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Industrial IoT Gateways

Mit dem Aufkommen des Industrial Internet of Things (IIoT) steuern Produktionssysteme in eine „nahtlos vernetzte“ Zukunft, in der alle mechanischen, elektrischen und intelligenten Schnittstellen in einem Gesamtpaket zusammenarbeiten – inklusive Motoren, Antrieben, Steuerungen, und der Cloud. Auch wenn wir noch nicht am Ziel sind, verspricht diese Zukunft den Fabriken von morgen in Bezug auf höhere Produktivität, bessere Produktqualität und niedrigere Kosten eine außerordentliche Perspektive.



Wenn nahtlose Konnektivität die Zukunft ist, dann ist „erweiterte Konnektivität“ das Hier und Jetzt. Auf der Feldebene in der industriellen Automatisierung sind die technologischen Entwicklungen in vollem Gange; moderne Gateway Konzepte versetzen auch die in die Jahre gekommene Automatisierung mit dem Stand der Technik von Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge (IoT). Gleichzeitig bringen uns offene Schnittstellen wie die Open Platform Communications United Architecture (OPC UA) einer unbegrenzten Geräte-Interoperabilität einen wesentlichen Schritt weiter. Zusammen haben diese Entwicklungen enorme Auswirkungen darauf, wie wir unsere Produktionssysteme in einer zunehmend digitalen Welt entwerfen, nutzen und warten.


Wir haben uns in diesem Zusammenhang zahlreiche Gateway Lösungen in Anbetracht typischer Anwendungsfälle angeschaut und bewertet und die teils unterschiedlichen Hardware-Plattformen, den zur Verfügung stehenden Schnittstellen sowie den Betriebssystemen und der Geräte-Software verglichen. Ein wesentliches Fazit: nur in Verbindung mit der mittelfristigen Digitalisierungsstrategie lässt sich wirklich eine nachhaltige und auch skalierbare Entschiedung für die passende Auswahl des Gateways treffen. Mit dem richtigen Gerätetyp kann die Gateway-Technologie das Sprungbrett in eine wirklich vernetzte Zukunft sein.


Neue Intelligenz auf Feldebene

In einer typischen Fabrik besteht die Produktionsfläche aus verschiedenen elektromechanischen Komponenten wie Lineareinheiten, Drehantrieben, Servoantrieben und Greifern sowie komplexeren mechanischen Systemen wie mehrachsigen kartesischen Handhabungssystemen. Um die volle Vision von Industrie 4.0 zu verwirklichen, müssen alle relevanten Daten aus Produktionsprozessen, einschließlich des Status dieser „unintelligenten“ Geräte, in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden.


Smart Components sind die Voraussetzung für Echtzeit-Datenverfügbarkeit und spielen eine entscheidende Rolle für den durchgängigen und einheitlichen Informationsaustausch innerhalb von Produktionsprozessen.


Als Beweis für die verbesserte Konnektivität bieten viele früher unintelligente Komponenten jetzt IIoT-Funktionen, Datenverarbeitungs- und Diagnosefunktionen und machen sie so intelligent. Diese neuen lokalen Funktionalitäten bringen mehrere Leistungsvorteile für den Gesamtbetrieb, insbesondere in Bezug auf Effizienz und Wartung.


Wie IIoT-Funktionalität Wartungsprozesse verbessert

Der Einsatz von Komponenten und Maschinen mit intelligenter Funktionalität trägt wesentlich dazu bei, ungewollte Ausfallzeiten zu vermeiden. Stellen Sie sich eine Maschine vor, die an einem Freitagabend arbeitet, nachdem alle bereits ausgestempelt haben. Diese Maschine erkennt eine Anomalie – zum Beispiel eine Zunahme der Reibung – an einem Antrieb und berechnet dann, dass das Teil in den nächsten drei bis vier Tagen ausfallen wird. Ohne menschliches Eingreifen löst die Maschine ein sogenanntes Event aus, und stellt so sicher, das eine rechtzeitige Wartung und ggf. der Austausch einer Maschinenkomponente erfolgt. Ein solches Beispiel demonstriert die Leistungsfähigkeit der digitalen Zustandsüberwachung, insbesondere in Zeiten des mannlosen Betriebs. Ungeplante, kostspielige Ausfallzeiten können auf diese Weise deutlich reduziert werden können.


