Antriebstechnik

Internet der Dinge IoT

Mit der Einführung der Teil-/Automatisierung in den vergangenen 70ern trennten sich Arbeitnehmer in Spezialisten und austauschbare Bedien- und Hilfskräfte.

Kommunikationstruktur.

IoT beziehungsweise Industrie 4.0 künden vom nächsten revolutionären Umbruch. Durch das Zusammenwachsen von Gegenständen mit dem Internet zur cyber-physischen Welt lassen sich künftig Ingenieure, Entwickler u. a. ersetzen. „Intelligente“ Maschinen führen Tätigkeiten, lösen Aktionen selbstständig aus, die sie in Kooperation mit ihrer zu einer globalen Multi-Vendor-Anlage vernetzten Umgebung entschieden haben. Solche Lösungen erzeugen Mehrwerte, sparen Energie und Ressourcen. Echtzeitkommunikation in der Fertigung führt zu optimierter Prozessüberwachung, -automation,- vorbereitung etc., steigert die Gesamteffizienz. Das tägliche Leben wird davon über Smart City, Smart Home, den „smarten“ Verkehr erreicht.

Systembeschreibung
IoT beziehungsweise IIoT (Industrial Internet of Things als Abgrenzung zu kommerziellen (C) Applikationen wie TV, Home, Mobilität mit homogenem, TCP/IP-basiertem Netz CIoT ) als Kern der Digitalisierung erweitert das Internet zur umfassenden Verbindung von CPS (Cyber-physisches System) jeglicher Art. In maximalem Umfang werden Daten (ggf. mit taktiler Echtzeit <<10 ms) durchgängig von Sensor, Stellglied, Funkschaltgerät, Feldsystem bis in die Edge-/ Cloud-Serverplattform gesendet und direkt beziehungsweise zwischen Shop- und Office Floor ausgetauscht (Internet-Protokoll mit 128-bit-Adressierung IPv6).

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Rückgrad des IIoT ist eine hochzuverlässige Kommunikationsstruktur, in deren heterogenem Netz (mit hohen Datenraten und Bandbreiten) unterschiedliche, industrielle Bus-, Ethernet-Technologien einzubinden sind. Eine homogene Struktur bietet die OPC-UA-Architektur (https://opcfoundation.org/), welches die gateway-freie Durchgängigkeit vom Sensor bis zur ERP-Ebene sichert. Im IIoT, dem Fundament von Industrie 4.0, ist der Datenaustausch eine Terabytes transportierende Kombination aus LWL- und Funknetz (WiFi, NFC und andere, Bild). Dezentrale Systeme bieten ihre Funktionalität autonom und flexibel in Echtzeit Vor-Ort an. Operative Prozessdaten speichert das CPS, Massen-Daten werden dezentral gesichert und verarbeitet.

Remote Terminal Unit (www.redlion.net/Kontrolle) Serie RAM 9000 für 4G/LTE-Mobilfunk mit GPS, WLAN, mehrere serielle und Ethernet-Anschlüsse, I/O`s.

Liegt hardwareseitig die Aufmerksamkeit auf Einsatzbedingungen, Zuverlässigkeit, sicherer Kommunikation, Abwehr äußerer Angriffe, funktionaler Sicherheit, verantwortet Software zuvorderst Datenübertragung, Selbstlernfähigkeit, Nutzung von KI und Cloud/Edge Computing. Die schädliche „Monokultur“ gleicher Systeme wird vorteilhaft verhindert.

Technologien und Komponenten
Die Industrieelektronik bestimmt den Erfolg des IoT. Neueste Technologien erlauben Mindestmaße, minimales Gewicht, einfach integrierbares Design etc. bei sparsamen Stromverbrauch (Harvesting). Hochzuverlässige, -dynamische, verlustarme Bauelemente zeigen ihre Tauglichkeit in rauer Umgebung mit skalierbarer Intelligenz (temperaturstabile Einsatzbedingungen, Funktionsdichte im nm-Bereich). Die beeinflussenden Technologien (Tabelle siehe Download) sind zwingend, um effizient zu sein. Vollständig unverzichtbar ist KI mit Expertensystemen zur Problemlösung. Unterstützt durch Big Data werden mehr Live-Daten verarbeitet, ihr Vergleich löst in Echtzeit präventiv Aktionen und Entscheidungen aus.

