IoT Connectivity

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Das Internet der existierenden Dinge

© devolo AG

Von Michael Himmels, Vice President Business Solutions, devolo

Der Mensch als mobiler Endpunkt lässt sich relativ leicht mit Sensoren ausstatten: Anfang 2016 hatten bereits 74 % der Deutschen ein Smartphone – und das ist noch gar nichts gegen Märkte knapp an der 100-%-Marke wie Singapur oder Südkorea. Jeder bessere Mobilfunkvertrag verspricht außerdem bald ein neues Gerät, das noch mehr messen kann: Standort (GPS), Lage (Gyroskop) und Beschleunigung, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und magnetische Kräfte, Kontakt (Touchscreen), Näherung, Helligkeit und Temperatur, hinzu kommen Fingerabdrucksensor, Mikrofon und Kamera für Bild und Ton. Die zusätzlichen Möglichkeiten von Wearables sind hier noch gar nicht berücksichtigt. Die Daten von Anwendern auszulesen, in Big Data Analytics einfließen zu lassen und mit Echtzeitangeboten nachzufassen, funktioniert deshalb bereits skandalös leicht.

Bei Maschinen, Geräten und Anlagen, die ins Netz sollen, sieht die Situation anders aus. Im Unterschied zum Endkunden kommt die Kühltruhe aus dem Discounter nicht in den Vodafone-Laden gerannt und will endlich auch so ein iPhone. Stattdessen schickt der Filialleiter, der seine Tiefkühlkette kontrollieren will (und muss!), weiter die Angestellten mit Checkliste durch die Gänge und lässt sie Zahlen vom Thermometer ablesen. Datentechnisch gesehen ist das so, als würde ein Google-Mitarbeiter jede Stunde an der Haustür läuten, um nachzufragen, ob Sie vielleicht etwas suchen.

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Daten aus der Tiefkühltruhe

Die entscheidende Hürde der meisten IoT-Szenarien ist die Netzanbindung. Ein digitaler Temperaturfühler in der Gefriertruhe ist weder problematisch noch neu. Auch die Routine, dass er in regelmäßigen Abständen die Thermodaten kundgibt, kann ein Informatiker im ersten Semester programmieren. Schwieriger ist es, diese Daten aus −18° C an die Zentrale oder ins Cloud-Management zu senden. Geduldig auf das Next-Generation-Gefriermöbel zu warten, das bereits die nötige Netzintelligenz mitbringt, ist keine praktische Lösung. Denn nicht die nächste Tiefkühltruhe muss ans Netz, sondern diese. Weil die Lebensdauer vieler gewerblicher Investitionen Jahre und Jahrzehnte beträgt, bedeutet praktische Digitalisierung zuerst einmal, die bestehenden Geräte, Maschinen und Anlagen nachzurüsten, und zwar in zweierlei Hinsicht: erstens mit den passenden Sensoren (bzw. Aktoren, wo es um die Steuerung geht), zweitens mit der nötigen Connectivity, der Fähigkeit zur Datenübertragung.

Und das muss relativ schnell gehen. Autokäufer können gerne einen Innovationszyklus aussitzen, während der Forschungsbereich Automotive nur so brummt; dann ist erst der nächste Neuwagen ein mobiles Endgerät. Handel, Industrie und Gewerbe, die im Wettbewerb stehen, haben diese Zeit nicht. Sogar das zweite große IoT-Segment, die Gebäudeautomation, fährt darum bereits zweigleisig: Dort konzipiert man auf der einen Seite intelligente Neubauten, schafft zugleich aber modulare Lösungen zum Nachrüsten, für Heizungs- und Klimaanlagen, Licht- und Fenstersteuerung, Einbruchschutz etc. Einige der neueren Technologien der Sensordatenkommunikation stammen aus genau diesem Segment, hinzu kommen als Alternativen im Wesentlichen Mobilfunk und WLAN, Powerline Communications (PLC) und natürlich handfeste LAN-Kabel – sofern es dafür Anschlüsse gibt.

