Die Betriebsdatenerfassung ist das Fundament jedes Smart-Manufacturing- und Industrie-4.0-Projekts: Kein Dashboard, keine OEE-Kennzahl und kein Vorhersagemodell ist besser als die Daten darunter. Dieser Leitfaden vergleicht die vier wichtigsten Erfassungsmethoden, zeigt, wann welche passt, und erklärt, wie Sie alles in einem MQTT-Namespace bündeln, sodass neue Maschinen und neue Verbraucher ohne Nacharbeit hinzukommen.
Welche Daten erfassen Sie eigentlich?
Bevor Sie eine Methode wählen, listen Sie die Fragen auf, die Sie beantworten wollen. Die meisten Werke starten mit einer Handvoll Signale, die die meisten täglichen Fragen beantworten:
| Datentyp | Beispiel | Typische Quelle | Typische Rate |
|---|---|---|---|
| Maschinenzustand | Läuft, Leerlauf, Stillstand, Rüsten | SPS-Bit, Signalsäule, Stromsensor | Bei Änderung |
| Stückzahlen | Gutteile, Ausschuss | SPS-Zähler, Näherungssensor | Bei Änderung oder pro Minute |
| Prozesswerte | Temperatur, Druck, Drehzahl | SPS-Tags, Analogsensoren | 1 bis 10 Sekunden |
| Stillstandsgründe | Materialmangel, Werkzeugwechsel | Eingabe durch Bediener | Bei Ereignis |
| Qualitätsergebnisse | i. O./n. i. O., Messmaß | Prüfstation, Messmittel | Pro Teil |
| Energie | kWh, kW | Energiezähler | 1 bis 60 Sekunden |
Zustand und Stückzahlen reichen für OEE- und Stillstandsanalysen, deshalb sind sie der übliche Startpunkt. Gründe kommen von Menschen, nicht von Maschinen – jede Architektur braucht daher einen Weg, über den Bediener beitragen können. Zur Gestaltung dieser Codes siehe Stillstandsgründe und Reason Codes.
Methoden der Betriebsdatenerfassung im Vergleich
1. Manuelle Erfassung
Papierlisten, Tabellen oder Terminaleingaben durch Bediener. Der Einstieg kostet fast nichts, und sie erfasst Kontext, den Maschinen nicht kennen können, etwa warum eine Linie stand. Ihre Schwächen sind bekannt: Einträge entstehen am Schichtende aus dem Gedächtnis, Kurzstillstände verschwinden, und die Daten kommen zu spät, um noch zu handeln.
Die manuelle Erfassung bleibt nützlich für Gründe und Prüfungen, sollte aber digital sein (ein Tablet-Formular, das ein Ereignis publiziert) und sich auf das beschränken, was nur ein Mensch liefern kann.
2. Auslesen der SPS
Moderne Maschinen haben eine SPS, die Zustand, Stückzahlen und viele Prozesswerte bereits kennt. Diese Tags über das Protokoll der Maschine auszulesen (Modbus TCP, OPC UA, EtherNet/IP, S7 und andere), liefert die reichhaltigsten Daten ohne neue Hardware.
Der Haken ist der Zugang. Maschinenbauer dokumentieren Tag-Adressen nicht immer, die SPS kann gesperrt sein, und Änderungen am SPS-Programm können die Gewährleistung berühren. Stimmen Sie sich mit dem Verantwortlichen der Maschine ab, bevor Sie etwas in eine Steuerung schreiben; Lesen ist in der Regel risikoarm.
3. Nachrüstsensoren
Für ältere Maschinen ohne zugängliche Steuerung ergänzen Sie Sensoren von außen: einen Stromwandler am Hauptmotor, um Laufen und Leerlauf zu unterscheiden, einen Näherungs- oder Lichtschranken-Sensor zum Zählen von Teilen, einen Schwingungs- oder Temperatursensor für Zustandsdaten oder einen Lichtsensor an der Signalsäule. Funksensoren machen die Installation schnell; Optionen finden Sie unter drahtlose Industriesensoren.
Nachrüstsensoren sehen weniger als die SPS, funktionieren aber an jeder Maschine, unabhängig von Alter oder Hersteller, und berühren die Steuerung nie.
