Datenkommunikation zwischen Steuerung und Cloud

Edge Gateways ermöglichen IoT-Lösungen in der Prozesstechnik

| Autor / Redakteur: Thomas Schildknecht / Redaktion IoT

Das Fräulein vom Amt regelte die weltweiten Verbindungen, diese werden nun vom IoT Edge Gateway übernommen.
Das Fräulein vom Amt regelte die weltweiten Verbindungen, diese werden nun vom IoT Edge Gateway übernommen. (Quelle: Datei: Bundesarchiv Bild 102-09292)

Diskussionen zur Nutzung des “Internet der Dinge“ in der Prozesstechnik führen regelmäßig zu der Erkenntnis, dass effiziente IoT-Geschäftsmodelle nur mit Hilfe global nutzbarer Konnektivität und intelligenter Reduzierung der Datenmenge bereits am Ort ihrer Entstehung möglich sein werden. Eine Lösung hierfür bieten neue IoT-Edge-Gateways, welche sowohl nahe der Datenquelle und damit am Rand (Edge) des weltweiten Kommunikationsnetzes angeordnet als auch zu einer intelligenten Datenselektierung befähigt sind.

In Anlagen der Prozesstechnik oder der Wasser- bzw. Energiewirtschaft bilden sehr kostenintensive Komponenten wie Pumpen, Kompressoren oder Generatoren wertvolle Assets, deren ständige Betriebsbereitschaft – auch an regional sehr entlegenen und schwer zugänglichen Standorten - von höchster Bedeutung für den Betrieb ganzer Anlagen ist. Diese Maschinen werden daher zunehmend mit Sensorik ausgerüstet, welche einen normalen Abnutzungsgrad ebenso registrieren und melden kann wie unregelmäßiges Betriebsverhalten oder unzulässige Betriebsbedingungen. Diese Diagnose-Daten werden unmittelbar vor Ort generiert, sollten aber zugleich auch dem Betreiber und/oder dem Maschinenhersteller bzw. dessen Wartungspersonal zugänglich sein. Eine dafür konzipierte IoT-Lösung ermöglicht kurzfristige Instandhaltungsmaßnahmen, erhöht die Maschinenverfügbarkeit und erspart gleichzeitig kostenintensive Reiseeinsätze von Wartungspersonal. Daraus entsteht ein erheblicher Anwendernutzen; zugleich können auf diese Weise für Maschinenhersteller auch völlig neue Geschäftsmodelle entstehen, wenn beispielsweise ein Kompressorhersteller den Kompressor vor Ort im eigenen Besitz und unter eigener Kontrolle behält und nur die gelieferte Menge komprimierter Luft verkauft.

Globale Kommunikation als Voraussetzung

Weltweite Verbindungen zu vermitteln, das war in grauer Vorzeit der Kommunikationstechnik die Aufgabe der „Fräuleins vom Amt“, mit deren Hilfe noch bis in die 1980er Jahre (!) internationale Telefonverbindungen geschaltet wurden. Diese Zeiten sind technologisch längst vorbei, der Bedarf an globaler Konnektivität dagegen steigt durch das Internet der Dinge rasant an. Große Datenmengen müssen von global verteilten Sendestationen (Geräte, Maschinen oder Anlagen mit ihrer Sensorik) an direkt vor Ort installierte Gateways übermittelt, dort bewertet und bearbeitet und dann an - wo auch immer positionierte - Cloud-Portale zur weiteren Nutzung transportiert werden.

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Leistungsfähiges „Daten-Straßennetz“ erforderlich

Für diese Datentransporte steht ein technologisch vielseitiges, global jedoch nur teilweise ausgebautes „Straßennetz“ zur Verfügung: Es gibt Fernstraßen in Form weitreichender Punkt zu Punkt- Verbindungen (VPN), welche über getunnelten Ethernetverbindungen für einmalige Vorgänge - wie z.B. eine zeitlich begrenzte Fernwartung - gut geeignet sind; für länger andauernde Überwachungsaufgaben dagegen eignen sie sich kaum, da ein VPN-Tunnel immer wieder neu aufgebaut werden muss; zudem entstehen dabei vergleichsweise hohe Transportkosten. Lokale Feldwege in Form von Bluetooth-Strecken können genutzt werden, sofern deren begrenzte Reichweite von ca. 10 m für die Applikation ausreicht. Attraktive Lösungen ermöglichen natürlich gut ausgebaute Autobahnen in Gestalt des Internets, welches jedoch bis heute in vielen Ländern regional nur begrenzt verfügbar ist und dessen Nutzung noch dazu von den IT-Abteilungen vieler Anwender aus Sicherheitsgründen grundsätzlich untersagt ist! Schließlich gibt es regional dicht angelegte Landstraßen in Gestalt das weltweit dicht geknüpfte Mobilfunk-Netzes mit vielen hundert Netz-Providern, welches auch sehr abgelegenen Orte erreicht und mit mehreren Milliarden (!) Teilnehmern die weltweit meistgenutzte Kommunikationstechnologie überhaupt darstellt. So ist es nur konsequent, wenn ein neues IoT Edge Gateway (DATA EAGLE 7050) genau dieses attraktive Konnektivitätspotenzial für seine Anwender erschließt.