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Schwarz auf weiß: Dieser Beitrag erschien zuerst in unserer Magazinreihe „Kommunikation und Netze“ 2/2016 als Beilage zur iX 01/2017. Einen Überblick mit freien Links zu sämtlichen Einzelheften bekommen Sie online im Pressezentrum des MittelstandsWiki.

Connectivity fürs Geschäft

Die Frage ist also, wie die Daten von den Endpunkten am besten dorthin gelangen, wo sie gebraucht, genutzt oder abgelegt werden, ob auf einen Firmenserver in der Zentrale oder auf eine IoT-Plattform in der Cloud. Das Problem stellt sich vor allem dort, wo keine Ethernet-Zugangspunkte verlegt sind. Jede der Technologien hat im Internet der Dinge eigene Vor- und Nachteile.

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Michael Himmels ist Vice President Business Solutions bei devolo. Als Geschäftsbereich der devolo AG, die Weltmarktführer im Powerline-Segment ist, greift devolo Business Solutions auf eine einzigartige Expertise in der Entwicklung von innovativen Netzwerklösungen zurück. Im Fokus steht die Ergänzung und Erweiterung bestehender Infrastrukturen, um netzwerkbasierte Services drahtlos wie kabelgebunden im gesamten Unternehmen zur Verfügung zu stellen. Hierbei können die Aachener Experten auch infrastrukturübergreifend Speziallösungen auf Projektbasis entwickeln. Die Produkte der Linie devolo dLAN pro (Powerline) ermöglichen eine flexible Netzwerkverbindung über die Bestandsverkabelung (Strom-, Koax- oder Zweidrahtleitungen) und sind auf professionelle Anwender abgestimmt. Wo die strukturierte Verkabelung an ihre Grenzen stößt, ergibt insbesondere die Kombination mit den Access Points der Reihe WiFi pro (WLAN) neue, innovative Connectivity-Lösungen.


devolo Business Solutions, devolo AG, Charlottenburger Allee 60, 52068 Aachen, Tel.: (0241) 18279277, business@devolo.de, www.devolo.de

Generell gibt es nichts Besseres als Kabelverbindungen, vor allem dann, genauer gesagt: nur dort, wo die räumlichen Gegebenheiten bereits passend sind und z.B. freie Kabelkanäle vorsehen. An Zuverlässigkeit und Bandbreite ist ein Netzwerkkabel nicht zu übertreffen. Je nach Distanz ist allerdings schon der Preis des Kabels ein Faktor, bei längeren Segmenten sogar ein heftiger Kostentreiber, und wo Tiefbauarbeiten fällig sind, lohnt sich die Verlegung kaum mehr.

Für WLAN-Lösungen in der Industrie gibt professionelle Access Points wie den WiFi pro 1750x mit PoE und sechs externen Antennen, der auch VLAN-Konfigurationen erlaubt. (Bild: devolo)

WLAN ist oft der zweite Favorit, aber die Installation ist unter Umständen eine knifflige Aufgabe, für die man einen Experten zurate zieht. Vor der Anbringung der Access Points führt er zuerst eine Site Survey durch, damit die Ausleuchtung auch alle benötigten Areale erfasst und sich die Funknetze nicht gegenseitig stören. Je nach Feuchtigkeits- oder Temperaturumfeld kann recht teure Hardware nötig werden. In jedem Fall braucht man ausreichend viele WiFi-APs – und muss diese dann wiederum mit Kabelstrecken anbinden. Datenfunk hat seine Vorteile, wenn es um mobile Clients geht und wenn die anzubindende Hardware schon von Haus aus WiFi-tauglich ist; das gilt besonders, wenn viele Clients auf kleiner Fläche eingebunden werden sollen. Das genuine WLAN-Einsatzfeld sind daher büroähnliche Umgebungen, in denen vollwertige Internet-Clients wie Laptops, Tablets, Peripheriegeräte oder Smart-Devices ein Netz bekommen sollen. Für die (nachträgliche) Vernetzung von Datenpunkten in einer digitalisierten Wertschöpfungskette ist WLAN nicht immer die beste Wahl. Sicherheitsanfälligkeit, Kosten und Energieverbrauch, kombiniert mit der begrenzten räumlichen Abdeckung, sind hier limitierend. Hinzu kommt, dass Funklösungen regelmäßig an Stahlbeton scheitern oder nicht gegen die Störstrahlung von Starkstromanlagen, offenen Leitungen, Transformatoren etc. durchkommen.

