Produktionsumgebungen gehören zu den anspruchsvollsten Einsatzbereichen für das Internet der Dinge (IoT), die es gibt. Die Kombination aus RF-dämpfenden Stahl- und Betonkonstruktionen, starken elektromagnetischen Störungen durch Frequenzumrichter und Hochstrom-Schaltgeräte, extremen Temperaturwechseln in bestimmten Prozessumgebungen, ständigen mechanischen Vibrationen durch Produktionsmaschinen sowie den betrieblichen Folgen von Geräteausfällen schafft ein Umfeld für die Hardwareauswahl, in dem IoT-Geräte der Verbraucher- und der gewerblichen Klasse hinter den Erwartungen zurückbleiben.
Die Geräteauswahl für IoT-Anwendungen in der Fertigung ist eine Entscheidung, bei der zahlreiche Variablen eine Rolle spielen, darunter physikalische Umgebungsanforderungen, Merkmale des Datenprofils, die Wahl der Konnektivitätstechnologie sowie die Integrationsanforderungen des Ökosystems der industriellen Automatisierung, in dem die Geräte eingesetzt werden sollen. Wird bei einer dieser Variablen ein Fehler gemacht, führt dies zu Geräten, die frühzeitig ausfallen, unzuverlässig verbunden sind oder Daten generieren, die von der Fertigungsplattform nicht verarbeitet werden können. Fehler bei der Wahl der Konnektivitätstechnologie kommen häufig vor, da Entscheidungen zur Konnektivität oft erst getroffen werden, nachdem die Hardwareauswahl den Formfaktor und die Funktechnologie des Geräts bereits festgelegt hat, sodass die Konnektivitätsarchitektur an Entscheidungen angepasst werden muss, die ohne sie getroffen wurden.
Dieser Beitrag befasst sich mit dem Rahmenkonzept zur Geräteauswahl für IoT-Implementierungen in der Fertigung, den Konnektivitätsanforderungen verschiedener Gerätekategorien sowie den Infrastrukturentscheidungen, die darüber entscheiden, ob sich die Implementierung gut in die Fertigungsumgebung integrieren lässt, die damit überwacht werden soll.
Umweltanforderungen haben Vorrang
Das erste Auswahlkriterium bei der Auswahl von IoT-Geräten für die Fertigung ist die physische Umgebung, in der das Gerät funktionieren muss, und dieses Kriterium schließt einen größeren Teil des verfügbaren Geräteangebots aus, als die meisten Implementierungsteams erwarten.
Die Schutzart ist die grundlegende Anforderung für jedes Gerät, das in einer Produktionsumgebung installiert wird. Das IP-Schutzklassensystem nach IEC 60529 beschreibt den Schutz vor dem Eindringen fester Fremdkörper (erste Ziffer) und von Flüssigkeiten (zweite Ziffer). Produktionsumgebungen, in denen Bearbeitungsflüssigkeiten, Hochdruckreinigung, hohe Luftfeuchtigkeit oder Einsatz im Freien eine Rolle spielen, erfordern in der Regel mindestens Schutzklasse IP65: vollständiger Staubschutz und Schutz gegen Niederdruck-Wasserstrahlen aus allen Richtungen. Die Lebensmittel- und Getränkeherstellung mit regelmäßigen Hochdruckreinigungen erfordert IP67 oder IP69K. Geräte mit der Schutzart IP54 oder niedriger – was auf die Mehrheit der kommerziellen IoT-Geräte zutrifft – sollten in Produktionsumgebungen nicht ohne ein Gehäuse eingesetzt werden, das die effektive IP-Schutzart auf das erforderliche Niveau anhebt.
Betriebstemperaturbereich schließt eine zweite Kategorie von Geräten aus. Der standardmäßige Temperaturbereich für Elektronik im kommerziellen Einsatz liegt zwischen 0 °C und +70 °C. In Produktionsumgebungen wird dieser Bereich häufig überschritten: Gießereien, Wärmebehandlungsanlagen, Industrieöfen, Außenanlagen in kalten Klimazonen und gekühlte Umgebungen in der Lebensmittelverarbeitung weisen alle Betriebstemperaturen auf, die außerhalb des kommerziellen Bereichs liegen. Für diese Umgebungen sind IoT-Geräte in Industriequalität erforderlich, die für den erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C oder -40 °C bis +105 °C ausgelegt sind. Der Einsatz von Geräten in handelsüblicher Qualität in Umgebungen mit Temperaturen außerhalb dieses Bereichs führt zu vorzeitigen Ausfallraten, die sich nicht auf einen einzelnen Fehlermodus zurückführen lassen, sondern durchweg mit der thermischen Überlastung zusammenhängen.
