Industrielle Netzwerke ermöglichen IIoT-Kommunikation

Das Internet und die Digitalisierung im Allgemeinen haben eine Reihe von verbraucherorientierten Branchen wie Medien, Reisen, Einzelhandel und Finanzen neu definiert. Jetzt findet eine digitale Transformation aber auch in Branchen wie Energie, Fertigung, Verkehr und Gesundheitswesen statt. Diese neue Welle ist das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT): ein Internet der Dinge, Maschinen, Computer und Menschen, das intelligente industrielle Abläufe unter Verwendung fortschrittlicher Datenanalyse für transformative Geschäftsergebnisse ermöglicht.

Die Grundlage des IIoT ist die Art und Weise, wie die industriellen Anlagen (die Dinge, Maschinen, Standorte und Umgebungen) mit den Fachleuten und Prozessen des Unternehmens verbunden werden können. Einer Prognose zufolge werden bis 2023 20 Milliarden vernetzte Geräte mit Sensoren, Aktoren und eingebetteten Datenverarbeitungsfunktionen installiert sein. Dieses industrielle Netzwerk ist dabei eine wichtige Infrastruktur, die unterschiedliche Anwendungsanforderungen und unterschiedliche Einsatzsituationen in der großen Bandbreite von Industriesektoren und damit verbundenen branchenspezifischen Anwendungen unterstützt.

Ermöglichung der IIoT-Kommunikation durch industrielle Netzwerke

Industrielle Netzwerke unterscheiden sich von Netzwerken für Unternehmen oder von Netzwerken für Verbraucher. Wichtige Überlegungen zur Vernetzung betreffen die Frage, ob kabelgebundene oder kabellose Netzwerke verwendet werden sollen, wie die Mobilität (z. B. von Fahrzeugen, Geräten, Robotern und Arbeitern) unterstützt werden soll und wie Komponenten neu konfiguriert werden können. Weitere Faktoren sind der Lebenszyklus des Einsatzes, physikalische Umgebungsbedingungen wie im Bergbau und in der Landwirtschaft sowie elektromagnetische Bedingungen, bei denen Störungen durch Maschinen und Geräte ein Problem darstellen können.
Zweitens sind da die technischen Anforderungen. Dazu gehören Latenz des Netzes, Durchsatzanforderungen, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Die Anforderungen können von einfach bis hoch anspruchsvoll reichen. Das Netz muss die End-to-End-Leistungsanforderungen für Anwendungen erfüllen, die sowohl am Edge als auch in der Cloud eingesetzt werden.

In diesem Blogbeitrag stellen wir einige typische industrielle Szenarien vor, gefolgt von ihren Auswirkungen auf die industriellen Netze. Die Szenarien zeigen, dass es keine universelle oder bevorzugte Netzwerktechnologie für IIoT-Systeme gibt und dass bei der Auswahl einer geeigneten Lösung verschiedene Anforderungen berücksichtigt werden müssen.
Die abgeleiteten Vernetzungsanforderungen führen zu einer Vielzahl von Designüberlegungen, die den Architekten von IIoT-Lösungen und den Ingenieuren für industrielle Netzwerke eine erste Orientierungshilfe bieten, um die richtigen Entscheidungen zu treffen.

IIoT-Szenarien und ihr Zusammenhang mit industriellen Netzwerken

Industrielle Netzwerke verbessern die Produktivität und Leistung durch die Übermittlung wichtiger Betriebsdaten. So werden beispielsweise bei der Zustandsüberwachung und der Energieüberwachung Daten von jedem Gerät im Betrieb gesammelt, die zur Erstellung von Profilen für jedes Gerät verwendet werden können, z. B. Stromverbrauch über einen Gerätezyklus und Vibrationsprofile während des normalen Betriebs. Diese Daten werden häufig zur Analyse in die Cloud übertragen und können, wenn sie mit früheren Profilen verglichen werden, zu vorausschauenden Entscheidungen darüber beitragen, wann die Ausrüstung gewartet werden muss, um so Ausfälle während der Produktion zu verhindern.

Szenario #1 Prozessverbesserung in der Produktion

Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse werden während des gesamten Lebenszyklus der hergestellten Produkte Verbesserungs- oder Optimierungsprogrammen unterzogen. Der Trend geht dahin, dass Prozessverbesserungen immer häufiger und in einigen Fällen nahezu kontinuierlich durchgeführt werden. Um eine häufigere Prozessverbesserung zu erreichen, werden mehr und mehr IIoT-Sensoren in die Abläufe integriert.
Da die meisten industriellen Abläufe bereits seit langem bestehen, müssen neue Sensoren in die bestehende Infrastruktur und die Maschinen nachgerüstet werden, was mit drahtlosen Kommunikationstechnologien effizient durchgeführt werden kann. Drahtlose industrielle Netzwerke stellen dabei die Edge-Konnektivität zu den neuen Sensoren bereit.

