Einfachere IIoT-Installationen in der Smart Factory

Das Internet der Dinge (IoT) hat den Anwendern zahlreiche Vorteile gebracht, unter anderem die bequeme Fernsteuerung vernetzter Haushaltsgeräte, eine verbesserte Gesundheitsversorgung durch Fernüberwachung sowie eine erhöhte Sicherheit und verlässlichere Gefahrenabwehr. Es wurde rasch erkannt, dass die Technologien, die den IoT-Geräten zugrunde liegen, auch dem Industriesektor zugutekommen könnten.

Dies führte zur Verbreitung von Edge-Geräten (Sensoren und Aktoren) für das industrielle Internet der Dinge (IIoT), die unterschiedliche drahtlose Kommunikationsprotokolle verwenden. Theoretisch ist diese Flexibilität eine begrüßenswerte Entwicklung, doch in der Praxis bereitet sie den Planern intelligenter Fabriken einiges Kopfzerbrechen.

Drahtlose Protokolle im IIoT

Da aber keine einzelne Technologie sämtlichen Anwendungsanforderungen in Bezug auf Geschwindigkeit, Reichweite und Zuverlässigkeit gerecht wird, wurde eine Vielzahl von drahtlosen Kommunikationsprotokollen entwickelt. Industrielle Anwendungen sind gut dafür vorbereitet, vom IIoT zu profitieren, weil sie relativ unkompliziert sind. Manche Sensoren übertragen ihre Messwerte beispielsweise nur in bestimmten Abständen, was bedeutet, dass sie eine geringe Bandbreite und einen geringen Stromverbrauch benötigen.

Darüber hinaus sind nach wie vor in Fabrikhallen häufig einfache und leicht austauschbare binäre Ein-/Ausgabe-(E/A-)Drucktastenschalter zu finden. Zu den weit verbreiteten drahtlosen Protokollen im IIoT zählt Wi-Fi (802.11). Es ist stark verbreitet, da es hohe Datenübertragungsraten ermöglicht, gut etabliert und daher weithin verfügbar und mit den unterschiedlichsten Gerätetypen kompatibel ist. Es eignet sich für Anwendungen, bei denen der Stromverbrauch keine große Rolle spielt und eine zuverlässige Verbindung mit hoher Bandbreite erforderlich ist.

Bluetooth Low Energy (BLE) kann für die Nahbereichs-Kommunikation zwischen Geräten in IIoT-Anwendungen verwendet werden. Es eignet sich ideal für die Verlängerung der Batterielebensdauer von batteriebetriebenen Fernsensoren, die nur zeitweise Messungen übertragen müssen.

Ein weiteres drahtloses Protokoll ist Zigbee (IEEE 802.15.4), ein stromsparendes drahtloses Kommunikationsprotokoll, das speziell für Anwendungen mit niedriger Datenrate von 1 MBit/s und geringem Stromverbrauch über kurze Entfernungen zwischen10 und 100 m entwickelt wurde. Es wird in drahtlosen Sensornetzwerken der Industrieautomation und zur Robotersteuerung in der Robotik eingesetzt.

Z-Wave ist ein drahtloses Protokoll mit geringem Stromverbrauch für Anwendungen in der Haus- und Industrieautomation. Es ist zuverlässig und ermöglicht eine Kommunikation mit großer Reichweite bis zu 100 m. Zu den IIoT-Anwendungen für Z-Wave gehören intelligente Beleuchtung, automatische Toröffnung, Zugangskontrollen im Freien (intelligente Schlösser) und andere Sicherheitsanwendungen.

Bei LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) handelt es sich um ein drahtloses Protokoll mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch, das Geräte über große Entfernungen miteinander verbindet. Es eignet sich für IIoT-Anwendungen, die niedrige Datenraten, aber eine große geografische Abeckung erfordern, wie z. B. in der Umweltüberwachung. Dank seiner hohen Empfindlichkeit können Geräte auch bei einem schwachen LoRaWAN-Signal funktionieren.

Eine zellulare Technologie, die für IoT-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite entwickelt wurde ist NB-IoT (Narrowband-Internet of Things). Sie bietet eine bessere Abdeckung als herkömmliche Mobilfunknetze und eignet sich besonders für Anwendungen, die tief in Innenräume eindringen.

Zuletzt ist noch Sigfox zu nennen, eine LPWAN-Technologie (Low-Power Wide Area Network), die eine Kommunikation mit einer großen Reichweite von ca. 1 bis 3 km und niedrigen Datenraten ermöglicht. Sie ist eine kostengünstige Alternative zu anderen drahtlosen Kommunikationsprotokollen. Zu den IIoT-Anwendungen für Sigfox gehören das Asset Management sowie Smart Metering.