Vibrations- und Stoßfestigkeit betreffen jedes Gerät, das an oder in der Nähe von Produktionsmaschinen montiert ist. Anhaltende Vibrationen durch Motoren, Pressen, Förderbänder und Kompressoren führen im Laufe der Zeit zu einer Verschlechterung von Lötstellen, Steckverbinderkontakten und Steckverbindungen des SIM-Einschubs – auf eine Weise, die von außen nicht sichtbar ist und keinen sofortigen Ausfall auslöst. Die Ausfallart ist eine zeitweise unterbrochene Verbindung, die sich über Monate hinweg zunehmend verschlechtert und schwer zu diagnostizieren ist, da das Gerät im Ruhezustand die Funktionstests besteht. Geräte, die für den Einbau in Umgebungen mit starken Vibrationen vorgesehen sind, sollten einen nach MFF2 gelöteten SIM-Formfaktor, konform beschichtete Leiterplatten und vibrationsgeprüfte Steckverbinderspezifikationen verwenden.
EMI-Toleranz in Produktionsumgebungen mit erheblichen elektromagnetischen Störquellen erfordert die Beachtung der Abschirmungsspezifikationen der Geräte. Frequenzumrichter, Induktionsheizgeräte, Lichtbogenschweißgeräte und große Motorstarter erzeugen elektromagnetische Störungen, die die Funkleistung und die Genauigkeit von Sensoren beeinträchtigen können. Bei der Geräteauswahl sollten die EMI-Störfestigkeitswerte gemäß den für die Installationsumgebung relevanten Normen der Reihe IEC 61000-4 berücksichtigt werden.
Gerätekategorien und ihre Anforderungen an die Konnektivität
IoT-Implementierungen in der Fertigung umfassen mehrere Gerätekategorien mit unterschiedlichen Anforderungen an die Konnektivität, und die kategoriebezogene Bewertung legt die Konnektivitätsarchitektur für die gesamte Implementierung fest.
Sensoren zur Zustandsüberwachung an Produktionsmaschinen, darunter Schwingungssensoren zur Erkennung von Lagerfehlern, Akustikemissionssensoren zur Erfassung des Verschleißes von Schneidwerkzeugen und Stromwandler zur Überwachung des Motorzustands, unterliegen Konnektivitätsanforderungen, die sich aus dem Datenvolumen und dem Latenzprofil der Überwachungsanwendung ergeben. Wie bereits in früheren technischen Arbeiten zur Sensorkonnektivität dargelegt, lässt sich diese Kategorie unterteilen in:
- Erfassung von Hochfrequenz-Rohwellenformen, die 4G Cat-4 oder „ 5G “ NR für die direkte Übertragung in die Cloud erfordern, oder Edge-Computing mit FFT-Verarbeitung vor der Übertragung über LTE-M
- Verarbeitete Spektralmerkmalsübertragung, die innerhalb der Bandbreite von LTE-M liegt, wenn die Kanteninferenz lokal ausgeführt wird
- Zusammenfassende Statistiken und schwellenwertbasierte Warnmeldungen, die über „ NB-IoT “ für Überwachungsanwendungen mit der geringsten Häufigkeit genutzt werden können
Sensoren zur Umwelt- und Prozessüberwachung zur Erfassung von Temperatur, Feuchte, Druck, Durchfluss und Füllstand in Prozessumgebungen verfügen über Datenprofile, die gut auf die Technologien von LPWAN abgestimmt sind. NB-IoTLTE-M in der PSM-Konfiguration bietet die mehrjährige Batterielebensdauer, die Sensoren an Standorten ohne bequemen Stromanschluss benötigen, und die kleinen, selten gesendeten Datenmengen der Umgebungsüberwachung passen in die Bandbreitenbeschränkungen von „ LPWAN “. Die Anforderungen an die physikalische Umgebung sind in dieser Kategorie oft am strengsten: Prozesstemperatursensoren müssen unter Umständen bei Temperaturen betrieben werden, die eine fernmontierte Elektronik mit thermisch isolierten Sondenanschlüssen erfordern.