Szenario #2 Smart-Grid-Anwendungen

Versorgungsunternehmen nutzen derzeit mehrere Kommunikationslösungen, um ihr Geschäft zu verwalten und zu betreiben.
Um Smart-Grid-Anwendungen zu verwirklichen benötigt man verteilte Energieressourcen, Plug-in-Elektrofahrzeuge, Batteriespeicher und intelligente, vernetzte Geräte. Um diese große Anzahl vernetzter Geräte und Technologien nutzen zu können, ist eine Koordinierung zwischen den verschiedenen Elementen der Netze erforderlich, was den Bedarf an fortschrittlichen Weitverkehrsnetzlösungen begründet.
Der Kommunikationsbedarf der einzelnen Akteure ist sehr unterschiedlich, was dazu führt, dass mehrere Netzwerktechnologien erforderlich sind, um die Anforderungen zu erfüllen. Die Entwicklung hin zu einem echten intelligenten Stromnetz erfordert intelligente Edge-Bedingungen und eine verteilte Steuerung. Die historischen Lastinformationen werden mit probabilistischen Prognosen für eine automatisierte intelligente Analyse kombiniert. Diese Informationen müssen allen Beteiligten in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden.

Szenario #3 Intelligente Logistik

Logistik ist der Prozess der Optimierung des Flusses und der Lagerung von Dingen zwischen den Endpunkten, z. B. Herstellern und Verbrauchern, durch die Verringerung des Ressourcenverbrauchs wie Transportkraftstoff und Lagerraum, die Optimierung der Lagerbestände und die Minimierung von unnötigem Produktabfall. Bei der Optimierung geht es auch um die rechtzeitige Lieferung, d. h. um die Fähigkeit, Dinge zu verfolgen, indem sie z. B. mit Hilfe von RFID-Etiketten identifiziert und lokalisiert werden. Produkte können außerdem verderblich (z. B. Lebensmittel) oder zerbrechlich sein (z. B. Kunstgegenstände) oder müssen vor Manipulationen geschützt werden (z. B. Arzneimittel). Das bedeutet, dass verschiedene Arten von Gütern eine entsprechende Überwachung (z. B. Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration, Schock und Manipulation) und Protokollierung (z. B. wer, wann und wo) über den gesamten Logistikfluss hinweg benötigen. Die Handhabung muss individuell an die Bedürfnisse jedes Produkts angepasst werden, unabhängig davon, ob sie manuell oder durch Maschinen erfolgt.
Die Logistik ist global und umfasst verschiedene Transportmittel, hauptsächlich Schifffahrt, Straße, Schienen und Luftverkehr über viele Verteilungspunkte in Häfen, Flughäfen und Drehkreuzen. Um eine angemessene Verfolgung, Überwachung und Handhabung von Waren zu gewährleisten, muss der Logistikfluss durchgängig vernetzt sein. Auf höchster Ebene erfordert dies die Nutzung verschiedener Weitverkehrsnetze wie Mobilfunknetze und Satellitenkonnektivität bei Langstreckentransporten sowie Mobilfunk und Wi-Fi in Kombination für Logistikzentren.
Die Umgebungsbedingungen im Logistikfluss sind im Allgemeinen rau, mit extremen Temperaturen, Feuchtigkeit und sogar korrosiven Materialien. Die Sendungen müssen über lange Zeiträume überwacht werden, so dass die Kosten und der Energieverbrauch von Sensorgeräten und Netzwerken eine wichtige Rolle spielen. Außerdem benötigt man auch die richtige Funktechnologie, möglicherweise einschließlich Mesh-Netzwerklösungen, um beispielsweise die große Anzahl von Stahlcontainern auf einem Schiff zu bewältigen, von denen jeder eine Verbindung benötigt.

Szenario #4 Elastische virtuelle industrielle Steuerung

Traditionelle industrielle Prozesse bestehen aus verteilten Teilsystemen, die von diskreten industriellen Steuerungen, typischerweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), gesteuert werden. Künftige Produktionssysteme müssen den schnell wachsenden Marktanforderungen gerecht werden, indem sie agile und flexible Produktionsprozesse bieten, die durch den Einsatz skalierbarer Automatisierungssysteme wettbewerbsfähige Produktionskosten erzielen. Jede neue SPS bringt jedoch zusätzliche Kosten und Wartungsarbeiten mit sich, und da jede SPS nur begrenzte Steuerungsressourcen bietet, ist die Hardware-SPS-Funktion nicht elastisch. "SPS-as-a-Service" am Edge oder innerhalb einer Cloud könnte die skalierbaren Automatisierungsanforderungen der Wirtschaft erfüllen.
Ein deterministisches Netzwerk ist für viele industrielle Kommunikationsanwendungen unerlässlich. Eine Herausforderung für "SPS-as-a-service" ist daher die Sicherstellung einer deterministischen Kommunikation vom Edge oder der Cloud zu den Feldgeräten. Aufkommende Standards für zeitabhängige Netzwerke (TSN) und deterministisches Ethernet helfen, diese Zeitanforderungen zu erfüllen.

