Konnektivität Innovationsschub durch Mobilfunknetze für das IIoT

Ein Gastbeitrag von Martin Giess*

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Das Industrial IoT führt das Internet der Dinge und Industrie 4.0 zusammen. Es verbindet lernfähige Maschinen mit Big-Data-Technologie, Sensorik und Automatisierungstechnik. Die Vernetzung der digitalen Maschinenwelt über Mobilfunktechnik spielt eine wichtige Rolle.

Raus aus der Leitung: Mobilfunknetze bieten auch für IIoT-Datenpakete eine interessante Alternative zum kabelgebundenen Internet.
Raus aus der Leitung: Mobilfunknetze bieten auch für IIoT-Datenpakete eine interessante Alternative zum kabelgebundenen Internet.
(Bild: gemeinfrei / Unsplash )

Der Einsatz von Mobilfunknetzen im IoT führt zu innovativen Anwendungen, die bereits vorhandene Netzinfrastrukturen nutzen und dadurch zuverlässig und sicher sind. Der Vorteil von Mobilfunknetzen ist, dass sie überall verfügbar sind – man muss sich nur mit ihnen verbinden. Dadurch können Hersteller die Abdeckung maximieren, stabile Verbindungen auch mobil aufrechterhalten und mit Low Power Wide Area Networks, kurz LPWAN, die Akkulaufzeit ihrer IoT-Geräte maximieren.

Low Power Wide Area Networks

Herkömmliche Mobilfunknetze sind für den Aufbau spontaner Verbindungen zwischen Handys optimiert. Sie prüfen ständig, ob Anrufe eingehen, registrieren aktiv Funksignale und senden regelmäßig Tracking Area Updates, TAU abgekürzt. So teilen sie dem Netzwerk mit, wo sie sich befinden. Aus diesem Grund verbrauchen sie auch dann viel Strom, wenn sie nicht in Gebrauch sind.

Die meisten IoT-Geräte nutzen die Mobilfunknetze jedoch nicht auf diese Weise. Sie senden oder empfangen in festen Intervallen oder als Reaktion auf einen externen Auslöser, wie einen Sensor, anstatt eine kontinuierliche Verbindung aufrechterhalten zu müssen. Aus diesem Grund wurden Netzwerktechnologien für drahtlose Datenkommunikation mit sehr geringem Energieverbrauch entwickelt, die sogenannten Low Power Wide Area Networks. Zu den meistverbreiteten Technologien zählen NB-IoT, was für Narrow Band IoT steht, und LTE-M, also Long Term Evolution for Machines.

Sie nutzen die Infrastruktur der LTE-Mobilfunktechnik und verfügen über zwei wichtige Energiesparfunktionen: den Energiesparmodus PSM und den diskontinuierlichen Empfang DRX.
PSM versetzt das Gerät im Wesentlichen in den Ruhezustand, wenn es nicht benutzt wird. DRX kann die Zeitspanne verlängern, in der das Gerät nicht aktiv nach einem Signal sucht. So können Akkus eine Laufzeit von mehreren Jahren erreichen.

LPWANs und andere technologische Fortschritte haben also die Energieeffizienz von IoT-Geräten erheblich verbessert und moderne Mobilfunksensoren können ausreichende Datenmengen auch über größere Entfernungen übertragen, ohne Batterien dabei massiv zu entladen. Damit ist der Weg frei für Anwendungen, die sich die Vorteile von Mobilfunknetzen zunutze machen können, wie folgende Praxisbeispiele zeigen.

Globale Konnektivität

Das Unternehmen Intelligent Marking entwickelte den ersten autonomen Linienmarkierungsroboter. Eine der größten Herausforderungen bestand darin, die richtigen SIM-Karten in den Markierungsrobotern zu installieren, bevor diese in die ganze Welt verschickt wurden. Für den Hersteller war dies mit einem enormen Aufwand verbunden. Schließlich gibt es in jedem Land unterschiedliche Netzbetreiber und verschiedene Signalverfügbarkeiten pro Region. Allein in einem Land kann es ein Gebiet geben, in dem Anbieter A ein stärkeres Signal liefert als Anbieter B, während in einem benachbarten Bereich Anbieter B das stärkere Signal liefert. Das Unternehmen musste ständig abwägen, welche SIM-Karte es in welchem Land oder in welcher Region in welchen Roboter einsetzt.

Heute verwendet Intelligent Marking M2M-SIM, die netzunabhängig sind und immer automatisch das Netz mit dem stärksten Signal auswählen. Diese SIM-Karten werden nun in jeden einzelnen Roboter eingesetzt, unabhängig davon, in welcher Region er in Betrieb sein wird.