Planung von drahtlosen IIoT-Netzen

Bereits lange bevor die möglichen Nutzeffekte der drahtlosen Kommunikation für die Industrie erkannt wurden, war der Sektor bereits von einer Fülle proprietärer drahtgebundener Netzwerkprotokolle überschwemmt. Auf verschiedene inkompatible Feldbusnetzwerke wie Modbus und Profibus folgten mehrere industrielle Ethernet-Netzwerke wie Profinet, Ethernet/IP und EtherCAT. Diese stellten die Fabrikplaner vor die Wahl, je nach Verfügbarkeit von Sensoren und Aktoren, die sie unterstützen sollten. Dadurch, dass dieses Szenario zudem durch eine Reihe von drahtlosen Protokollen erweitert wurde, entstand eine zusätzliche, unnötige Ebene der Komplexität. Es ist zwar klar, dass drahtlose Sensoren und Aktoren einfacher zu installieren sind als verdrahtete Komponenten in bereits bestehenden Anlagen da sie keine zusätzliche Kommunikationsverkabelung für den Anschluss an eine Prozesssteuerung benötigen. Allerdings müssen sich die Planer die erforderliche Zeit nehmen, um ihre Funktionsweise auf physikalischer und höherer Ebene zu verstehen und die verschiedenen Gateways zu identifizieren, die erforderlich sind, damit drahtlose Geräte mit der vorhandenen drahtgebundenen Infrastruktur verbunden werden können – eine zeitaufwändige Aufgabe, für die spezielle Softwarekenntnisse nötig sind, über die viele Planer von intelligenten Fabriken nicht verfügen. Abgesehen von den einzelnen Gateways erfordert zudem jede drahtlose Technologie eine neue Anwendungsschicht, was zu einem zusammenhanglosen Ökosystem führt.

Multiprotokoll-IIoT-Integration

Der Unified-IoT-Controller (UIC) Unify-SDK kann diese Probleme lösen, indem er die Entwicklung eines einzigen flexiblen Multiprotokoll-Gateways/Controllers für IIoT-Geräte mit verschiedenen drahtlosen Technologien ermöglicht. Mit MQTT als Kernprotokoll lässt sich Unify einfach in praktisch jedes Cloud-Backend integrieren, so dass kaum spezifische Cloud-Konnektoren erforderlich sind. Dieses Software-Framework vereinfacht die Arbeit des Entwicklers, weil es die komplexen Elemente der Netzwerksteuerung und des Netzwerkmanagements im Zusammenhang mit der Entwicklung von Gateways in IIoT-Anwendungen überflüssig macht. Es handelt sich um eine offene, modulare und portable Architektur, die auf der allgegenwärtigen, schlanken MQTT-Technologie basiert.

Mit dieser gemeinsamen Schnittstelle werden komplexe Verhaltensdetails für drahtlose Protokolle wie beispielsweise Z-Wave, Zigbee und BLE in eine gemeinsame API (Anwenderprogrammschnittstelle) abstrahiert. Die Platzierung dieser Abstraktionsschicht sowohl auf der Cloud-/Industrienetzwerk- als auch auf der Funkseite ermöglicht ein einziges zukunftssicheres Gateway, das Anwender problemlos durch neue Protokolle oder Anwendungsschichten erweitern können. Wird ein neues Protokoll unterstütz, ist ein drahtloser Stack erforderlich, der auf derselben MQTT-basierten Hochsprache basiert, ohne dass Verbindungen und bestehende Dienste überarbeitet werden müssen. Dieses zentralisierte, einheitliche MQTT-Framework entkoppelt die High-Level-API, die die IIoT-Knoten überwacht und verwaltet, von ihren perspektivischen Protokollen und PHYs. So können Anwender einen Cloud-Dienst entwickeln, um beispielsweise Sensoren zu steuern, ohne den Unterschied zwischen Zigbee oder Z-Wave oder die Details der Funktionsweise dieser Protokolle oder des drahtlosen Funksenders verstehen zu müssen. Ein Controller, der eine einheitliche Sprache spricht, erleichtert die Wiederverwendung dieses High-Level-Codes. Wenn also ein bestimmtes Protokoll derzeit unterstützt wird, ist lediglich ein neuer Controller erforderlich, um Geräten hinzuzufügen, die mit einem anderen Protokoll arbeiten. Eine stabile API bedeutet, dass das neue Protokoll auf die gleiche Weise funktioniert wie das bestehende. Ebenso macht keinen Unterschied für die API, ob andere Geräte eingefügt werden, die ein anderes PHY verwenden, die nur sieht, dass neue Knoten im Netzwerk auftauchen, ohne Rücksicht auf ihre physikalische Schicht und Protokolle auf höherer Ebene. Unify-SDK vereinfacht die Entwicklung und Softwarewartung für IIoT-Gateways und auf Anwendungsprozessoren basierende Endgeräte. Diese Plattform beinhaltet Softwarequellen, Binärpakete und eine Sammlung von Referenzdesigns für Raspberry Pi 4, um die einfache Entwicklung eines IIoT-Gateways auf Basis der Unify-Architektur zu ermöglichen. Das SDK unterstützt aktuell BLE, Zigbee und Z-Wave und stellt darüber hinaus Bridge-Funktionen für Protokolle bereit, die nicht nativ von Matter unterstützt werden. Silicon Labs arbeitet derzeit an der Unterstützung weiterer Protokolle, doch in der Zwischenzeit können Entwickler MQTT-basierte Stacks für benutzerdefinierte drahtlose Anwendungen integrieren, darunter auch die bereits erwähnten.

Fazit

Das IIoT ist einer der wichtigsten Wegbereiter für intelligente Fabriken. Die Notwendigkeit, mehrere Gateways für Sensoren und Aktoren mit unterschiedlichen Protokollen hinzuzufügen, bereitet Fabrikplanern jedoch Kopfzerbrechen. Diese haben bereits mit der Unterstützung kabelgebundener Installationen zu kämpfen. Das Unify SDK stellt einen Lösungsansatz dar, um diese durch ein einziges Gateway zu ersetzen, das mehrere Protokolle unterstützt und es ermöglicht, Geräte nahtlos in industrielle Netzwerke zu integrieren, unabhängig von ihrem drahtlosen Protokoll oder ihrer physikalischen Verbindung.