Hohe Erwartungen der Anwender

Die allgegenwärtige Präsenz von „IoT“ auf Fachmessen, Foren und in Fachberichten hat die Erwartungen der Anwender bezüglich attraktiver Geschäftsmodelle und die dafür erforderliche Gerätetechnik (IoT Edge Gateways) stark steigen lassen. Dazu einige Beispiele:

    • Flexibilität bei Datensammlung Das Gateway soll eine breite Auswahl an Dateneingängen bereitstellen: von traditioneller 4-20mA/0-10V-Anschlusstechnik oder Bluetooth, über klassische und Ethernet-basierte Feldbusse (PROFINET, CAN, Modbus, etc.) und IO-Link bis zu Eingängen für Ethernet. Die Eingänge sollen modular konzipiert sein, um hohe Flexibilität sowohl bei der Grundbestückung als auch bei späteren Erweiterungen des Gateway zu erreichen.
    • Applikationsnahe Vorverarbeitung und kostengünstiger Transport der Daten Das Gateway soll in der Lage sein, mit applikationsspezifischen Programmen die gesammelten Daten „intelligent“ und konfigurierbar zu bewerten, zu selektieren und eine Weiterleitung der Daten z.B. nur dann vorzunehmen, wenn die Daten sich ändern oder einen Alarm anzeigen. Zusätzlich sollen die Daten komprimiert und dann in kleinen, ebenfalls konfigurierbaren Datenpaketen zu niedrigen Kosten weitergeleitet werden.
    • Anonymisierung und Sicherung der Daten Die Daten sollen anonymisiert, jedoch mit einem Zeitstempel versehen als reine Werte ohne jede weitere Information versendet werden. Erst durch eine gesicherte Zuordnung beim Anwender bzw. im Portal soll aus diesen Daten wieder eine Information werden. Die Daten sollen weiterhin bei ihrer weltweiten Übertragung vor Ausfall und/oder Zugriff unberechtigter Dritter gesichert sein. Nimmt man ein hochsicheres Rechenzentrum als Zieladresse (Portal) als gegeben an, so sollte das Gateway sowohl die eindeutige Identifizierung der Teilnehmer als auch die hohe Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindungen gewährleisten. Das ist durch Kombination mehrerer Verschlüsselungsstufen sowohl für den Transportweg als auch für den Backend- und Frontend-Bereich zu erreichen.
    • Weltweite Funktionsfähigkeit Die für Anwender aus der Prozesstechnik erkennbar wichtigste Erwartung betrifft den Einsatz einer weltweit verfügbaren Kommunikationstechnologie, um Anlagen gerade an abgelegenen Standorten ständig überwachen und damit sicher betreiben zu können. Diese Forderung erfüllt aktuell einzig der Mobilfunk mit seinem dichten Netzwerk an Netz-Providern und dem Einsatz einer universellen, global gültigen eSIM-Karte für automatischen Netzwechsel und einfache Abrechnung der Übertragungskosten.
    • Unerhebliche Übertragungskosten Die Kosten für die Überwachung einer Messstelle sollen aus Anwendersicht im Vergleich zu den sonstigen Betriebskosten unerheblich sein. Angesichts der für die Nutzung einer eSIM-Karte bekannten Tarife kann der Mobilfunk auch diese Forderung erfüllen: Die monatlichen Kosten liegen im Bereich 10 bis 20 € in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebsmodus: dieser reicht vom online-Modus (dauerhafte Verbindung) über einen Intervall-Modus (Übertragung nur bei bestimmten Werten oder in bestimmten Zeitintervallen) bis hin zum kostenlosen „Schlafbetrieb“, bei welchem das Gerät nur in Bedarfsfällen „aufgeweckt“ wird.
    • Leistungsfähiges Portal zur Datennutzung
      Wo auch immer die mit einem IoT Edge Gateway ausgerüsteten Maschinen installiert sind, ihre Daten müssen zu Nutzung auf ein zentrales, leistungsfähiges Portal gelangen. Hier erfolgt die Nutzung der Daten, die Verwaltung von Geräten, Anwendern und Zugriffsrechten, ein mögliches Update der Maschinen oder die Bewertung der aktuell bestehenden Datenverbindung, um nur einige Erwartungen der Anwender an ein Portal zu nennen.

 

 

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Fazit und Ausblick

Die Anwender-Erwartungen an ein „IoT Edge Gateway“ sind, wie gezeigt, vielfältig und ihre Erfüllung durch die Gerätehersteller damit zugleich Vorrausetzung für erfolgreiche IoT-Geschäftsmodelle. So ist es nachvollziehbar, dass immer mehr Hersteller entsprechende Geräte auf den Markt bringen. Zu bewerten ist dabei allerdings, in welchem Umfang die oben genannten Erwartungen/Forderungen der Anwender erfüllt werden. Hier haben Hersteller mit ausgeprägter „Mobilfunk-Vergangenheit“ einen nicht unwesentlichen Vorsprung nach dem Motto: Langjährige Erfahrungen mit immer neuen Technologien und Anwendungen sind Voraussetzung für leistungsfähige Neuentwicklungen.

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