Predictive Maintenance

Predictive Maintenance ist ein Teilbereich der Predictive Analytics. Mit ihr lassen sich Zustandsdaten von Maschinen und Anlagen proaktiv warten. Eine rechtzeitige Wartung oder Reparatur kann den Ausschuss in der Produktion reduzieren, einen besseren Wartungsservice beim Kunden ermöglichen und die Servicekosten minimieren. Als Grundlage dafür müssen Zustandsmodelle von Maschinen und Prozessen sowie historische Daten und Zustandsinformationen der Maschinen zur Verfügung stehen. Mit Hilfe geeigneter Algorithmen können diese Daten wertvolle Informationen über den Zustand von Geräten und deren Komponenten liefern

Ein einfaches Beispiel, wie Predictive Maintenance von der Konnektivität über Mobilfunknetze profitiert, liefert die Rohstoffgewinnung. Wenn beispielsweise in der Wüste nach Öl gebohrt wird, wo es keine Breitbandverbindung gibt, kann mit Hilfe von M2M-SIM der Bohrkopf der Ölfördermaschine überwacht werden. So ist sichergestellt, dass er ausgetauscht wird, bevor er sich zu stark abnutzt.

Smart Grids

Ein Smart Grid, auch Smart Power Grid genannt, bezeichnet intelligente Verteilernetze für die Energieversorgung, die sich mithilfe des IoT an die Energieeinspeisung und den Verbrauch anpassen. Diese Energienetze umfassen eine bedarfsgerechte und effiziente Energieverteilung von zentral und dezentral eingespeister Energie und die Steuerung des Verbrauchsverhaltens. Es handelt sich dabei um bundesweite oder auch grenzüberschreitende Stromnetze, die ihre Energie aus dezentralen Kraftwerken und Speichern beziehen und den Verbrauch bedarfsgerecht steuern.

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In einer nächsten Phase kann die Energieverteilung nicht nur auf einzelne Anlagen, sondern auch auf einzelne Maschinen heruntergebrochen werden. Mobilfunknetze ermöglichen damit die Überwachung von vernetzten Maschinen und Anlagen sowie von mobilen Geräten. Smart Grids werden dadurch engmaschiger und effizienter.

Sicherheit von Mobilfunknetzen im IIoT

Die Verbindung mit dem Internet ist immer eine Herausforderung für die Sicherheit, da IoT-Geräte sensible Daten enthalten. Mobilfunknetze hingegen haben klare Vorteile für die IoT-Sicherheit:

Fernzugriff ermöglicht den Roll-out von Software und die Fehlerbehebung bei IoT-Geräten vor Ort oder im Feld. Er macht diese Geräte aber auch anfällig für Hackerangriffe. Mit virtuellen privaten Netzwerken, den VPN, lassen sich sichere Verbindungen zu den Geräten herstellen. Beim Einsatz von Wi-Fi für die IoT-Konnektivität wird dies jedoch zu einer größeren Herausforderung, denn dann müssen verschiedene VPN für unterschiedliche Standorte verwaltet werden. Mit einer Mobilfunkverbindung lässt sich jedem Gerät eine private statische IP-Adresse zuweisen, sodass diese an sämtlichen Orten mit einem einzigen VPN verwaltet werden können.

Wenn ein Hacker ein mit Wi-Fi verbundenes IoT-Gerät oder einen Computer im selben WiFi-Netzwerk kompromittiert, kann er damit auf andere Geräte zugreifen, mit denen es verbunden ist. Mobiles IoT ermöglicht jedoch Firewalls für das Mobilfunknetz, um sicherzustellen, dass ein Gerät nicht zu einem Einfallstor für andere wird.

Mobilfunk fördert Flexibilität im IoT

Für IoT-Anwendungen bietet die Mobilfunkkonnektivität also große Vorteile und fördert neue Anwendungen. Sie eignet sich insbesondere für den Einsatz in der Logistik, der Fertigung, dem Asset Tracking und dem Lieferkettenmanagement.

IoT-Geräte, die durch Mobilfunk vernetzt sind, können Signale von jedem Punkt der Welt zu jedem anderen Punkt der Welt senden und empfangen. Da die Mobilfunknetzbetreiber bereits ausgedehnte Netze zur Maximierung der Abdeckung aufgebaut haben, ermöglicht die Mobilfunkkonnektivität den Herstellern, ihre Geräte an fast jedem Ort einzusetzen. Und mit den zukünftigen 5G-Netzen werden Datenübertragungen in Echtzeit möglich, selbst wenn Maschinen sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen.

* Martin Giess arbeitet als CTO bei Emnify.

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