Qualitätskontrollsysteme für Fertigungslinien die Computer Vision zur Fehlererkennung, Maßprüfung oder Montageüberprüfung nutzen, gehören zu den IoT-Anwendungen mit der höchsten Bandbreitenanforderung in der Fertigung. Eine kamerabasierte Qualitätsstation, die Bilder mit der Geschwindigkeit der Produktionslinie aufnimmt – was in der Hochgeschwindigkeitsfertigung mehrere Dutzend Teile pro Minute betragen kann –, erzeugt Bilddatenmengen, die eine lokale Edge-Verarbeitung erfordern, bevor eine Mobilfunkübertragung praktikabel ist. Die Konnektivitätsanforderung für Produktionsqualitätssysteme ist in der Regel eine Verbindung mit hoher Bandbreite vom Edge-Computing-Knoten zum Manufacturing Execution System (MES) oder zur Cloud-Plattform, wobei „5G “ NR oder kabelgebundenes Ethernet die geeignete Architektur darstellen und nicht „ LPWAN “-Mobilfunk.
Asset- und Werkzeug-Tracker für hochwertige Werkzeuge, Vorrichtungen, Baugruppen in der Fertigung und Mehrwegverpackungen innerhalb einer Produktionsstätte unterliegen Anforderungen an die Konnektivität, die sich aus der erforderlichen Genauigkeit der Standortbestimmung in Innenräumen und dem Energieverbrauch des jeweiligen Formfaktors ergeben. Bluetooth Low Energy (BLE) mit einer BLE-Gateway-Infrastruktur zur Aggregation von Standortdaten ist die vorherrschende Technologie für die Standortverfolgung von Objekten in Innenräumen innerhalb der Werksgrenzen. Für Objekte, die zwischen Standorten oder zwischen dem Werk und dem Kunden transportiert werden, eignen sich mobilfunkbasierte Tracker mit „ LTE-M“ für einen batterieeffizienten Betrieb für die Außenbereiche und den Transportabschnitt des Weges des Objekts.
Gateway- und Edge-Computing-Geräte , die Daten aus verschiedenen Sensorkategorien aggregieren, bevor sie an die Cloud-Plattform übertragen werden, stellen in vielen IoT-Architekturen der Fertigungsindustrie die Geräte mit den höchsten Anforderungen an die Konnektivität dar. Das Gesamtdatenvolumen einer dichten Sensornetzwerkdichte kann für die Backhaul-Verbindung vom Gateway zur Cloud 4G Cat-4, „ 5G “ NR oder FWA erfordern, selbst wenn die einzelnen Sensoren, die mit dem Gateway verbunden sind, über „ NB-IoT “ oder „ LTE-M“ arbeiten. Die Auswahl der Gateway-Konnektivität muss sich am gesamten Upstream-Datenvolumen orientieren und nicht am Datenprofil des einzelnen Sensors.
Integration von OT-Protokollen und das Ökosystem der industriellen Automatisierung
IoT-Geräte in der Fertigung arbeiten nicht isoliert von der bestehenden industriellen Automatisierungsinfrastruktur. Die SPS-, SCADA-, DCS- und MES-Systeme, die den Fertigungsbetrieb steuern, verfügen über etablierte Kommunikationsprotokolle, in die sich IoT-Geräte integrieren müssen, und bei der Geräteauswahl muss diese Integrationsanforderung berücksichtigt werden.
Zu den vorherrschenden OT-Kommunikationsprotokollen, die für die IoT-Integration in der Fertigung relevant sind, gehören:
OPC UA (OPC Unified Architecture) ist der aktuelle Standard für den sicheren, plattformunabhängigen Datenaustausch in der industriellen Automatisierung. Ein IoT-Gerät oder -Gateway, das einen OPC-UA-Server implementiert, stellt Fertigungsdaten OPC-UA-Clients zur Verfügung – darunter MES-Plattformen, Historian-Systeme, Digital-Twin-Engines und Cloud-IoT-Plattformen, die OPC-UA-Clients implementieren –, ohne dass eine benutzerdefinierte Protokollübersetzung erforderlich ist. Bei der Geräteauswahl für IoT-Anwendungen in der Fertigung, die in moderne OT-Infrastrukturen integriert werden müssen, sollte die Unterstützung von OPC UA neben der Mobilfunk-Spezifikation als Konnektivitätsanforderung Priorität haben.