Die Powerline-Technologie mit dLAN geht durch die Wände, indem sie das Datennetz durch die vorhandene Stromverkabelung zieht. (Bild: devolo)

In solchen Fällen ist wiederum Powerline unschlagbar. Die PLC-Technologie jagt die Daten durch die ohnehin bestehende Elektroverkabelung und erreicht damit nominale Datenübertragungsraten bis zu 1200 MBit/s. Powerline-Strecken funktionieren in vielen Industrieumgebungen erfahrungsgemäß stabiler als Funklösungen. Sie erfordern keinen Verlegeaufwand und die Reichweite ist mit bis zu 600 m deutlich größer als ein WiFi-Radius. PLC-Verbindungen sind bei der Übertragung von Daten auf mittleren Distanzen, insbesondere bei der Überbrückung von Etagen oder Wänden, daher meist die klügere Lösung. Je nach den baulichen Gegebenheiten ist auch eine hybride Powerline-WLAN-Komponente eine Alternative, nämlich dort, wo die Access Points aufwendig verkabelt werden müssten. Dann übernimmt die Bestandsverkabelung den Datentransport ab Access Point.

Datenfunktechnologien wie ZigBee, Z-Zave, Enocean oder Bluetooth Low Energy etc. haben dagegen klare Vorteile, wenn niederbitratige Sensoren abgefragt werden, die eine interne Energieversorgung haben. Ein Tür-Fensterkontakt beispielsweise oder ein Feuermelder muss mit wenig Energie auskommen. Hier sind solche Sensornetztechnologien zum Aggregieren der Daten die einzige Alternative. In neueren Geräten, die meist einige wenige Daten über ihren Betrieb messen, sind solche Funker teilweise bereits vorhanden. Obwohl einige dieser Funktechnologien extrem gute Reichweiten haben – namentlich die Protokolle für Low Power Wide Area Networks (LPWANs) – und auch mit Wänden klarkommen, können auch hier Beton und Stahl die Reichweite massiv beinträchtigen. Zu kalkulieren ist außerdem, dass diese Technologien ein Gateway und ein Datenbackbone benötigen, das dann die Entfernung zum Cloud-Connector oder zum lokalen IP-Netzwerk bewältigt. Im freien Feld sind neben LPWANs auch Mobilfunkstandards wie 3G, LTE oder Edge eine gute Lösung zur Anbindung mobiler Clients, speziell für Fahrzeuge.

Szenarien aus der Gegenwart

Insgesamt zeichnet sich ab, dass erfolgreiche Connectivity-Szenarien in vielen Fällen eine konvergente Lösung finden müssen, die zwei und mehr Technologien im Internet der Dinge zusammenführt. Das liegt zum einen an der Verschiedenheit der Dinge selbst (batteriebetriebene Sensoren, schnelle Fahrzeuge, nagelneue Mobilgeräte, ältere Maschinen etc.), zum anderen an der Topografie der Feldebene. Ein denkmalgeschütztes Pumpspeicherkraftwerk muss ich anders vernetzen als einen Versorgerneubau und diesen anders als einen Weinberg, ein Parkhaus, eine ICE-Strecke usw. Und vor allem: Die Feldebene umfasst zum allergrößten Teil Bestandsanlagen, die nachträglich IoT-vernetzt werden. Gerade dann kann in vielen, gerade in komplizierten Fällen Powerline eine praktische Lösung sein.