Rechtliche Probleme
Die vollautomatische Fertigung, ihre erhöhte Gefährdung durch Vernetzung wirft Fragen der Rechtssicherheit auf. Kategorien wie Haftung, Fahrlässigkeit unter den z. T. globalen Risiken der Sicherheit (Security), Cyberschäden, zertifizierte Schutzvorkehrungen, Cloud-Dienste (Standort) müssen einen verlässlichen Rechtsrahmen bilden.

Drehgeber (Single-. Multiturn mit Ethernet/IP Sendix F58; www.kuebler.com).

Anwendungen und Auswirkungen
Setzen sich beispielsweise 3D-Drucker durch, wird die separate Produktion künftig durch Fertigung am Verwendungsort ersetzt. Automatisch erstellte Unterlagen übermittelt das IoT. Infolge dieses e-Kanban sinkt der Logistikaufwand drastisch, ohne „just-in-time“ zu verletzen. In die gleiche Richtung wirkt ein vollautomatisches Zentrallager. Zugleich verkürzt sich die Entwicklungszeit mit dem als Rapid-Prototyping Machine nutzbaren 3D-Printer.

Präventives Monitoring vermeidet Stillstand, spart menschliche Ressourcen sowie Material. Zeitaktuelle Kenntnisse über Ort und Höhe des (künftigen) Energieverbrauches ermöglichen nachhaltiges Energiemanagement nach DIN ISO 50001 (CO2-Einsparung). Der mit dem IoT verbundene Fortschritt vereinfacht die Wertschöpfungskette revolutionär, weil sie unter anderem auf globalen Handel (weniger Frachtraum, Terminals etc.), auf Ressourcen verzichten kann. Neue Geschäftsmodelle werden die Wirtschaft prägen.

Ausblick
Prognosen rechnen mit Arbeitsplatzabbau von 40 bis 60 Prozent bis in gehobenere Berufsfelder bei gleichzeitig kostenreduziertem Produktionswachstum bis zu 30 Prozent selbst bei Losgrößen ≥ 1. Der IoT-Ausbau könnte bereits 2020 bis zu 50 Milliarden vernetzte Geräten (http://www.cisco.de) erreichen. Selbst die Stell-, Mess-, Sensortechnik (Bild) erwartet große Veränderungen hinsichtlich ihrer Buskompatibilität. Durch den Wechsel zum virtuellen, digital abgebildeten Gegenstand sinken die Engineering-Aufwendungen. Auch wird die Modularisierung aller Funktionen vorangetrieben, monolithische Maschinen/Anlagen gehören der Vergangenheit an. Diese Entwicklung fordert zudem erhebliche Qualifizierung der Beteiligten.

Um den verstärkten Gefahren durch IT-Angriffe zu begegnen, ist die Security als Schlüsselthema mit ganzheitlichem Ansatz für Netzwerkssicherheit und Systemintegrität aufzufassen. Bridge- und Firewall-Funktionen werden in einem Gerät konzentriert (http://www.helmholtz.de), damit die durchgängige Kommunikation zwischen Netzen störungsfrei funktioniert. Darüber hinaus liegt der künftige Schwerpunkt auf Wireless-Lösungen, Remote-Automation, Robotik, Handling etc.

Wegen der enormen Auswirkungen auf das gesellschaftliche Leben muss zeitgleich eine soziale Innovation stattfinden.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause


Harvesting:
„Energieernte“ für mobile Funk-IoT-Komponenten (Indoor-Solarzellen, Piezo-, Temperaturdifferenz-Lösungen u. a. ggf. in Verbindung mit Super-Caps, Li-Ion-Batterien).


Gateway:
Kopplung von Rechnernetzen verschiedener Protokolle.

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