MQTT mit Sparkplug B ist die IoT-Protokollschicht, die in vielen IIoT-Implementierungen eine Brücke zwischen OT- und IT-Umgebungen schlägt. Sparkplug B definiert eine Nutzlastspezifikation für MQTT, die das strukturierte Datenmodell, die Semantik von „Geburts- und Sterbeurkunden“ sowie das Zustandsmanagement bereitstellt, die für die Integration in der industriellen Automatisierung erforderlich sind. IoT-Edge-Gateways, die Sparkplug B implementieren, ermöglichen es MQTT-basierten Cloud-Plattformen, Fertigungsdaten in einem Format zu verarbeiten, das den von der OT-Umgebung erfassten betrieblichen Kontext enthält.
Modbus RTU und Modbus TCP sind in älteren Fertigungsanlagen und Messgeräten nach wie vor weit verbreitet. IoT-Gateways mit Modbus-Master-Fähigkeit können Register von SPSen, Antrieben und Messgeräten auslesen, die nicht über moderne Kommunikationsschnittstellen verfügen, und diese Daten über OPC UA oder MQTT für die Cloud-Integration bereitstellen. Bei der Geräteauswahl für Anwendungen, bei denen ältere Geräte angebunden werden müssen, muss nicht nur die Funkspezifikation, sondern auch die Protokollbibliothek des Gateways bewertet werden.
EtherNet/IP und PROFINET sind die führenden industriellen Ethernet-Protokolle in ihren jeweiligen Ökosystemen. Gateways, die eine Brücke zwischen diesen OT-Protokollen und dem IT-Standard IP-Netzwerk schlagen, bilden den Integrationspunkt für IoT-Anwendungen in der Fertigung in Umgebungen, die auf einer Automatisierungsinfrastruktur von Rockwell oder Siemens basieren.
Die Auswirkungen der OT-Protokollintegration auf die Konnektivität zeigen, dass viele IoT-Anwendungen in der Fertigung besser mit einer gateway-zentrierten Architektur bedient sind, bei der Feldgeräte über kabelgebundenes industrielles Ethernet oder serielle Protokolle mit einem Gateway verbunden sind und das Gateway sowohl die OT-Protokollintegration als auch die Mobilfunkkonnektivität für die Übertragung in die Cloud bereitstellt, als durch direkte Mobilfunkkonnektivität an jedem einzelnen Sensor. Diese Architektur reduziert die Anzahl der Mobilfunk-SIM-Karten in der Installation, vereinfacht die Verwaltung der Konnektivität und konzentriert die Mobilfunk-Hardware in einem Gateway-Gerät, das genau auf die gesamten umgebungsbezogenen und elektrischen Anforderungen des Installationsortes ausgelegt werden kann.
Private Mobilfunknetze für die Fertigungsindustrie
Die Fertigungshalle ist eine der wertvollsten Einsatzumgebungen für private „ LTE “- und „ 5G “-Netzwerke, und bei der Geräteauswahl für das IoT in der Fertigung muss berücksichtigt werden, ob die Einsatzarchitektur eine private Mobilfunkinfrastruktur umfasst.
Private Mobilfunknetze ( 5G ) in der Fertigungsindustrie bieten eine Reihe von Funktionen, die öffentliche Mobilfunknetze nicht bieten können:
- Deterministische Latenz mit Servicequalitätsgarantien, die es zeitkritischen Automatisierungsanwendungen – darunter Roboterkoordination, AGV-Navigation und Regelkreise – ermöglichen, auf Mobilfunkverbindungen mit Latenzprofilen zurückzugreifen, die mit denen von kabelgebundenem Industrie-Ethernet vergleichbar sind
- Datenverarbeitung vor Ort bei der alle IoT-Daten innerhalb des Werksnetzwerks verbleiben, ohne die Infrastruktur öffentlicher Netzbetreiber zu durchlaufen, wodurch die Sicherheitsanforderungen der Betriebstechnik erfüllt werden, die verbieten, dass Fertigungsdaten das Werksnetzwerk verlassen
- Unterstützung einer hohen Gerätedichte bei der Sensordichte, die moderne Fertigungsinstrumente erfordern, ohne die Spektrumskonflikte, die in öffentlichen Netzwerken mit hoher Gerätedichte auftreten
- Abdeckungssteuerung wobei das private Netzwerk den Standortbereich präzise abdeckt, ohne dass es zu Überlappungen mit benachbarten Standorten oder öffentlichen Bereichen kommt
Bei der Geräteauswahl für private Mobilfunk-Implementierungen sind Geräte erforderlich, die das spezifische NR-Band „ 5G “ unterstützen, das dem privaten Netzwerk zugewiesen ist – in der Regel CBRS in den Vereinigten Staaten (Citizens Broadband Radio Service, Band 48) oder dedizierte Frequenzbereiche in anderen Märkten –, was sich von den Spezifikationen für die Unterstützung von öffentlichen Netzbetreibern 5G unterscheidet. Nicht alle kommerziellen IoT-Geräte 5G unterstützen CBRS oder Frequenzkonfigurationen für private Netzwerke, weshalb diese Anforderung Teil der Kriterien für die Hardwareauswahl sein muss, bevor Geräte beschafft werden.
