Transformation des Betriebs mit Datenkommunikation | Panda Anku







Industrielles IIoT: Transformation des Betriebs mit Datenkommunikation

Die Intelligenz einer Fabrik liegt in ihrer Fähigkeit, optimale und zeitnahe Entscheidungen zu treffen.

Das Internet der Dinge (IoT) ist ein neueres Konzept, das aus der Weiterentwicklung und Verbreitung von Internetdiensten entstand. Der Begriff IoT wurde erstmals 1999 von Kevin Ashton verwendet, um die Radio Frequency Identification (RFID)-Technologie zu fördern. Dies bedeutet, dass intelligente Geräte mit einigen Rechenkapazitäten mit dem Internet verbunden sind und den Datenaustausch in Formaten unterstützen, die für weitere Analysen verwendet werden können. Zu den alltäglichen Verbraucherbeispielen für IoT-Geräte gehören Alexa Smart Speakers, Connected Cars und Smart Wearables.

Wenn die Anwendung des IoT auf industrielle Anwendungsfälle erweitert wird, spricht man von IIoT. Es wird manchmal auch als „industrielles Internet“ oder „Industrie 4.0“ bezeichnet. IIoT entstand aus dem kommerziellen Konzept des Internets der Dinge und der Weiterentwicklung und Durchdringung von Internetdiensten in industriellen Umgebungen. Der Begriff „industrielles Internet“ wurde Berichten zufolge von GE für die Konvergenz von kritischen Vermögenswerten, fortschrittlicher prädiktiver und präskriptiver Analytik und modernen Industriearbeitern geprägt.

IIoT ist ein Netzwerk aus intelligenten Sensoren, Aktoren und Systemen, die Kommunikationstechnologien verwenden, die bei der Echtzeitanalyse und -kommunikation von Daten helfen, die von den Geräten in den Fabriken oder im Außendienst erzeugt werden. Die Fähigkeit, Echtzeitdaten zu sammeln, ermöglicht die Überwachung, den Austausch und die Analyse der Daten für aussagekräftige Erkenntnisse. Diese Erkenntnisse sind Vorboten einer intelligenteren und schnelleren Entscheidungsfindung für Fertigungsunternehmen.

Im Allgemeinen besteht ein IIoT-Ökosystem aus Folgendem (Abbildung 1):


  • vernetzte intelligente Geräte, die über ein Netzwerk zusammenkommen und kommunizieren
  • eine öffentliche oder private Kommunikationsinfrastruktur
  • Prozesse, die die von intelligenten Geräten gesammelten Daten analysieren und Informationen zur geschäftlichen Nutzung erzeugen
  • Datenspeicherung, die Daten an einem zentralen Ort enthält
  • Menschen, die die Informationen nutzen, um fundierte Entscheidungen zu treffen.



Abbildung 1: Industrielles Internet der Dinge


IIoT ermöglicht die echte Konvergenz von Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (OT). Die Smart Edge Devices im Feld oder in Fabriken kommunizieren die erfassten Daten intelligent über die Kommunikationsinfrastruktur. Die Daten werden verwendet, um verwertbare Informationen und Trendanalysen für Maschinen zu liefern. Die analysierten Informationen unterstützen eine fundierte Entscheidungsfindung für vorausschauende Wartung, Sicherheit und Geschäftsoptimierung.

Ein IIoT-System mit IT-OT-Konvergenz kann als geschichtete modulare Architektur digitaler Technologie angesehen werden (Figur 2). Es kann in vier Technologieschichten unterteilt werden:


Abbildung 2: Eine mehrschichtige modulare Architektur digitaler Technologie.


  • Inhaltsebene: Personenschnittstellengeräte wie Computerbildschirme, Tablets, intelligente Brillen und intelligente Oberflächen
  • Serviceebene: Anwendungen und Software zur Analyse von Daten und deren Umwandlung in verwertbare, aufschlussreiche Informationen
  • Netzwerkschicht: Kommunikationsinfrastruktur wie Wi-Fi, Bluetooth, LoRa, 4G/5G-Mobilfunk und andere Methoden, die die Daten senden und empfangen
  • Geräteschicht: Smart-Edge-Geräte, cyber-physische Systeme, Sensoren, Aktoren und Maschinen.


Trends und Standards


Die wachsende Akzeptanz und Vielzahl von Akteuren im IIoT-Bereich hat die Entwicklung von Standards erforderlich gemacht. Im Jahr 2020 haben die International Organization for Standardization (ISO) und die International Electrotechnical Commission (IEC) gemeinsam drei IoT-Standards veröffentlicht:


  • ISO/IEC 21823-2 legt einen Rahmen für Transportinteroperabilität fest, um den Informationsaustausch innerhalb und zwischen IoT-Systemen zu ermöglichen.
  • ISO/IEC TR 30164 beschreibt die Konzepte, Eigenschaften und Technologien des Edge-Computing für IoT-Systemanwendungen.
  • ISO/IEC TR 30166 gilt für IIoT-Systeme und -Landschaften.