Erleichterung der Komponentenintegration mit IoT-Gateways

Eine der größten Herausforderungen bei der Umsetzung der nahtlosen Konnektivität ist die Integration vernetzter Komponenten und Systeme. Die Integration von Servoantrieben und Controllern verschiedener Hersteller ist traditionell eine komplexe und mühsame Aufgabe, die sowohl Engineering-Zeit als auch -Kosten in die Höhe treibt. Neben Veränderungen bei Software- und Hardware-Plattformen sehen wir uns häufig noch mit unterschiedlichen Feldbussystemen, Softwaremodulen und Datenprotokollen konfrontiert. Dazu gehört aber auch eine Gesamtbetrachtung des Systems und ein Verständnis dafür, wie sich Komponenten zueinander verhalten. Nur allein der Einsatz eines Gateways allein ist da allerdings nicht die Lösung.


Zwar gilt es zunächst einmal einen Einblick in die verschiedenen Betriebsparameter wie z.B. Temperaturen, Geschwindigkeiten und Spannungen zu erhalten - aber mit welcher Genauigkeit (Frequenz oder Sampling Rate) muss ich nun diese Daten betrachten, um z.B. kritische Maschinenzustände zu identifizieren? Damit stellt sich an diesem Punkt bereits ein wesentlicher Anspruch an das Gateway ein: Die Abwägung, ob es Maschinen- und Produktionsdaten bereits vor Ort konsolidieren, oder über sichere offene Schnittstellen mit der Cloud kommunizieren soll? Und wie groß ist die Anforderung an die Echtzeitfähigkeit der Datenanalyseoptionen – hinsichtlich intelligenter Wartungslösungen bis hin zu dem digitalen Zwilling.


Offene Protokolle für die Geräteinteroperabilität

Ob für Mechanik oder Steuerung, eine überwältigende Zahl von Produkten, Komponenten und Lösungen unterschiedlicher Hersteller ist verfügbar – jedes mit eigener Schnittstelle, Hardware, Programmiersprache und Kommunikationsprotokoll. Genauso mannigfaltig ist daher auch das Angebot an Gateways, die genau diese Herausforderungen versuchen zu lösen. Maschinenbauer und Ingenieure verbringen oft viel Zeit damit, das richtige Gateway zu identifizieren und die unterschiedlichen Komponenten ihre Maschinen zu integrieren. Wir haben gut ein Dutzend verschiedene Gateways miteinander vergleichen und arbeiten daran entsprechende Software für die Integration über den Marktplatz bereitzustellen.


Angebote und Lösungen

In unserer Untersuchung haben wir unterschiedlichste Konnektivitätslösungen (Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, Ethernet, Z-Wave, LoRa), sowie Hardware-Plattformen (Microcontroller Unit (MCU), Field Programmable Gate Array (FPGA), Sensor, Memory) für die Industriebereiche Produktion, Logistik und Aftermarket Service genauer unter die Lupe genommen. Mit ergänzenden Informationen zu Preisen, sowie regionaler Verfügbarkeit konnten wir einen umfangreichen Wissenspool zusammenstellen.


Unser weiteres Interesse in der Recherche lag darin, mehr über die Einsatzmöglichkeiten von OPC UA in Form von verfügbaren Softwareschnittstellen, sowie den Möglichkeiten zur Abbildung von Digitalen Zwillingen auf den Gateways zu erfahren. Ebenfalls spielte der Umfang einer möglichen Verarbeitung von Maschinendaten inklusive Prozesswerten und Messwerten auf dem Gateway selbst eine entscheidende Rolle; denn diese Funktion (auch Edge Computing genannt) bietet in jeglicher Hinsicht in Digital-Projekten einen deutlichen Mehrwert. Im Rahmen der „Plug-and-Play“-Funktionalität prüften wir außerdem, in wie weit sich eine Inbetriebnahme durch standardisierte IoT Connectoren abbilden lässt. Über diese IoT Connectoren lassen sich Authentifizierungs- und Kommunikationseinstellungen mit einer individuellen, gerätespezifischen Firmware abbilden.


Der Blick in die Zukunft

Während sich vernetzte Technologien unweigerlich weiter auf dem Vormarsch befinden, bewegen sich Fabriken in Richtung einer Zukunft, in der alle Komponenten, Steuerungen und eine industrielle Cloud nahtlos integriert sind. Die Vorteile der erfolgreich umgesetzten Anwendungen in diesem Feld zeigen bereits die unzähligen Vorteile für die Produktion. Obwohl die Technologie bereits weit fortgeschritten ist, stellt das unfassbar große Angebot an unterschiedlichen Lösungen den Nutzer allzu oft für eine riesige Herausforderung. Die finale Entscheidung für das passende Produkt lässt sich aus unserer Sicht nur durch eine mittelfristige Digital-Strategie bestimmen. Es erfordert hinreichende Kenntnisse über die geplanten Anwendungen sowie die Anforderungen der Skalierung.


Fragen sie uns, wenn sie nach einer geeigneten Losung suchen - wie unterstützen sie gerne!

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