kann. Beacons mit integrieren Sensoren funken zusätzlich deren Live-Messwerte, die sich per mobiler App oder Hub verar-beiten und ins Backend weiterleiten lassen. Zu den erfassbaren Messdaten zählen insbesondere Umgebungsdaten wie Tem-peratur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Licht, aber auch Be-schleunigung (Neigung), Magnetfeld, Batterielevel und Distanz. Um die Technologie tragbar Darüber hinaus, sind auch Weara-bles mit integrierten Beacons erhältlich. Um Beacons auch in Ex-Bereichen sicher betreiben zu können, arbeitet BARTEC mit verschiedenen Beacon-Anbietern an einer geeigneten Lösung.

>> Beacons eignen sich perfekt für die Nachrüstung im „Brownfield. Sie senden ID und Messdaten bis zu 100 m weit, bis zu 10 Jahre ohne Batteriewechsel.

Messwerte im Sekundentakt

Die Sensorwerte des Sensor-Beacons sind sehr einfach aus-zulesen, denn im Gegensatz zu einem Industriesensor wird kein Bluetooth-Pairing benötigt. Nach der Beacon ID werden alle Sen-sor-Pakete in einem festgelegten Rhythmus versendet und somit abrufbar. So lassen sich beispielsweise in einem Advertising-In-tervall von 4 Sekunden Beacon ID (Sekunde 1), Umgebungsdaten (Sekunde 2), Magnetismus (Sekunde 3) und Beschleunigung (Se-kunde 4) aussenden, um damit die Temperatur und Vibration eines Motors oder einer Pumpe zu überwachen und in Verbindung mit Analysetools zustandsbasiert zu warten.Im Gegensatz zu einem Industriesensor eignen sich Beacons al-lerdings nicht für große Datenmengen, zur Datenspeicherung oder für Onboard-Auswertungen. Dafür sind die Anschaffungskosten deutlich geringer.

Was ist ein Bluetooth-Beacon?

Als Beacon bzw. Bluetooth-Beacon wird ein kleiner Funksender oder Empfänger bezeich-net, der auf Bluetooth Low Energy (BLE) oder Bluetooth Smart Technologie basiert. Zuneh-mende Bedeutung erfahren die Beacons mit dem seit Jahren steigenden Bedarf an Lösun-gen zur Steigerung der Transparenz und Effizi-enz im Zusammenhang mit neuen IoT-Konzep-ten. Smartphones, Tablets und Tablet-PCs sind ab Android 4.3 und Windows 8.1 für Beacons empfänglich. Im einfachsten Fall übertragen Beacons ihre ID, die als Referenz für weitere Aktionen dient. Sensor-Beacons übertragen ebenfalls Live-Messdaten. Die Stromversorgung erfolgt typischerweise mittels Batterie, seltener per Kabel. Die Reich-weite beträgt je nach Hersteller, Entwicklungs-stand und Einsatzumgebung bis zu 30 Meter, die Lebensdauer bis zu 10 Jahre. Im IT-Umfeld wird der Begriff „Beacon“ (wörtlich: Funkbake oder Leuchtfeuer) auch für Statusnachrichten in einem WLAN oder Zählpixel in Nachrichten und Webseiten verwendet.

Industrie 4.0: Sensor-Beacons eignen sich zur kosteneffizienten Datenerfassung (Quelle: www.blukii.com)

Industrie 4.0: Sensor-Beacons senden alle Messdatenpakete in einem einstellbaren Advertising-Intervall. (Quelle: www.blukii.com)

So lassen sich Beacons sinnvoll einsetzen

In der Prozessindustrie entfalten Beacons das größte Verbes-serungspotential in Verbindung mit der standard-basierten BARTEC Agile Tablet-PC-Reihe, da diese durchgängig für alle Ex- und Non-Ex-Bereiche verfügbar sind und dank Windows 10 IoT alle gängigen Software-Lösungen unterstützt. Aufgrund des BLE Standards lassen sich Beacons aber auch mit Smart-phones und Mobilcomputern nutzen. Hier einige interessante Use-Cases:

1. Proximity-Anwendungen für mehr Sicherheit

Innerhalb von Gebäuden erkennen Ex-zertifizierte Mobilgeräte wie das BARTEC TC75 NI das BLE-Signal des Beacons in der Regel bereits ab 10 bis fünf Metern Entfernung und erlauben so eine Lokalisation des Mobilgerätes. In störungsfreien Umge-bungen sind Reichweiten von bis zu 100 Metern möglich. Hält sich dessen Träger länger als üblich in einem Bereich auf, kann das Mobilgerät eine Man-down-Meldung an die Leitzentrale absetzen. Für die manuelle Alarmierung ist auch der Einsatz von Armbändern mit Beacons und Druckknopf denkbar.

