Industrial IoT: Vernetzungsoptionen für IIoT-Geräte
Eignet sich eine kabelgebundene oder eine drahtlose Konnektivität besser für Industrial IoT (IIoT)? Das hängt unter anderem von der Datenrate und dem Standort der Geräte ab.
Sensoren erfassen Daten, die für Industrial IoT und eine wirtschaftliche Tätigkeit entscheidend sind. Aber viele Unternehmen haben erst damit begonnen, IIoT-Geräte in ihre Arbeitsbereiche zu integrieren und herauszufinden, wie sie ihre Maschinen verbinden können.
Industrieunternehmen nutzen IIoT-Sensoren in etlichen vertikalen Bereichen, um eine Vielzahl von Faktoren zu messen. Dazu gehören etwa Druckdetektoren, die eine Ölleitung kontrollieren, Temperatursensoren, die gefrorene Lebensmittel überwachen, oder eine Kamera, die einen Lagereingang beobachtet.
Viele Unternehmen haben IIoT im Zuge der Pandemie neu bewertet. Störungen in der Lieferkette betrafen 94 Prozent der Fortune-1000-Unternehmen bei Ausbruch der Pandemie im Jahr 2020. Laut der Unternehmensberatung McKinsey & Company wird IIoT in der Fabrik oder Lieferkette die Liquidität verbessern, die Wartungskosten um 10 bis 15 Prozent senken und die Abfallmenge um bis zu 20 Prozent reduzieren.
Unternehmen, für die IIoT neu ist, müssen je nach Bedarf und Gerätetypen entscheiden, wie sie Sensoren und Geräte mit dem Internet verbinden. Sie können zwischen kabelgebundenen und kabellosen Mechanismen wählen, um eine solche Verbindung zu realisieren.
Wann eine kabelgebundene Verbindung am besten funktioniert
Viele Unternehmen nutzen eine kabelgebundene Verbindung, um IIoT-Geräte mit einem Netzwerk zu verbinden. Ethernet, das auf dem IEEE.802.3-Standard basiert, ist die am häufigsten verwendete kabelgebundene Internetverbindung für PCs und Drucker. In den frühen 1990er Jahren überholte Ethernet die von IBM geförderte Token-Ring-Technik als Standard für Netzwerkverbindungen.
Die Verwendung von Standard-Ethernet in industriellen Umgebungen führt jedoch zu Problemen, da das TCP/IP-Protokoll für das Daten-Routing nicht die garantierte Echtzeit-Performance bietet, die in Automatisierungs- und Verarbeitungsanwendungen häufig benötigt wird.
Industrielle Anwendungen erfordern ein Echtzeitprotokoll, das für die Nutzung der physischen Schichten von Ethernet konzipiert ist, die auch die Kommunikation zwischen Maschinensteuerungen, Aktoren und Geräten ermöglichen. Dies führte zur Entwicklung von Industrial Ethernet.
Industrial Ethernet implementiert ein Application-Layer-Protokolle, das sicherstellt, dass die richtigen Daten zum richtigen Zeitpunkt und an der richtigen Stelle für einen bestimmten Vorgang gesendet und empfangen werden. Zu den Protokollen für Industrial Ethernet gehören EtherCAT, Ethernet/IP und Profinet.
Die Verkabelung für Industrial Ethernet muss widerstandsfähiger sein als eine übliche Büroverkabelung. Ein fester Leiter funktioniert besser als ein Litzenkabel, wenn es darum geht, höhere Geschwindigkeiten über größere Entfernungen zu übertragen. Ethernet-Leiter entsprechen normalerweise American Wire Gauge 26 und 24. Diese als AWG abgekürzte Kodierung für Drahtdurchmesser findet überwiegend in Nordamerika Verwendung. International wird der Leiterquerschnitt durch IEC 60228 genormt. Die größten Leitergrößen eignen sich am besten für Anwendungsfälle, die schnelle Datenraten über lange Kabelwege erfordern.
Die Verkabelungsanforderungen machen einen Großteil der Kosten für Industrial Ethernet aus. Viele IIoT-Bereitstellungen nutzen Industrial Ethernet als Methode für die Netzwerkverbindung.
Ethernet ist jedoch nicht für alle industriellen Aufgaben geeignet, etwa das Monitoring der Lieferkette, bei dem IIoT-Sensoren nicht an einen einzigen Punkt im Netzwerk angebunden werden können. Den Unternehmen stehen zahlreiche drahtlose Optionen für den industriellen Einsatz zur Verfügung.
Abbildung 1: Die IoT-Konnektivität muss kompatibel sein, um IIoT-Infrastrukturkomponenten wie Gateways, Sensoren, Aktoren und Edge-Knoten zu verbinden.