4. Edge-Gateways
Ein Gateway ist ein kleiner Industrie-PC, der lokal mit SPSen und Sensoren spricht und die Daten weiterleitet. Er übernimmt Protokollumsetzung, Pufferung bei Netzwerkausfällen, Filterung (Publizieren bei Änderung statt bei jedem Zyklus) und das Anreichern mit Kontext, etwa dem Platz der Maschine in der Werkshierarchie.
| Methode | Datentiefe | Aufwand pro Maschine | Berührt die Steuerung | Am besten für |
|---|---|---|---|---|
| Manuell | Gering, aber mit Kontext | Sehr gering | Nein | Gründe, Prüfungen |
| SPS auslesen | Hoch | Mittel | Nur lesend | Moderne Maschinen |
| Nachrüstsensoren | Mittel | Gering | Nein | Bestandsmaschinen |
| Edge-Gateway | Hoch | Mittel | Nur lesend | Gemischte Maschinenparks, viele Protokolle |
Die meisten Werke landen bei einer Mischung: Gateways lesen SPSen an neueren Linien, Nachrüstsensoren sitzen an älteren, und Tablets erfassen Stillstandsgründe.
Betriebsdaten mit MQTT zentralisieren
Welche Methode Sie pro Maschine wählen, ist weniger wichtig als die Frage, wohin die Daten danach gehen. Schreibt jeder Erfasser in seine eigene Datenbank, haben Sie die Silos neu geschaffen, die Sie eigentlich abschaffen wollten. Das bessere Muster: Jeder Erfasser publiziert mit einer einheitlichen Topic-Struktur an einen MQTT-Broker, und jeder Verbraucher abonniert. So entsteht ein Unified Namespace (UNS) als zentrale Datendrehscheibe des Werks.
acme/plant1/machining/line1/cnc4/state {"state":"RUNNING","ts":...} retained
acme/plant1/machining/line1/cnc4/count {"good":1,"scrap":0,"ts":...}
acme/plant1/machining/line1/cnc4/spindle {"tempC":41.8,"rpm":8000,"ts":...}
acme/plant1/machining/line1/cnc4/reason {"code":"TOOL_CHANGE","by":"op17"}
Der Pfad folgt der ISA-95-Hierarchie, die unter ISA-95-MQTT-Topics beschrieben ist: Unternehmen, Standort, Bereich, Linie und Maschine werden zu den Ebenen des UNS, etwa acme/werk-augsburg/zerspanung/linie-1/cnc4. Ob ein Wert aus einer SPS, von einem Aufsteck-Sensor oder von einem Tablet stammt, wird zum Implementierungsdetail: Verbraucher sehen nur das Topic.
Ein minimales Gateway-Beispiel
Das folgende Python-Skript liest zwei Holding-Register eines Modbus-TCP-Geräts (einen Zustandscode und einen Teilezähler), publiziert den Zustand bei Änderung als Retained Message und publiziert Zählerzuwächse. Es nutzt pymodbus 3.x und paho-mqtt 2.x und läuft auf einem Raspberry Pi oder jedem kleinen Industrie-PC.
import json
import time
import uuid
import paho.mqtt.client as mqtt
from pymodbus.client import ModbusTcpClient
PLC_IP = "192.168.10.50"
BASE = "connectmq/demo/sfdc-91be/line1/cnc4" # 91be durch eigene ID ersetzen
STATES = {0: "STOPPED", 1: "RUNNING", 2: "IDLE", 3: "FAULT"}
mq = mqtt.Client(mqtt.CallbackAPIVersion.VERSION2,
client_id=f"gw-cnc4-{uuid.uuid4().hex[:6]}")
mq.will_set(f"{BASE}/gateway", json.dumps({"online": False}), qos=1, retain=True)
mq.connect("broker.connectmq.com", 1883, keepalive=30)
mq.loop_start()
mq.publish(f"{BASE}/gateway", json.dumps({"online": True}), qos=1, retain=True)
plc = ModbusTcpClient(PLC_IP, port=502)
last_state, last_count = None, None
while True:
if not plc.connected:
plc.connect()
rr = plc.read_holding_registers(0, count=2)
if rr.isError():
print("Modbus read failed:", rr)
time.sleep(5)
continue
state = STATES.get(rr.registers[0], "UNKNOWN")
count = rr.registers[1]
now = time.time()
if state != last_state:
mq.publish(f"{BASE}/state", json.dumps({"state": state, "ts": now}), qos=1, retain=True)
last_state = state
if last_count is not None and count != last_count:
delta = (count - last_count) % 65536 # Überlauf des 16-Bit-Zählers behandeln
mq.publish(f"{BASE}/count", json.dumps({"good": delta, "total": count, "ts": now}), qos=1)
last_count = count
time.sleep(1)
Dasselbe Skript funktioniert unverändert mit einem privaten ConnectMQ-Broker, sobald Sie Zugangsdaten und TLS ergänzen. Die Last-Will-Nachricht markiert das Gateway als offline, wenn es die Verbindung verliert, sodass Dashboards „Maschine steht“ von „wir haben keine Daten“ unterscheiden können. Auf dem öffentlichen MQTT-Broker ist alles für jeden lesbar; nutzen Sie ihn daher nur mit simulierten Werten und wechseln Sie für echte Maschinen zu privaten Zugangsdaten und TLS.