>> Beacons können die Personensicher heit im Feld erhöhen.

2. Zutrittskontrollen

Mithilfe der Lokalisation können aber auch Warnmeldungen ab-gesetzt werden, wenn sich Mitarbeiter einem Bereich nähern, den sie nicht betreten dürfen, oder wenn ihr Mobilgerät nicht für den entsprechende Ex Bereich zertifiziert bzw. genehmigt ist (Geo-Fencing). Ist dies der Fall, wird ein Alarm ausgelöst und die Leitwarte informiert. Für die Lokalisation von Personen und Zu-trittsüberwachung eignen sich auch Wearables mit integrierten Beacons in Kombination mit Near Field Communication (NFC).

3. Proximity und Asset-Tracking

Mithilfe von Proximity-Anwendungen (wörtlich: Annäherung) las-sen sich auch Wartungseinsätze und -rundgänge stark vereinfa-chen und Fehler vermeiden sowie Zeitstempel und Lokalisierung automatisch erfassen und damit die Sicherheit und Manipulati-onsfähigkeit von erfassten Daten erhöhen. Dank Beacon-Lokali-sierung bekommen Anwender die zu prüfenden Anlagenobjekte direkt visualisiert, gegebenenfalls mittels Augmented Reality. So muss beispielsweise die zu prüfende Pumpe nicht mehr gesucht werden, sondern wird sofort auf dem Display eingeblendet. Ein weiteres Anwendungsszenario bildet das Asset-Tracking, um beispielsweise Fahrzeuge kostengünstig mit Beacons ausrüsten und darüber an bestimmten Checkpoints zu erfassen.

4. Rundgänge digital unterstützen

Mit der Kombination aus Beacons, BARTEC Agile X Tablet-PC und wartungsunterstützenden Apps lässt sich auch der Doku-mentationsaufwand auf Rundgängen stark reduzieren. Im ein-fachsten Fall registriert die App, ob sich der Wartungsmitarbei-ter für eine gewisse Zeit im Inspektionsbereich aufhält. Erstellt er keine Fehlermeldung, notiert das System automatisch „alles ok“. Tritt ein Fehler auf, erstellt der Mitarbeiter eine Fehlermel-dung. Zusätzlich lässt sich die betreffende Stelle im Anlagenplan über den Touchscreen markieren (Redlining) und ein Foto oder Video anhängen. Digitale Checklisten in Verbindung mit Lokali-sierung sorgen dafür, dass am Ende alle Stationen abgelaufen und überprüft worden sind. Solche Anwendungen hat etwa der österreichische Systemintegrator Augmensys schon mehrfach umgesetzt. Die Softwarelösung UBIK® verbindet das mobile Da-tenmanagement zudem mit Augmented Reality, um die Effizienz und Sicherheit im Feld weiter zu optimieren.

Zutrittskontrolle: Erfasst ein Mobilgerät das Beacon-Signal, wird mittels WLAN im Backend überprüft, ob sich das Mobilgerät bzw. sein Träger im jeweiligen Ex-Bereich befinden dürfen.

Sensor-Beacons mit Hub vereinfachen Wartungsrundgänge und stellen Daten für Condition-Monitoring und eine zustandsbasierte Wartung bereit. Die aktuellen Messwerte werden auch ortsunabhängig auf dem Tablet-PC BARTEC Agile X sichtbar.ZONE 2

ZONE 1

ZONE 0

Non-Ex

LAN

ZONE 1 / ZONE 2 LAN

>> Beacons machen die Wartung einfacher, effizienter, nachvollziehbar und sicher

– für Betreiber und Service Personal.

5. Automatische Datensammlung

In einem weiteren Verbesserungsschritt werden bislang manuelle Eingaben von Objekten und Messdaten automatisiert. Die Sens-ordaten werden beim Erreichen des Objektes sofort von der App erfasst und (ggf. per Augmented-Reality) in das Display einge-blendet. Diese automatische Datensammlung versetzt Mitarbeiter in die Lage, Wartungsdaten sofort zuzuordnen, zu erfassen und zu speichern. Werden im Leitsystem hinterlegte Schwellenwerte überschritten, z.B. Temperatur, Vibration oder Stromaufnahme ei-ner Pumpe, bietet die App vorausgefüllte Meldungen an. Über ex-terne Sensorik, die an die Beacons angeschlossen ist, lassen sich tatsächliche Flüssigkeitsstände mit den automatisch im Leitsystem erfassten vergleichen. Auch solche Szenarien sind schon heute mit der Augmensys Software UBIK®, der BARTEC Agile X Tablet-PC-Reihe und ex-geschützten Beacons realisierbar.