Darüber hinaus hat das Industrial IoT Consortium mehrere Architekturbände und Spezifikationen für das IIoT entwickelt. Sechzehn Konsortien und Verbände sowie 17 Organisationen zur Entwicklung von Standards tragen dazu bei, die IIoT-Umgebung zu definieren und zu standardisieren.

Es gibt auch eine Fülle von Frameworks für Kommunikationsstandards. Dazu gehören: MQTT, ein bidirektionales TCP/IP-basiertes Publish-Subscribe-Kommunikationsprotokoll; REST, ein skalierbares Hypertext-Übertragungsprotokoll, das für die Edge-to-Cloud-Kommunikation verwendet wird; NodeRED, eine von IBM entwickelte Open-Source-Plattform zur Verbindung von APIs, Hardware und Onlinediensten; OPC, eine Reihe von Standards, die von der OPC Foundation für die industrielle Kommunikation entwickelt wurden, um Steuerungen mit Computern und der Cloud zu verbinden; Chatty Things, ein offenes Framework, das von der XMPP Standards Foundation für eine skalierbare IIoT-Infrastruktur entwickelt wird; Cognitive IoT, ein von IBM entwickeltes Framework, das IoT mit Maschinenintelligenz, Kontextinformationen und Lernen mithilfe der Verarbeitung natürlicher Sprache kombiniert; und Mindsphere, eine Cloud-basierte Plattform, die von Siemens entwickelt wurde, um IoT-Edge-Geräte, -Anwendungen und -Dienste an einem Ort zu integrieren.

Diese Standards und Frameworks prägen die IIoT-Landschaft, ebenso wie Industrie 4.0-Referenzarchitekturen, die weltweit entwickelt werden. Industrial Internet Reference Architecture (IIRA), die deutsche Industrie 4.0 und das RAMI-Modell sind allesamt unabhängige Bemühungen, einen definierten Standard für IIoT-fähige Einrichtungen zu schaffen.


Warum IIoT jetzt wichtig ist


Das IIoT hat den Industriesektor erheblich beeinflusst und der digitalen Fertigung viele Vorteile gebracht. Die Weiterentwicklung der IoT-Technologien und die Verfügbarkeit des Internets haben dazu beigetragen, dass andere fortschrittliche Technologien wie Cloud Computing, Big Data Analytics und künstliche Intelligenz/maschinelles Lernen in die Branche eingedrungen sind. Dies hat umfassend zu einer robusten Infrastruktur für cyber-physische Systeme beigetragen. Die traditionellen industriellen Systeme wie Überwachungssteuerung und Datenerfassung sowie verteilte Steuerungssysteme haben sich mit dem Aufkommen des IIoT in Bezug auf Überwachung, Leistung, Produktivität und, was noch wichtiger ist, in Effizienz verbessert und zur Rentabilität von Unternehmen beigetragen.

Die Konvergenz der physischen Geräte über Netzwerkinfrastrukturen mit Smart-Edge-Geräten, die Echtzeitanalyse von Daten aus dem Produktionsprozess, die Sichtbarkeit von Prozessparametern, die Steuerung von Prozessen und der Datenaustausch haben sich alle erheblich verbessert. Insgesamt hat das IIoT eine datengesteuerte Entscheidungsfindung ermöglicht und die Genauigkeit und Vorhersagbarkeit dieser Entscheidungen in industriellen Umgebungen positiv beeinflusst.


Trends und Vorteile, die durch IIoT ermöglicht werden


Die durch das IIoT ermöglichte Digitalisierung hat in den letzten zehn Jahren rasant zugenommen. Laut einer Umfrage von statista im Jahr 2020 betrug der weltweite Markt für IIoT mehr als 263 Milliarden US-Dollar. Der Markt soll bis 2028 auf etwa 1,11 Billionen USD anwachsen.

Während der COVID-Pandemie hat die Einführung von IIoT-fähigen Technologien erheblich zugenommen. Die Anforderungen an die Fernarbeit waren ein treibender Faktor für diese Einführung. Der Schwerpunkt der IIoT-Implementierung lag in den letzten Jahren auf Workforce-Management-Initiativen, Automatisierung und Verbesserungen des Kundenerlebnisses.

