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Technik|Digitales

Industrial IoT – vom Sensor zum ERP-System

Szene in einer Automobilfabrik
Im Industrial Internet der Dinge ist alles vernetzt. (Bild: Unsplash.com, Lenny Kuhne (CC0))
Das Industrial Internet of Things (IIoT) ist das Internet der Dinge im industriellen Umfeld. Im IoT (Internet of Things, Internet der Dinge) sind Verbraucher oder Anwender im Zentrum der Konzepte. Im IIoT spielen industrielle Abläufe und Prozesse die Hauptrolle. IIoT will die betriebliche Effizienz verbessern, Produktionskosten senken, Prozesse beschleunigen und neue Geschäftsmodelle realisieren. Setzen Unternehmen das IIoT richtig ein, nimmt es Einfluss auf Wachstum, Wettbewerbsfähigkeit und Zukunftsfähigkeit. Es bietet Unternehmen in allen Branchen die Möglichkeit, mehr Informationen aus den Produktionsprozessen zu erhalten und zu verarbeiten. Doch bis die Daten vom Sensor in ein entsprechendes Enterprise-Resource-Planning-System (ERP) gelangen, müssen sie einen weiten Weg zurücklegen.

Moderne Sensorik hilft bei Wartung und Instandhaltung

Moderne Sensorik und Technologien zur Vernetzung über das IoT geben Unternehmen die Möglichkeit, Daten in die Produktionssteuerung und Planung einfließen zu lassen, die bislang ungenutzt geblieben sind.

Ein Beispiel: Ein Lebensmittelproduzent, der Convenience-Produkte herstellt, muss einige Zutaten unter ganz bestimmten Bedingungen lagern, weil sie beispielsweise gegenüber Feuchtigkeit oder der Temperatur empfindlich sind. Moderne Sensorik vereinfacht dies, denn damit lassen sich Daten über Feuchtigkeit oder Temperatur in den Lagerbehältern kontrollieren. Sind diese Sensoren in ein ERP-System integriert, können Nachbestellungen oder Wartungsprozesse bei Störungen ganz automatisch angestoßen werden. Zusammen mit Fertigungssteuerungssystemen ist es damit möglich, die Produktion zu optimieren. Moderne Sensorik hilft auch in anderen Branchen, die Prozesse zu optimieren.

Ein anderes Beispiel: In einer Papierfabrik sind am Gehäuse einer etwa 100 Meter langen Papiermaschine hunderte von Sensoren angebracht. Sie messen Temperatur und Vibration der Maschine. Die so ermittelten Werte sind Frühindikatoren, um Störungen zu erkennen. Sie helfen Überlastungen und Ausfälle zu vermeiden. Diese Daten können zusammen mit anderen Daten aus der Produktionssteuerung einem ERP dabei helfen, Wartungsprozesse automatisch zu starten, wenn die Situation kritisch wird.

Nachträgliche Vernetzung

In normalen Produktionsanlagen kommen die ermittelten Messwerte nur intern auf Steuerungsebene zum Einsatz. Es erfolgen weder Speicherung noch Weiterleitung nach außen. Für ein eventuell vorhandenes ERP-System sind die Daten nicht verfügbar. Neuere Systeme verarbeiten fertigungsrelevante Daten, doch selten sind sie integriert in ERP-Anwendungen. Technologien für das IIoT bieten hier Lösungen. Industriesteuerungen sind nachträglich mithilfe kleiner IoT-Module aufrüstbar. Sie erfassen Messwerte, digitalisieren und verschlüsseln diese. Per Funk gelangen die Messwerte dann an ein Gateway, das per Internet mit einer zentralen Plattform in der Cloud verbunden ist. Hier kommt meist Kurzstreckenfunk im Bandbereich von 868 Megahertz zum Einsatz, damit alle Funkverbindungen ohne Kollisionen nebeneinander funktionieren können.

Auch lange bewährte Maschinen integrierbar

In der Praxis binden die Unternehmen nicht nur sehr moderne Maschinen in die digitalen Prozesse ein, sondern auch lange bewährte Maschinen. Das macht das Thema Nachrüstung, auch Retrofit genannt, sehr wichtig. Mit Retrofit lassen sich einzelne IoT-Funktionen in bestehende Anlagen integrieren. Nachträglich angebrachte, notwendige Sensoren werden dann mit den entsprechenden IoT-Modulen verbunden. Diese sogenannten Sensorboxen erheben viele verschiedene Daten, wie Beschleunigung, Bewegung, Feuchtigkeit, Helligkeit, Lautstärke, Temperatur und Vibration. Dabei ist es auch möglich Relais und Kontakte aktiv anzusteuern, auch wenn diese nicht von Anfang an über die entsprechenden Schnittstellen verfügen.