6. Dauerhafte oder ambulante Datenerfassung

Im Rahmen eines IoT-Konzeptes eignen sich Beacons letztlich auch als selektive Datenquellen, die über geeignete Hubs regelmäßig Sensordaten für Condition-Monitoring und Predictive Maintenance liefern. So geben etwa erhöhte Temperaturen von Motorengehäu-sen oder Vibrationen an Pumpen Hinweise auf ein nahendes Ende der Lebensdauer. In einem weiteren Beispiel wird die Stromauf-nahme über externe Sensoren vom Beacon erfasst, um die Durch-flussmenge zu berechnen und drahtlos an das Leitsystem zu über-tragen.Last but not least kommen Beacons auch als ambulante Sensorik in Frage, um beispielsweise für einen Produktions-Ramp-up geeig-nete Messwerte zu ermitteln. Darüber hinaus kommen Beacons, Hubs und Mobilgeräte in Frage, um wenig digitalisierte Standorte kosteneffizient fit für Industrie 4.0 zu machen, indem sie laufend Daten einsammeln und teure Verkabelungen und Backend-Hard-ware ersetzen.

Über UBIK ®

Die branchenunabhängige, anwendungsorien-tierte Augmented Reality Software UBIK® von Augmensys stellt für den jeweiligen Anwen-der die notwendigen Daten zur rechten Zeit am richtigen Ort bereit. UBIK® konsolidiert auf effiziente Weise Daten aus verschiedenen Quellsystemen (CAD, CAE, DMS, ERP, DCM, etc.) und gestattet mittels mobiler Endgeräte einen intuitiven, aktuellen, papierlosen und ein-deutigen Zugang zu den digitalen Systemen der gesamten Anlage – für Kontrollorgane, Instandhalter, Techniker und Betreiber. Mobile Eingabemöglichkeiten für Quell- und Zielsysteme, Rückmeldungen von Fotos und Sprachnotizen sowie das Ablesen von Mess-werten ermöglichen ein hochwirksames und effizientes Arbeiten in und mit der Industrie-anlage. Dank integrierter Augmented-Reality navigiert UBIK® bei Bedarf auch externe Mit-arbeiter und Kontraktoren effizient und sicher durch komplexe Anlagen.

Digital unterstützte Anlageninspektion mit der Software UBIK® von Augmensys.

>> IIoT: Beacons gestatten eine kosten- effiziente Nachrüstung mit Fokus auf Wartung, Überwachung & Optimierung.

Voraussetzung für den Einsatz in Ex-Bereichen

Sollen Beacons und Hubs als Standardlösung zum Einsatz kom-men, müssen sie für Ex-Bereiche zertifiziert sein. BARTEC arbei-tet hierfür an speziellen Lösungen. Die BARTEC Agile Tablet-PC-Reihe ist bereits durchgängig von Non-Ex bis Zone 1 verfügbar. Einen innovativen WLAN-Access-Point für Zone 1 (Wireless X) hat BARTEC dafür spezifisch im Programm. Darüber hinaus ar-beitet BARTEC an mit Ex-zertifizierten Hubs und Basisstationen, die mit reichweitenstärkeren Drahtlosprotokollen wie MIOTY oder ZigBee arbeiten. Solche Long-Range Protokolle sind insbe-sondere für weitläufige Öl- und Gas-, petrochemische und große chemische Anlagen interessant. Auch die Beacons selbst kön-nen ihre Signale mithilfe dieser Long-Range-Technologien über deutlich größere Distanzen an Hubs oder Mobilgeräte senden.Datenmanagement zudem mit Augmented Reality, um die Effizi-enz und Sicherheit im Feld weiter zu optimieren.

>> Low-Power-Funkstandards wie MYOTY erweitern die Reichweite von Hubs und Beacons auf mehrere km.

Sicherheit und Angreifbarkeit

Eine wesentliche Frage vor der Einführung von Beacons und anderer IIoT-Infrastruktur gilt der Sicherheit. Beacons gelten diesbezüglich als weitestgehend unkritisch, da sie in der ein-fachsten Form nur eine ID senden und dies innerhalb der Anlage mit begrenzter Reichweite. Für erhöhte Sicherheitsanforderun-gen gibt es zudem Mechanismen, welche IDs und Messwerte über ein Beacons Netzwerk verschleiern, indem sie die IDs nach einem bestimmten Algorithmus rotieren lassen. Umgekehrt kön-nen Beacons auch das Sicherheitsniveau erhöhen, wie das Bei-spiel von Banken zeigt, die zur Zweifaktorauthentifizierung blukii SmartKey Beacons nutzen.

>> Beacons können bestehende Prozesse sinnvoll ergänzen und Daten zu Anla- genzuständen und Wartungsdringlich- keiten liefern. Für die klassische Pro- zess-Steuerung sind sie nicht konzipiert.