Ein klassisches Beispiel sind Bahnhöfe. Hier begegnen Netzplaner regelmäßig zwei großen Schwierigkeiten: Zum einen gibt es meist eine starke Störstrahlung, durch Oberleitungen und durch die oft dicht gedrängten Funknetze der umliegenden Geschäfte und Cafés, zum anderen sind Verlegearbeiten an den Bahnsteigen schwer möglich, weil sie den gesamten Reiseverkehr unterbrechen würden – von den Baukosten ganz abgesehen. Der Bahnhof Dortmund hat sich darum für eine Powerline-Lösung entschieden, als er seine Infodisplays ansteuern wollte, zum Teil in beträchtlicher Entfernung vom Bahnhofsgebäude. Powerline kann neben Stromkabeln und Koax-Netzen nämlich auch Zweidrahtleitungen nutzen, die man häufig im Gebäude findet, weil sie in vielen Fällen redundant verlegt wurden – so auch in Dortmund. Mit Powerline-Adaptern konnte die ganze Installation im laufenden Betrieb erfolgen. Sie hat mittlerweile Modellcharakter.

Das weitläufige und schwierige Cemex-Gelände verlangte eine robuste und einfach handhabbare Lösung: dLAN durch Koaxialkabel. (Bild: devolo)

Auch der Objektschutz ergibt interessante Einsatzfälle, vor allem dort, wo das zu überwachende Gelände weitläufig ist. Bei den Cemex-Kieswerken in Bad Segeberg waren zum Beispiel rund 500 m zur IP-Kamera zu überwinden, und obendrein war der Datenendpunkt ein schwimmender Kiesbagger, der seine Position immer wieder ändert. WLAN und Ethernet schieden von Anfang an aus, ein Wide-Area-Sensornetz hätte zwar die Distanzen geschafft, aber nicht den für die Videoübertragung nötigen Datendurchsatz, Richtfunk hätte zwar den Bagger erreicht, aber nur solange dieser sich nicht bewegt. Die Powerline-Lösung in diesem Fall lief letztlich über wetterfeste und kostengünstige Koaxialkabel, die die Arbeiter vor Ort einfach nachziehen, wenn Bagger und Förderband ein Feld vorrücken; ein einziger Schaltschrank zur Signalverstärkung reicht für das gesamte Gelände.

Neue Pflichten, neue Geschäftsmodelle

Die in Kerpen verbaute Ethernet-to-Powerline-Bridge dLAN pro 1200 DINrail lässt sich einfach auf die Hutschiene montieren. (Bild: devolo)

Ein drittes Beispiel betrifft die Energiedatenerfassung gemäß Energiedienstleistungsgesetz, die auditkonform mindestens 90 % des Verbrauchs nachweisen muss: Der deutsch-niederländische Mittelständler ELEQ, der am Standort Kerpen vor allem Strom- und Spannungswandler für die Mess- und Schutztechnik entwickelt, ist einer der frühen Industrie-4.0-Anwender und war schon bestens vernetzt. Das Energiemanagementsystem aber konnte aufgrund der Positionierung der Controller die bestehende Netzinfrastruktur nicht nutzen. Ein zentrales Argument, den Verbrauch der Maschinen im 3000 m² großen Produktionsgebäude per Powerline-Kommunikation auszulesen, war hier die Datensicherheit. Der Kölner Spezialist ManageE hat dazu vor Ort einen selbst entwickelten Energiemanagement-Controller eingesetzt, das Energiedatennetz geht einfach über ein Stromschienensystem an der Decke – schließlich hat jede Maschine bereits einen Elektroanschluss. Die nächste vergleichbare Lösung hätte deutlich mehr als das Doppelte gekostet. Die Anlage läuft seit 2013 störungsfrei.