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Der Weg von den Sensoren zum Gateway

Daten, die für die Produktion interessant sind, leitet die Steuerelektronik entweder direkt aus oder zusätzliche Sensoren ermitteln diese. Diese IoT-Module und die Sensorboxen sind in den meisten Fällen direkt vernetzt mit der IoT-Plattform. Die Verbindung wird über Gateway hergestellt. Diese sitzen zwischen den Sensoren und den Geräten einerseits und der IoT-Plattform. Die Aufgabe der Gateways ist es, die Sensordatenströme so zu bündeln, dass die zentrale Plattform sie verarbeiten kann. Nur in Einzelfällen kommt eine Direktverbindung zu einzelnen Sensorboxen zum Einsatz, wenn beispielsweise abgelegene Messpunkte vereinzelt anzuschließen sind.

Gateway als Sicherheitsschleuse

Das Gateway stellt die einzige Verbindung mit der zentralen Plattform dar. Damit ist die Produktionsanlage nach außen gegenüber Zugriffen abgesichert. Alle Verbindungen zwischen Sensor, Gateway und zentraler Plattform sind zudem verschlüsselt. So sind die Sensorwerte unverändert und verlässlich. In der Gegenrichtung senden sie Steuerungsbefehle ebenfalls nur über verlässliche Verbindungen. Hier sind spezielle Maßnahmen der IT-Security erforderlich. Insbesondere bei der Speicherung der notwendigen Schlüssel. Die Gateways haben mehr als nur Übertragungsfunktion. Dort wird auch mehr und mehr Rechenkapazität angesiedelt, am Rand des Netzwerks sozusagen. Im Fachjargon heißt dies auch Edge Computing.

Häufig ist es nicht sehr sinnvoll, dass alle Messwerte zur zentralen Plattform gelangen. Wenn beispielsweise Temperatursensoren Daten im Sekundentakt ermitteln, sind in kurzer Zeit sehr große Datenmengen vorhanden. Doch so eine große Datenbasis ist meistens gar nicht notwendig, wenn nur eine Veränderung der Temperatur von Interesse ist. Messwerte sind in diesen Fällen nur zu übertragen, wenn sie vom vorigen Wert abweichen. In diesen Situationen sind direkte Alarme sinnvoll oder das Auslösen von Prozessen zur vorausschauenden Wartung. Dafür sind Gateways, die über eigene Rechnerkapazitäten verfügen, gut. Zudem können sie die Daten für die ERP-Anwendung komprimieren, sodass dort nur aggregierte Daten gespeichert sind. Für die Datenübertragung eignen sich alle gängigen Technologien, wie bestehendes WLAN oder Internetanbindungen via Mobilfunk, Kupferkabel oder Glasfaser.

5G-Technologie für hohe Datenübertragungsraten

Die 5G-Technologie ist besser an das IIoT angepasst durch die hohen Datenübertragungsraten von zehn Gigabit/Sekunde oder schneller. In Unternehmen mit geringen Datenmengen und unkritischen Übertragungsgeschwindigkeiten für die Sensorikdaten gibt es verschiedene LPWAN-Technologien (Low Power Wide Area Network). Sie bilden die Alternative zum sonst üblichen Mobilfunk. Die beiden Technologien laufen künftig parallel, da sie jeweils andere Vorteile haben. So baut das Kommunikationsverfahren NB-IoT (NarrowBand-IoT) im LPWAN stabile Verbindungen innerhalb von starkem Mauerwerk auf. Dort haben andere Funktechnologien Probleme.

Am Ende steht eine IoT-Plattform

Zunächst müssen die Daten in ein passendes Dateiformat konvertiert werden, bevor sie ins ERP-System gelangen können. Die IoT-Plattform ist dabei eine Art Daten-Drehscheibe und hat eine Vermittlerposition zwischen weiterverarbeitenden Systemen und der IoT-Hardware. Dazu gibt es eine programmierbare Schnittstelle, die sich in vorhandene Systeme integrieren lässt, beispielsweise ERP-Anwendungen oder andere Business-Software.

27.08.2020

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