Gute Gründe für eine Investition

Die stärksten Argumente für den Einsatz von Beacons ist ihre hohe Wirtschaftlichkeit. Einerseits durch die geringen Anschaffungs-kosten und die lange Standzeit (abhängig von der verwendeten Batterie, deren Möglichkeit zum Austausch, sowie des Sendeinter-valls), andererseits durch den Bluetooth LE Standard der von allen aktuellen Mobilgeräten unterstützt wird. In Kombination mit der BARTEC Agile Tablet-PC-Serie lässt sich die mobile Infrastruktur besonders wirtschaftlich gestalten. Da die Reihe durchgängig für Zone 1, Zone 2 und Non-Ex verfügbar ist, kann der Anwender je-weils die niedrigere Schutzstufe wählen. So genügt etwa ein Zone 2-Gerät, um Daten von einem Beacon in Zone 1 zu empfangen und ein Non-Ex-Gerät für Beacons in Zone 2. Die Anzahl von Hubs lässt sich durch die Kombination mit einer reichweitenstärkeren Übertragungstechnik verringern. Angesichts des vielseitigen Effi-zienzgewinns ist ferner davon auszugehen, dass sich der Payback relativ schnell einstellt. Dazu kommen die Potentiale zur Steigerung der Sicherheit, etwa durch Alarmmeldungen bei unberechtigtem Zutritt oder die Lokalisation von verunglückten Personen.

>> Das Investitionsrisiko ist niedrig, das Einsatzspektrum riesig. Die Technologie für den Einsatzbereich – sicher!

IIoT: Beacons als unteres Ende einer Datenlieferkette in Green- und Brownfield. © Wind River System - https://www.windriver.com/whitepapers/security-in-the-internet-of-things/wr_security-in-the-internet-of-things.pdf

Über Low-Power-Wide-Area Networks könnten Beacons und Hubs ihre Signale auch über lange Distanzen von bis hin zu 10 km aussenden. (Quelle: Fraunhofer IIS).

Ausfall reduzieren und Leistung maximieren können

Anlagenverfügbarkeit und –

lebenszeit optimieren können

Risikolage reduzieren

können

Einbußen beim Service

reduzieren können

Arbeits- und

Betriebskosten optimieren

können

Verlorenen Gewinn zurückholen

können

Mitarbeiterproduktivität optimieren können

Die Kundenzufriedenheit erhöhen

können

Smarten Ersatz und Inspektionen

ermöglichen können

Brennstoffeffizienz erhöhen können

Geplante und ungeplante

Wartungsarbeiten reduzieren können

Benötigte Compliance Aktivitäten

reduzieren können

Predictive Maintenance Was wäre wenn Sie….?

Based on http://eecatalog.com/IoT/2016/09/29/from-data-to-decision-the-case-for-iot-edge-analytics-in-predictive-maintenance/

Nutzenpotentiale durch Beacons

Geringere Investitionskosten für Beacons, Sensoren und Mobilgeräte

Geringe Wartungskosten (Lebensdauer)

Einfache Datenerfassung in Ex-Bereichen

Mehr Sicherheit im Feld (Zutrittskontrolle, Man-down-Meldungen, etc.)

Einfachere Interaktion auf Rundgängen und auto-matisches Datensammeln auf Rundgängen

Möglichkeiten der Navigation im Feld

Kosteneffizientes Asset-Tracking

IIoT-Enabler: kosteneffiziente Datensammlung für Condition-Monitoring und Predictive Maintenance

Weiterentwicklung für Outdoor-Einsatz durch Lang-streckenfunkstandards wie z.B. MIOTY

Vorteile durch Beacons in Kombination mit Preventive / Condition Based Maintenance.© http://eecatalog.com, BARTEC

Fazit und Ausblick

Ex-zertifizierte Beacons, Hubs und BARTEC Enterprise-Mobili-ty-Lösungen können einen großen Beitrag zur kontinuierlichen Steigerung der Sicherheit, Prozessqualität und Anlagenverfüg-barkeit leisten. Für einen schnellen Payback sprechen die ge-ringen Anschaffungskosten, die Langlebigkeit und die konse-quente Nutzung von Standards wie BLE und Windows 10 IoT. Auf dieser Grundlage können Unternehmen nicht zuletzt im Brownfield schnell erste Pilotprojekte starten und sukzessive weitere Use-Cases erschließen. Mit innovativen Partnern wie Augmensys, blukii oder dem Fraunhofer IIS entwickelt BARTEC ein solides Fundament für IIoT-Anwendungen im explosionsge-fährdeten Bereich.

>> Mit Beacons und Enterprise Mobility Lösungen von BARTEC lassen sich IIoT-Pilotprojekte schnell aufbauen und einfach ausweiten.

BARTEC AGILE X Tablet-PC-Serie