Jüngeren Datums ist der Anwendungsfall Predictive Maintenance. Im konkreten Fall ging es darum, die Daten von Klimaanlagen so auszulesen, dass eine Fernwartung möglich wird (die in den meisten Fällen ganz trivial ist und oft nur Herbstlaub im Luftschacht diagnostiziert). Auf Anhieb schien das kein Problem zu sein, denn die modernen Anlagen für Heizung und Kühlung protokollieren ihre Statusinformationen von Haus aus und haben sogar Webserver und Ethernet-Anschluss integriert. Das Problem war vielmehr der Standort: im Heizungskeller, also ohne Ethernet-Zugangspunkt, hinter tragenden Betonwänden. In solchen Bunkersituationen ist Powerline meist die einzig praktikable Lösung. Außerdem geschieht die Datenkommunikation dann durch einen IPsec-gesicherten VPN-Tunnel über die Stromleitung und lässt damit die IT Security beim Kunden vollkommen intakt.

Im Überblick zeigt sich, dass Powerline gerade bei schwierigen Streckenabschnitten eine praktische Lösung sein kann. Netzplaner und Dienstleister sind sich dessen zunehmend bewusst und kombinieren die verschiedenen Technologien je nach Szenario. Vor allem in der Logistik und Intralogistik mit ihren vielfältigen Übergabepunkten ist das bereits gängige Praxis. Dort reicht die Kette von passiven RFID-Tags über WLAN im Gabelstapler und Powerline-Access-Points bis hinein ins globale Cloud-Management.

Entwicklung für die Industrie 4.0

Digitale Transformation ist zu Unrecht eine ungeliebte Aufgabe. Im Gegenteil: Das nötige Werkzeug ist bereits vorhanden, bezahlbare Cloud-Services, Analytics-Anwendungen und IoT-Plattformen ebenso wie kluge Connectivity-Lösungen. Betriebswirtschaftlich gedacht ergeben sich daraus genau die serviceorientierten Geschäftsmodelle, denen die Zukunft gehört, für Produktionsbetriebe in der Fläche, auch für die Landwirtschaft, ebenso wie für Betreiber von Selbstbedienungs- und Kiosksystemen, für Automatenaufsteller und letztlich für alle Dienstleister mit verteilten Strukturen, die den Spagat zwischen Kostendruck und Kundennähe schaffen müssen.

Das dLAN Green PHY eval board II arbeitet mit einem FreeRTOS-programmierbaren LPC1758-Prozessor. (Bild: devolo)

Zentrale Voraussetzung des Erfolgs ist jedoch, dass es gelingt, die Einsatzpunkte vor Ort ans IP-Netz anzubinden. Connectivity selbst unter erschwerten Bedingungen ist nachweislich kein Hindernis: Jedes Ding auf Feldebene kann eine taugliche Datenanbindung bekommen, egal wie alt, egal wie versteckt, egal wie weit entfernt. Mit Werkzeugen wie dem dLAN Green PHY eval board II können Entwickler sogar relativ unkompliziert ihre spezifischen Geräte, Maschinen und Anlagen Industrie-4.0-tauglich machen und eigene Sensoren und Bedienelemente einbinden. Das Board ist gewissermaßen ein Development Kit mit offenen Schnittstellen für Messfühler und Aktoren, das Signale entgegennimmt bzw. gibt und direkt per Powerline weitergeben kann. Über 180 Sensoren bzw. Bedienelemente sind bereits verfügbar, im Übrigen ist der Prozessor frei programmierbar. Derzeit arbeiten vor allem Technische Universitäten damit, aber auch diverse Automotive-Forschungsabteilungen. Dabei können sie einen großen Vorteil dieser Plattform gar nicht voll ausschöpfen: dass sich die neuen Anwendungen ohne Unterbrechungen unter Realbedingungen im laufenden Unternehmensbetrieb entwickeln und testen lassen.

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