Checkliste für die Betriebsdatenerfassung
Gehen Sie diese Liste durch, bevor Sie über eine Pilotlinie hinaus ausrollen:
- Zuerst die Fragen definieren und nur die Signale erfassen, die sie beantworten.
- Sich auf eine Topic-Hierarchie einigen, die Ihr Werkslayout abbildet, und sie dokumentieren.
- An der Quelle mit Zeitstempel versehen (Gateway oder Steuerung), in UTC.
- Bei Änderung publizieren für Zustände und Stückzahlen; Prozesswerte mit einer sinnvollen festen Rate abtasten.
- Den aktuellen Zustand als Retained Message halten, damit neue Subscriber ihn sofort sehen.
- Datenqualität kennzeichnen: Gateway online/offline über Last Will, Sensorfehler als explizite Werte.
- Zählerüberläufe und Gateway-Neustarts ohne Doppelzählung behandeln.
- Jedem Gerät eine eigene Client ID und eigene Zugangsdaten geben.
- Bediener Kontext ergänzen lassen – mit einem einfachen digitalen Formular für Stillstandsgründe.
- Die Daten eine Woche lang mit der Realität abgleichen, bevor jemand Kennzahlen darauf aufbaut.
Von der Erfassung zum Nutzen
Sobald die Daten fließen, sind die nächsten Schritte naheliegend: Maschinenstatus-Überwachung auf einem Bildschirm an der Linie, OEE- und Stillstandsanalysen und später die Anbindung an MES oder Instandhaltung. Jeder davon ist einfach ein weiterer Subscriber.
Der Broker in der Mitte sollte Ihre geringste Sorge sein. ConnectMQ ist ein verwalteter MQTT-Broker mit MQTT 3.1.1 und 5.0, TLS- und sicheren WebSocket-Endpunkten, einem Live-Topic-Explorer und einer nach ISA-95-Ebenen gruppierten Geräteansicht – so lässt sich leicht prüfen, ob jeder Erfasser an der richtigen Stelle publiziert. Schwellwert-Alarmregeln im Portal können Sie benachrichtigen, wenn ein Wert wie die Spindeltemperatur eine Grenze überschreitet. Der Smart-Manufacturing-Leitfaden zeigt, wie sich diese Bausteine in eine vollständige Werks-Roadmap einfügen, und der kostenlose öffentliche MQTT-Broker ist der schnellste Weg, Ihr Gateway-Skript zu testen, bevor Sie Zugangsdaten anlegen.
Starten Sie die Betriebsdatenerfassung mit ConnectMQ
Legen Sie im kostenlosen Serverless-Plan unter app.connectmq.com einen Broker an, ohne Kreditkarte, und verbinden Sie Ihr erstes Gateway mit dem generierten Benutzernamen, Passwort und der Client ID.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der günstigste Einstieg in die Betriebsdatenerfassung?
Ein Stromsensor oder Stückzahlsensor an einer Engpassmaschine, ein kleines Gateway und ein kostenloser Broker. Das allein liefert Laufzeit, Leerlaufzeit und Ausbringung der Maschine, die Ihre Linie begrenzt.
Sollte ich Daten aus der SPS lesen oder Sensoren nachrüsten?
Lesen Sie die SPS aus, wenn Sie Zugang und Dokumentation haben, denn sie enthält bereits reichhaltige Daten. Nutzen Sie Nachrüstsensoren an Bestandsmaschinen oder gesperrten Maschinen, bei denen der SPS-Zugriff unmöglich oder riskant ist.
Wie oft sollten Maschinendaten erfasst werden?
Zustände und Stückzahlen sollten bei Änderung publiziert werden. Prozesswerte werden meist alle 1 bis 10 Sekunden abgetastet – genug für Dashboards und Trendanalysen, ohne das Netz zu überfluten.
Brauche ich ein MES für die Betriebsdatenerfassung?
Nein. Erfassung, Dashboards und OEE können direkt auf MQTT-Daten laufen. Ein MES wird später nützlich, wenn Sie Auftragsverfolgung, Rückverfolgbarkeit und erzwungene Arbeitsabläufe benötigen.