Die fortschrittlichen Anwendungen, die durch die Verbreitung der IIoT-Technologie entstehen, sind der bedeutendste Trend im Zusammenhang mit dem IIoT. Diese Liste wurde von ATS zusammengestellt:


  • Fernüberwachung und -betrieb: Der Vorteil der sensorbasierten Datenanalyse besteht darin, auf Daten und Geräte bei Bedarf zuzugreifen.
  • Fortschritte bei Edge-Sensoren: Die Edge-Fähigkeit und Durchdringung der 4G/5G-Kommunikation haben eine schnellere Kommunikation und robuste Sensoren ermöglicht.
  • Vorausschauende Analyse: Die datengesteuerte Trendanalyse hat die pünktliche Wartung verbessert, Ausfallzeiten reduziert und die Produktion gesteigert.
  • Digitale Zwillinge: Intelligente Sensordaten fließen in digitale Zwillingsmodelle ein und machen die Fernüberwachung und -verwaltung zuverlässiger und effizienter.
  • Gesundheit und Sicherheit: IIoT-gesteuerte Technologien haben zu Gesundheit und Sicherheit beigetragen, insbesondere während der Pandemiezeit 2020–21. Mitarbeiterstandorte in der Einrichtung, Verfolgung enger Kontakte und Temperaturaufzeichnungen trugen alle zu einer sicheren und gesunden Arbeitsumgebung bei.
  • Agile und flexible Infrastrukturen: IIoT-Fortschritte bieten beispiellose Flexibilität in Bereichen wie der Lieferkette, sodass Hersteller bei der Lieferantenauswahl, der Bestell- und Beschaffungsstrategie und der Bestandsverwaltung agil sein können.
  • Intelligente Fabrik: Die zunehmende Durchdringung und Nutzung der drahtlosen 5G-Kommunikation in Fabriken führt die digitale Fertigung in neue Richtungen. Smart Factories sind im Jahr 2022 Realität.
  • Datenanalyse an der Quelle: Die Fülle an Daten, die von den Smart-Edge-Geräten generiert werden, macht es wichtig, die Daten zeitnah an der Quelle zu analysieren. Fabriken ändern ihre technische Architektur und bringen Datenanalyse und künstliche Intelligenz (KI)-Technologie an den Rand, um das IIoT-Ökosystem voll auszuschöpfen.


Die Integration von IT und OT, erhöhte Geschwindigkeiten von Internet- und Kommunikationstechnologien sowie schnelle Datenanalyse haben die Umwandlung digitaler Fabriken in intelligente Fabriken unterstützt. IIoT-Plattformen integrieren IT-Funktionen mit OT-Funktionen und transformieren den Fabrikbetrieb. Die alten Maschinen und Sensoren werden in die IT-Systeme integriert und Edge-Intelligenz wurde eingeführt. In letzter Zeit hat die 5G-Durchdringung diese Transformation beschleunigt, indem die Verkabelung eliminiert und eine äußerst zuverlässige, unternehmenskritische drahtlose Kommunikation ermöglicht wurde.

Die Intelligenz einer Fabrik liegt in ihrer Fähigkeit, optimale und zeitnahe Entscheidungen zu treffen. Menschen können an solchen Entscheidungen beteiligt sein oder auch nicht. IIoT ermöglicht hochentwickelte Technologien. Beispielsweise setzen Unternehmen Robotik und unbemannte autonome Fahrzeuge auf tieferen Ebenen ein, um die menschliche Arbeitsbelastung zu erhöhen oder zu ersetzen. Maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz werden verwendet, um von Sensoren und Überwachungsgeräten gesammelte Daten zu analysieren, um Echtzeitentscheidungen zu treffen und die Effizienz der Produktion zu verbessern.

Die enormen betrieblichen Vorteile intelligenter Fabriken beginnen sich zu realisieren, da das Tempo der KI-gesteuerten Prozessintelligenz, des Blockchain-fähigen Lieferkettenmanagements und der Krypto-fähigen Edge-Sicherheit zunimmt. In den nächsten Jahren werden wir die wahre Transformation von Fabriken erleben, da Technologien wie digitale Zwillinge, die industrielle Metaverse, Token-basierte Ökonomien und algorithmisches Vertrauen durch leichtgewichtiges Edge-Computing ermöglicht werden. IIoT ermöglicht all das und mehr.

Dieses Feature erschien ursprünglich in der August-Ausgabe des Magazins InTech, einer Sonderausgabe der Smart Manufacturing and IIoT Division von ISA.



Über den Autor


Shiv Kataria leitet das IIoT-Komitee innerhalb der SMIIoT-Abteilung von ISA. Einer der Schwerpunkte dieses Komitees ist es, Best Practices und Frameworks zu dokumentieren und das Wissen in der gesamten Automatisierungs-Community zu teilen. Die vom Komitee geteilten Anwendungsfälle stammen von Fachleuten, die in IIoT-Bereichen arbeiten und das IIoT für die Digitalisierung von Fabriken implementiert haben. Kataria ist Forschungsexpertin bei Siemens Cybersecurity and Trust Research India. Er hat einen Abschluss in Elektronik und Kommunikation und verfügt über Zertifizierungen wie CISSP, ISA/IEC 62443 Cybersecurity Expert, CEH und ISMS 27001.



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