Die Konnektivitätsinfrastruktur von KORE unterstützt sowohl öffentliche Mobilfunk- als auch private Netzwerkarchitekturen für IoT-Implementierungen in der Fertigungsindustrie. Die Plattform „ ConnectivityPro “ verwaltet SIM-Karten für öffentliche Netzwerke über mehr als 40 Partner-Netzbetreiber und in mehr als 200 Ländern für Implementierungen, bei denen der öffentliche Mobilfunk die geeignete Konnektivitätsarchitektur darstellt, während die privaten Netzwerkfunktionen von KORE Fertigungsumgebungen unterstützen, in denen ein vor Ort bereitgestelltes „ 5G “ die richtige Wahl für die Anforderungen des Betriebs hinsichtlich Latenz, Sicherheit und Netzabdeckung ist. Mit über 21 Millionen aktiven SIM-Karten, die in verschiedenen Branchen der Industrie und Fertigung eingesetzt sind, spiegelt die Infrastruktur die Betriebserfahrung aus groß angelegten IoT-Implementierungen in der Fertigung wider, die verschiedene Anlagentypen und Regionen umfassen.
Die Geräteauswahl als Entscheidung zur Systemarchitektur
Die Auswahl von IoT-Geräten für die Fertigung ist eine Entscheidung zur Systemarchitektur, bei der die Wahl des Geräteformats, der Umgebungsklasse, der Funktechnologie, der Unterstützung von OT-Protokollen und der Konfiguration der Konnektivität gemeinsam darüber entscheidet, ob die Implementierung einen nachhaltigen betrieblichen Nutzen liefert oder Wartungskosten und Datenlücken verursacht, die die Wirtschaftlichkeit untergraben.
Die Abfolge, die zu den besten Ergebnissen führt, ist bei allen erfolgreichen IoT-Implementierungen in der Fertigung einheitlich:
- Legen Sie zunächst die Anforderungen an die physikalischen Umgebungsbedingungen fest, darunter Schutzart, Temperaturbereich, Vibrationsbelastung und EMV-Umgebung.
- Ermitteln Sie das Datenprofil für jede Gerätekategorie, einschließlich Nutzdatenvolumen, Übertragungsfrequenz, Latenzanforderungen und Mobilitätsprofil.
- Wählen Sie für jede Kategorie die geeignete Verbindungstechnologie aus, basierend auf dem Datenprofil und der am Einsatzort verfügbaren Netzwerkinfrastruktur.
- Die Anforderungen an die Integration des OT-Protokolls bewerten und ermitteln, ob eine gateway-basierte oder eine direkt auf Mobilfunk basierende Architektur besser zur bestehenden Automatisierungsinfrastruktur passt
- Prüfen Sie, ob ein privates Mobilfunknetz den Anforderungen der Einrichtung hinsichtlich Latenz, Sicherheit und Netzabdeckung gerecht wird, und passen Sie die Gerätespezifikationen entsprechend an.
Wenn diese Abfolge richtig umgesetzt wird, bevor die Gerätespezifikationen durch die Hardwarebeschaffung festgelegt werden, entscheidet dies darüber, ob eine IoT-Implementierung in der Fertigung über ihre gesamte Betriebsdauer hinweg wie vorgesehen funktioniert oder ob nach der Inbetriebnahme kostspielige Nachbesserungen erforderlich werden.
Wenn Sie sich in der Planungsphase einer IoT-Implementierung in der Fertigung befinden und parallel zur Hardwareauswahl auch die Konnektivitätsarchitektur prüfen, wenden Sie sich an einen KORE-Konnektivitätsingenieur, um die Anforderungen an die Netzwerkinfrastruktur zu erörtern, die sich aus Ihrem Gerätebestand und Ihrer Betriebsumgebung ergeben.
Veröffentlicht am 30. Juni 2026