SC2SC

Datum: 2023/2024
Software: Siemens TIA Portal | EPLAN | Visual Studio Code | Arduino DIE
Technologien: TCP/IP | Ethernet | Wi-Fi | ESP32 Mikrocontroller | Siemens SPS

Über das Projekt
Das Projekt „SC2SC“ (Abkürzung für Sensor Connector to Siemens Control) zielte auf die Entwicklung einer flexiblen und kosteneffizienten Datenschnittstelle zur Anbindung ESP32-basierter Sensormodule an Siemens S7-SPS-Systeme ab. Vor dem Hintergrund der deutlich zunehmenden Relevanz individueller IoT-Lösungen im industriellen Umfeld wurde eine TCP/IP-basierte Kommunikation zwischen Mikrocontrollern und speicherprogrammierbaren Steuerungen konzipiert. Das Projekt wurde im Rahmen der Industry 4.0 Masterclass in Zusammenarbeit mit Herrn Philipp Kyr, BSc. durchgeführt und erstreckte sich über einen Zeitraum von zwei Semestern. Im Fokus stand nicht nur die Implementierung der Schnittstelle, sondern auch die Gestaltung standardisierter Abläufe zur Minimierung von Anwenderfehlern bei der Integration. Die Projektarbeit bildet damit die Grundlage für modulare Erweiterungen industrieller Systeme durch frei konfigurierbare Sensortechnologie und adressiert zentrale Herausforderungen wie Interoperabilität, Effizienz und Sicherheit in der industriellen Kommunikation.

Technischer Ansatz
Die technische Grundlage des Systems bildet ein eigens entwickeltes Kommunikationsprotokoll über TCP/IP. Die Kommunikation erfolgt bidirektional zwischen Siemens S7-1200/1500-Steuerungen und verschiedenen ESP32-Modellen, die über WLAN oder Ethernet angebunden sind. Eine standardisierte Datenstruktur mit Initialisierungs-, Direktiven- und Sensordaten-Headern stellt Konsistenz und Erweiterbarkeit sicher. In diesem Zusammenhang übernimmt die SPS die Rolle eines Data Brokers, dessen Aufgabe darin besteht, eingehende Informationen in Echtzeit zu analysieren und weiterzuverarbeiten. Besonderes Augenmerk wurde auf die Validierung und Absicherung der Daten gelegt, unter anderem durch Prüfsummen (CRC), Zeitstempel und Benutzerzugriffskontrolle. Die Konfiguration erfolgt über eine benutzerfreundliche Weboberfläche auf den ESP-Modulen, wodurch die Integration auch für weniger erfahrene Anwenderinnen und Anwender erleichtert wird. Darüber hinaus integriert das Projekt Konzepte für Skalierbarkeit, Fehlererkennung und Redundanz und wurde iterativ mittels evolutionärem Prototyping entwickelt.

Rückblick
Das System erfüllte die funktionalen Anforderungen und zeigte unter Laborbedingungen eine stabile Kommunikation. Der entwickelte Prototyp ist in der Lage, Sensordaten zuverlässig an Siemens-SPS-Systeme zu übertragen und schafft damit eine solide Grundlage für industrielle IoT-Anwendungen. Besonders erfolgreich erwiesen sich die Umsetzung der Konfigurationsoberfläche sowie die standardisierten Datenstrukturen, die eine effiziente Integration zusätzlicher Sensoren ermöglichen. Probleme bei der Erstkonfiguration konnten durch Code-Optimierungen gelöst werden. Auch anfängliche Herausforderungen im Bereich der Netzwerkstabilität und des Hardwaremanagements wurden durch strukturierte Tests und iterative Verbesserungen erfolgreich adressiert. Die Projektergebnisse bieten erhebliches Potenzial für Weiterentwicklungen, beispielsweise durch die Integration zusätzlicher Protokolle wie PROFINET oder cloudbasierter Analyse-Module. Die einfache Erweiterbarkeit, die geringen Kosten und die Offenheit des Konzepts machen den Ansatz insbesondere für Retrofit-Anwendungen sowie für die Erweiterung bestehender Anlagen um Sonderlösungen interessant.