Der io-key

Von überall auf der Welt auf meine Devices zugreifen? Das Internet of Things (IoT) vernetzt die Geräte der Welt. Aber wie kommen die Daten ins Netz?

Gateways

Der Schlüssel für die Vernetzung sind sogenannte Gateways, welche kurz gesagt die Verbindung zwischen Device auf dem Edge, also der lokalen Grenze eines Systems, und dem globalen Netzwerk herstellt. Ziel ist also die Herstellung der Konnektivität zwischen der Operative Technology (OT), also physischen Systemen wie Sensoren oder ganze Maschinen und der Information Technology (IT). Letztere soll die Daten in ein virtuelles Abbild des physischen Systems integrieren, um eine Überwachung bzw. Steuerung des Systems zu realisieren.

Das virtuelle Abbild der Devices wird im Zuge des Industrie 4.0 Ansatzes auch auf Industrieprozesse angewendet, was Produzenten neue Möglichkeiten eröffnet. Mit dem Ausbau automatisierter Prozesse und der verbesserten Flexibilität durch Datenanalyse in hohem Umfang und die damit einhergehende verbesserte Steuerungsfähigkeit von Produktionsprozessen sind an dieser Stelle nur zwei von vielen Applikationen des sogenannten Industrial Internet of Things (IIoT) aufgezählt. Die Funktionsweise von IIoT-Gateways unterscheidet sich häufig ausschließlich durch die Architektur des bestehenden OT-Systems.

Wie findet man das richtige IIoT-Gateway für die eigene Anwendung?

In großen Produktionslinien finden häufig Edge-Controller oder Edge-Computer Anwendung. Diese Systeme sind an eine bestehende Steuerungseinrichtung wie beispielsweise eine SPS gebunden und leiten die Daten in Form von Schaltsignalen an eine Cloud-Plattform weiter. Die geschalteten Ein- und Ausgänge können dann remote überwacht und gesteuert werden. Edge-Computer modellieren aus diesen binären Signalen bereits Prozessparameter der Produktion vor und übertragen diese anschließend komprimiert an eine Monitoring Plattform. Außerdem sind hier häufig weitere Schnittstellen und individualisierte Softwarelösungen für umfangreiche IIoT-Projekte integriert.

Um eine Digitalisierung von Prozessdaten auf der Feldebene zu realisieren, ist aus einer Vielzahl an Gateways für Bussysteme zu wählen, welche sich hauptsächlich durch das unterstützte Kommunikationsprotokoll, wie beispielsweise ProfiNet oder CANopen unterscheiden. Diese Gateways „sammeln“ die Daten verschiedener Sensoren und Aktoren ein und senden diese über eine Anbindung an ein lokales Netzwerk über (Wireless-)LAN an das globale Internet.

Ist keine umfangreiche Infrastruktur in Form von Steuerungen verfügbar, oder soll die bestehende Systemarchitektur nicht verändert werden (Retrofitting), kommen Gateways zum Einsatz, die die Verbindung direkt als „Sensor to Cloud“* herstellen. Smarte Sensoren besitzen eigens für diese Kommunikationsform ein eingebautes Gateway, welches die Prozessdaten über das Mobilfunknetz mit verschiedenen Protokollen online bereitstellt. Diese Sensoren werden vor allem im Bereich von Smart Home Anwendungen verwendet. Um Industriesensoren direkt mit dem IIoT zu verbinden, werden von den Sensoren externe Gateways verwendet, die ebenfalls via Ethernet oder Wireless-LAN bzw. das Mobilfunknetz Verbindung zum IIoT aufbauen. Die erste Verbindungsart ist dabei von einem lokalen Netzwerk abhängig. Ist ein solches Netzwerk aufgrund der äußeren Bedingungen nicht ohne weiteres realisierbar, oder ist eine unabhängige Übertragungsform notwendig, kommt ein Gateway zum Einsatz, welches über das 2G-Netzwerk und Narrowband-IoT kommuniziert.

Letzteres ist ein spezielles Funknetz, welches auf der LTE (4G) Technik basiert. Das Frequenzband zeichnet sich durch seine Langwelligkeit aus, welche eine hohe Gebäudedurchdringung der Funkwellen erreicht. Auf diese Weise sind Datenübertragungen auch im Kellergeschoss möglich, jedoch ist die Datenmenge begrenzt. In einer weiteren Ausbaustufe dieses Netzes kann die sogenannte Cat-M1 Technik, welche ebenfalls auf LTE aufbaut, zwar keine gleichwertige Gebäudedurchdringung vorweisen, jedoch durch eine bedeutend höher Datenübertragungsmenge und einem stabilerem Funkzellen-Wechsel punkten. Daher wird die Cat-M1 Technik häufig im Zusammenhang mit der Zukunft des IIoT genannt.

Weitere Informationen zu verschiedenen Mobilfunktechnologien finden Sie in der folgenden Tabelle: