Industrielles Internet der Dinge Produktionszuwächse generieren

Das Herz der industriellen Automatisierung ist die Steuerung, besonders wenn sie programmierbar oder adaptiv ist. Feedback ist dabei ein wesentlicher Bestandteil. Jeder Ingenieur wird bestätigen können, dass Rückkopplungs-Schleifen für eine Steuerung unentbehrlich sind. Daher wird die Steuerung vieler Applikationen unterstützt durch quantitatives Messen einer Regelkreisausgabe als Ergebnis eines veränderten Inputs.

Ein wichtiger Bestandteil von Feedback und Steuerung in elektromechanischen Anwendungen sind Sensoren. Die Analyse der von ihnen generierten Daten treibt die Entwicklung der industriellen Automatisierung voran. Vorteile der Datenanalyse sind im Finanzsektor schon lange bekannt. Jetzt führt der Umstand, dass industrielle Datenauswertung in allen Bereichen zu Produktivitätszuwächsen führen kann, zur treibenden Kraft hinter der Entwicklung des Industrial Internet of Things (IIoT).

Aufbau eines Ökosystems

Als Teil des viel größeren Internet of Things – auch bekannt als das Internet of Everything - birgt das IIoT ein gewaltiges Potenzial: Es ist ein Markt, dessen Wert in ein paar Jahrzehnten voraussichtlich im Bereich von Billionen liegen wird. Solange es sich weiterentwickelt, lässt seine Umsetzung Raum für Interpretation; Unternehmen jeglicher Größe können Teil dieser Entwicklung sein. Alles, was Produktivität mit Hilfe des IIoT erhöht, wird vor allem für scharf kalkulierende Unternehmen von großem Interesse sein.

Eine IIoT-Strategie voll auszuschöpfen, erfordert tatsächlich mehr als nur einen Sensor, der den Lagerverschleiß oder den Durchfluss einer Flüssigkeit misst. Es bedarf eines ganzen Ökosystems an Hardware, Software und Services. Zusammen bilden sie einen geschlossenen Kreislauf und geben wichtige Einblicke in Prozesse. In diesem neuen Umfeld werden kleine, agile Unternehmen mit größeren zusammenarbeiten und Kooperationen entwickeln. Dank dem IIoT wird diese Zusammenarbeit alltäglich.

Ein Gerüst für das IIoT setzt sich aus vielen Elementen zusammen: von der Datenerfassung, -sicherung und -übertragung auf einen Server, über das Erarbeiten und Auswerten von Ergebnissen, bis dahin, diese auch umzusetzen. Unternehmen, die am stärksten vom IIoT profitieren, sind nicht zwangsläufig für die Umsetzung eines solchen Frameworks geeignet. Stattdessen werden Provider ihren Kunden den Nutzen des IIoT nahe bringen müssen. Das macht sich bereits daran bemerkbar, dass sich Unternehmen neu positionieren und Teile oder auch die gesamte Infrastruktur eines IIoT anbieten. Electric Imp beispielsweise bietet jetzt eine Connectivity Platform an, die Hardware, Software einschließlich eines Betriebssystems, Cloud-basierte Dienste und Management-Tools umfasst. Einige Kunden aus unterschiedlichen Branchen nutzen diese Plattform bereits, um Echtzeitdaten zu sammeln, beispielsweise bei industriellen Kühlanlagen, HVAC-Systemen und Produktionsanlagen.

Drahtlosverbindungen liefern Feedback

Mit Sensoren lassen sich zwar fast alle physikalischen Parameter messen, allerdings ist es die Netzwerkfähigkeit, die ein IIoT-Framework mit Feedback versorgt. Die oft großen, in anspruchsvollen Umgebungen angebrachten oder sich ständig in Bewegung befindlichen Industrieanlagen zu vernetzen, ist keine leichte Aufgabe. Verkabelte Konzepte, wie zum Beispiel CAN, Industrial Ethernet oder RS232/422, gibt es zwar viele. Sie haben aber alle den gleichen Nachteil: Sie erfordern eine physische Verbindung.

Immer mehr Applikationen profitieren von Funkverbindungen - allein die Flexibilität, die durch den Verzicht auf Kabel entsteht, ist ein großer Vorzug. Die meisten Drahtlosprotokolle wurden konzipiert um Sicherheit und Stabilität zu bieten und funktionieren fast überall. Wegen der erheblichen Nachfrage im Consumerbereich ist die Hardware für Funkverbindungen inzwischen fast unverschämt günstig. Dadurch sind Hersteller von Modulen in der Lage, mit den Kosten drahtgebundener Netzwerke mitzuhalten, dabei jedoch die inhärenten Vorteile drahtloser Verbindungen auszuspielen.

Neben seiner Plattform bietet Electric Imp auch Komponenten für eine IIoT-Lösung, einschließlich WLAN-Module, die IoT-Knotenpunkte mit seinem Cloud-Service verbinden. Das Smart-Modul LBWA1ZV1CD-716 wird von Murata Electronics hergestellt und vereint ein WLAN-Modul von Broadcom mit einem leistungsstarken, auf ARM-Cortex-M4-basierenden Mikrocontroller von STMicroelectronics. Die Größe des Moduls beträgt 10 mm x 7,9 mm x 1,25 mm. Es besitzt 23 Ein- und Ausgänge, die als analoge I/Os, SPI, UART, I2C oder universelle Digital-I/O konfiguriert werden können. Aufgrund der Flexibilität seiner Ein- und Ausgänge sowie seiner Fähigkeit, Anwendungen auszuführen und sich direkt mit allen I2C-fähigen Sensoren zu verbinden, lässt sich das Modul mit nur minimalem Konfigurationsaufwand in ein IIoT implementieren.

Electric Imp bietet außerdem einen integrierten Zugang zu den Cloud-Services an. Manche Anwendungen erfordern jedoch einen offeneren Ansatz, da sie auch auf andere Netzwerke oder Serviceprovider zugreifen müssen. In diesem Fall kann mehr Middleware für die Verbindung mit dem Backend erforderlich sein. Modulentwickler verstehen das glücklicherweise und bieten jetzt Module mit Software Development Kits (SDKs), wie den Wizard Gecko WGM110A1MV1 von Silicon Labs.

Basierend auf einem ARM Cortex-M3-Mikrocontroller und einem WLAN-Chipsatz, ist das Modul imstande, IoT-Applikationen selbständig durchzuführen. Bei komplexeren Anwendungen kann es auch neben einem üblicherweise leistungsfähigeren Host-Prozessor laufen, der per UART, SPI oder USB verbunden ist. In diesem Modus wird das Modul über den Host mit dem API von Silicon Lab gesteuert, das in C geschrieben ist und auf dem Host-Prozessor neben der IoT-Applikation läuft.

Von WLAN zu PAN

WLAN ist zwar eine Alternative zu Ethernet- oder LAN-Verbindungen, inzwischen findet die Technologie hinter Personal Area Networks (oder PAN) ebenso ihren Weg in die Industrie. Bluetooth und jetzt Bluetooth 4.0, auch Bluetooth Smart oder Bluetooth Low Energy beziehungsweise BLE genannt, ist eine Standardlösung die Peer-to-Peer-Verbindungen oder Ad-Hoc-Netzwerke über kürzere Distanzen herstellt. Das gilt insbesondere für Applikationen, die beispielsweise regelmäßig Daten über ein Handterminal erfassen. Das ENW-89847A1KF PAN1760 von Panasonic ist ein BLE-Smart-Modul, das auf dem TC35667 von Toshiba aufbaut. Mit Abmessungen von 15,6 mm x 8,7 mm x 1,8 mm bietet es eine vorzertifizierte Lösung, die neuen oder bestehenden Industrieapplikationen Bluetoothfähigkeit hinzufügt.

Wird einer Anlage nachträglich Drahtloskonnektivität hinzugefügt, was wahrscheinlich bei vielen industriellen Anwendungen der Fall sein wird, kann es von Vorteil sein, ein spezialisiertes Modul zu nutzen, das mit einfachen Befehlen über vorhandene Mikrocontroller und Prozessoren gesteuert wird. In diesem Fall ist die Portierung oder Neuentwicklung der gesamten Applikation nicht zwingend notwendig. Es ist sogar möglich, einen vorhandenen, drahtgebundenen Anschluss ohne großen Entwicklungsaufwand durch ein Drahtlosmodul zu ersetzen. Eine Lösung für diesen Fall bietet das Bluetooth-Modul RN4020-V/RM120 von Microchip Technologies. Das Modul unterstützt eine Reihe von Bluetooth-Services und wird mit ASCII-Befehlen über den Host-Prozessor gesteuert.

Sub-GHz

Durch den Betrieb im 2,4-GHz-Frequenzbereich des lizenzfreien ISM-Bands (Industrial, Scientific and Medical) bieten WLAN- und Bluetooth-Module einen einfachen Zugang zu Drahtlosverbindungen. Industrieanlagen können so mit WLAN-Fähigkeit ausgerüstet werden – von Anfang an oder später als Add-on. Wenn allerdings die benötigte Reichweite über der von PAN oder WLAN liegt, die Bandbreite jedoch relativ klein ist, etwa nur ein paar Hundert Bytes, bieten sich Funklösungen im Sub-1-GHz-Band an.

Das Modul ERIC9-FCC ist Teil der „Easy Radio Intelligent Controller“-Produkten (eRIC) von LPRS. Für britische und europäische Applikationen wird es im 868-MHz-Bereich betrieben, in den USA und Kanada mit 915 MHz. Es ist für die Anforderungen von ETSI (in Europa) und FCC (USA) vorzertifiziert. Statt das IEEE-Protokoll zu nutzen, hat LPRS sein eigenes EasyRadio-Protokoll entwickelt, das im Modul integriert ist. Das Modul verfügt außerdem über ein EasyRadio-Betriebssystem, das den Aufbau einer Drahtlosverbindung vereinfachen soll und den Zugriff mittels vordefinierter Funktionen erlaubt. Das oberflächenmontierbare Bauteil ist 15 mm x 20 mm x 2,2 mm groß und mit einer 128-Bit-AES-Verschlüsselung sowie einem Temperatursensor ausgestattet.

Wichtige erste Schritte

Das Industrial Internet of Things mag nur ein Teil des viel größeren Internet of Everything sein, doch ist es ein sehr bedeutender Teil. Analysen lassen darauf schließen, dass das IIoT in Zukunft mehr als die Hälfte des gesamten IoT ausmachen wird. Allein wegen seiner potentiellen Produktivitätsvorteile dürfte die Einführung des IIoT nur eine Frage der Zeit sein. Außerdem könnten die vielen, dann vorliegenden Leistungsdaten die Rentabilität kommender industrieller Applikationen exponentiell steigern.

Die Vernetzung vorhandener Geräte mit Cloud-Services und WLAN-Fähigkeit in Form vorzertifizierter Module zeichnen sich als wichtige erste Schritte ab. Mit der Menge an vorhandenen Modulen – und es werden mit Sicherheit mehr kommen – können bestehende und zukünftige Industrieanwendungen alle Vorteile aus dem IIoT ziehen. Eventuell wird die Umstellung sogar per Plug-and-Play über die Bühne gehen.