Anforderungen an industrielle Netzwerke und Designüberlegungen

Die oben beschriebenen Szenarien zeigen, dass IIoT-Anwendungen durch die Nutzung von industrieller Netzwerktechnologie vielfältiger, flexibler, intelligenter und effizienter werden könnten. Die Zukunft der Vernetzung erfordert eine kontinuierliche Verbesserung der Zuverlässigkeit, Sicherheit und Verwaltungsfunktionen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen verschiedene Designüberlegungen für IIoT-Netzwerke bewertet werden, die im Folgenden zusammengefasst werden.

• Netzwerk-Architektur: Jede Architektur hat unterschiedliche Szenarien und Netzwerkanforderungen. Einige erfordern eine zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenzzeit, während andere einen geringen Stromverbrauch oder eine drahtlose Kommunikation mit großer Reichweite benötigen. Diese verschiedenen Bereiche müssen jedoch miteinander kommunizieren können, so dass eine gemeinsame Netzwerkarchitektur mit allgegenwärtiger Konnektivität und Sensoren in der Cloud unerlässlich ist.
• End-to-End- und vertikale Integration: Bei einem herkömmlichen hierarchischen Ansatz mit mehreren Ebenen (Sensor, Gerät, Steuerung und Unternehmen) werden auf jeder Ebene häufig unterschiedliche Netzinfrastrukturen und -technologien verwendet. Um diese Netze zu überbrücken, sind Gateways erforderlich. Eine End-to-End-Lösung kann die Hierarchie abflachen und die Konvergenz von IT, OT und Internet unterstützen, ohne dass eine Technologieumstellung erforderlich ist.
• Flexibilität: Die Massenanpassung in der Fertigung hat zu einer dramatischen Veränderung der Montageanlagen geführt. Moderne Montagelinien und Logistik müssen flexibel und wendig sein, um die erforderliche Produktvariabilität zu bewältigen, ohne dass es zu Ausschuss oder Qualitätseinbußen kommt. Um eine flexible Fertigung zu unterstützen, sollte das Netzwerk in der Lage sein, sich selbst dynamisch zu (re)konfigurieren.
• Determinismus: Viele industrielle Szenarien erfordern eine deterministische Kommunikation. Die Fabrikautomatisierung (z. B. Bewegungssteuerung) erfordert deterministische Übertragungen mit ultraniedriger Latenzzeit in der Größenordnung von Sub-Millisekunden. Für diese Szenarien sollten zeitkritische Protokolle und Technologien mit geringem Jitter eingesetzt werden, um die Integrität der Anwendungen und eine vorhersehbare Systemleistung zu gewährleisten.
• Rückwärtskompatibilität und Zukunftssicherheit: Neue Netzwerktechnologien sollten mit bestehenden Netzwerken interoperabel sein, um frühere Investitionen zu schützen und zukünftige Entwicklungen zu erleichtern.
• Kommunikationsstacks in den Endgeräten: Um eine zuverlässige, sichere und deterministische industrielle Kommunikation zu gewährleisten, sind hochentwickelte Netzwerkmethoden, -funktionen und -protokolle erforderlich. Da viele Endgeräte in Bezug auf Ressourcen und Leistung begrenzt sind, müssen diese Einschränkungen bei der Entwicklung des Kommunikationsstacks und der Hardware berücksichtigt werden.
• Vertrauenswürdigkeit: Die Vertrauenswürdigkeit eines IIoT-Einsatzes erfordert Sicherheit, Zuverlässigkeit, Belastbarkeit und Datenschutz. Das industrielle Netz sollte Mittel und Maßnahmen bereitstellen, die die Vertrauenswürdigkeit aus der Netzperspektive ermöglichen und unterstützen.
• Offenheit und Standard: Die Infrastruktur, Protokolle und Technologien, die im industriellen Netzwerksystem verwendet werden, sollten offen und standardisiert sein, um ein Höchstmaß an Interoperabilität zu ermöglichen und eine umfassende Zusammenarbeit zwischen den Industriepartnern zu fördern.
• Stromverbrauch: Bei der Entwicklung der Kommunikation sollte der Stromverbrauch berücksichtigt werden, speziell auch im Hinblick auf Nachhaltigkeitsmaßnahmen und steigende Stromkosten.
• Abdeckung: Die Abdeckung umfasst das abzudeckende Gebiet, die Anzahl der zu unterstützenden Kommunikationsendpunkte und die Bandbreitenanforderungen. Die Reichweite soll die Planung der erforderlichen Entfernungen, der Sichtlinie und der Funkausbreitungseigenschaften in der Zielumgebung umfassen.
• Mobilität: Zu den verschiedenen Mobilitätsebenen gehört, ob die Unterstützung auf globaler, regionaler oder lokaler Ebene benötigt wird. Lokal kann auch auf der Ebene des Standorts oder von Teilstandorten bedeuten. Zu den Merkmalen der Mobilität gehören die Häufigkeit der Mobilität, die Geschwindigkeit des mobilen Objekts und die Anforderungen an die erforderliche Bandbreite und Latenzzeit während der Mobilität.

Wenn auch Sie Interesse an der Umsetzung eines industriellen Netzwerkes in Ihrem Industriebetrieb haben oder Sie sich einfach nur für IIoT interessieren, kontaktieren Sie uns gerne für ein unverbindliches Gespräch.