Drahtlose Konnektivitätsoptionen für Industrial IoT
Local Area Networks (LAN)
Bluetooth:Bluetooth ist eine Technologie mit kurzer Reichweite, die 1989 von Ericsson erfunden wurde. Die 2,4-GHz-Technologie besitzt eine Reichweite von zehn Metern. Bluetooth eignet sich für IIoT, wenn Sensoren – zum Beispiel Beleuchtung, chemische Überwachungsgeräte und HLK-Systeme – gleichmäßig in einem Bereich verteilt sind. Viele Bluetooth-Sensoren verwenden heute Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), das weniger Strom verbraucht als herkömmliches Bluetooth, aber eine ähnliche Reichweite bietet. Bluetooth LE wurde im Jahr 2009 in Bluetooth 4.0 integriert.
Wi-Fi: Wireless LAN (WLAN) ist eine beliebte LAN-Verbindung, die auf dem 802.11-Protokoll basiert und 1998 eingeführt wurde. WLAN-Router mit 2,4 GHz bieten eine Reichweite von circa 45 Metern in Innenräumen und rund 90 Metern im Freien. Access Points (AP) mit 5 GHz ermöglichen eine Reichweite von etwa 58 Metern in Innenräumen. Feldtechniker können problemlos Geräte zu einem Wi-Fi-Netzwerk hinzufügen, wenn diese sich in der Nähe eines Access Points befinden. IT-Teams erlauben es aus Sicherheitsgründen oft nicht, dass sich IIoT-Geräte mit ihrem Netzwerk verbinden.
Industrielle Anwendungen erfordern ein Echtzeitprotokoll, das für die Nutzung der physischen Schichten von Ethernet konzipiert ist, die auch die Kommunikation zwischen Maschinen-Steuerungen, Aktoren und Geräten ermöglichen.
Zigbee:Zigbee wurde erstmals im Jahr 2003 standardisiert. Es sendet im 2,4-GHz-Band mit einer Reichweite von 10 bis 100 Metern. Zigbee ist eine Mesh-Netzwerktechnologie, bei der sich Knoten mit mehreren Pfaden verbinden. Das Verfahren ist für batteriebetriebene Sensoren gedacht, die einen geringen Datendurchsatz benötigen. Der Standard erfordert einen zentralen Hub, der als Koordinator fungiert. Allerdings sind Zigbee-Geräte dafür bekannt, dass sie Probleme mit der Interoperabilität haben.
Wide Area Networks (WAN)
Mobilfunknetze:LTE-M und NB-IoT sind zwei Mobilfunksysteme, die speziell für IoT-Geräte entwickelt wurden. Diese Technologien können relativ große Datenpakete übertragen, etwa mit 250 KBit/s im Fall von NB-IoT und mit einem MBit/s bei LTE-M.
LTE-M ermöglicht Mobilität durch Funkzellen-Handover, während NB-IoT Mobilität nur durch Auswahl einer neuen Funkzelle im Idle-Modus unterstützt. Dadurch eignet sich LTE-M besser für die Verfolgung von Objekten, beispielsweise zur Überwachung von Lieferketten, während NB-IoT besser für das Monitoring bei Versorgungsunternehmen geeignet ist. Die auf LTE basierenden Systeme mit lizenziertem Spektrum werden von vielen Mobilfunkunternehmen auf der ganzen Welt betrieben. Diese IoT-Netzwerke decken noch nicht jeden globalen Standort ab und sind deshalb womöglich nicht für alle IIoT-Abläufe geeignet.
Abbildung 2: Die Konnektivitätsoptionen für mobilfunkbasiertes IoT umfassen eine breite Palette von Datenraten und Anwendungsfällen.
LPWAN: Diese Technologie, zu der auch LoRaWAN und Sigfox gehören, eignet sich ideal für die Verbindung von Geräten, die kleine Datenpakete über große Entfernungen senden sowie empfangen und dabei sehr wenig Strom verbrauchen. Die Verbindung erfolgt hierbei über ein unlizenziertes Spektrum. LoRaWAN und Sigfox sind in China und anderen Teilen der Welt noch nicht so gut etabliert wie die IoT-Mobilfunktechnologien und eignen sich möglicherweise nicht für alle IIoT-Anwendungen.
5G: Chips, die 5G-IoT unterstützen, werden ab 2022 kommerziell verfügbar sein. Der Hauptunterschied zwischen 5G und der aktuellen 4G-Technologie besteht darin, dass 5G in der Lage sein wird, bis zu einer Million Geräte pro Quadratkilometer zu unterstützen, im Gegensatz zu den 1.000 Geräten, die heute von 4G unterstützt werden. Anwendungen wie die Fabrikautomatisierung werden aufgrund der geringen Latenz von zehn Millisekunden, die für den Betrieb erforderlich ist, gut für 5G geeignet sein.
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