Ausgabe 10 | 2021

Effiziente, zukunftssichere Netzwerke für IIoT-Netzwerke

reichelt elektronik GmbH & Co. KG

Um Betrieb und Instandhaltung effizienter zu gestalten und völlig neue Geschäftsmodelle zu entwickeln, arbeitet die Industrie an der Digitalisierung sämtlicher Geschäfts- und Produktionsprozesse. Die benötigten reichhaltigen Informationen führen zu steigenden Datenvolumen und die umfassende Vernetzung aller Assets im Industrial Internet of Things stellt die Unternehmen vor gewaltige Herausforderungen. Es gibt keine Patentrezepte. Nur mit einer durchdachten Kombination unterschiedlicher Technologien lassen sich IIoT-Netzwerke zufriedenstellend realisieren.

Wenn Daten das Öl des 21. Jahrhunderts sind, entsprechen im industriellen Umfeld die Analysesysteme an der Spitze der Automatisierungspyramide oder in der Cloud den Raffinerien oder Kunststofffabriken und die Sensoren auf der Feldebene den Bohrstellen. Hier wie dort braucht es Netzwerke für den Transport.

Wachsende Datenmengen
Für datengetriebene Projekte der Industrie 4.0 ist jedoch zu beachten, dass Daten nicht bewegt, sondern nur kopiert werden. So können sie parallel zu verschiedenen Stellen «reisen». Sie werden durch die Verarbeitung nicht verbraucht, sondern bleiben erhalten und lassen sich für weitere Auswertungen beinahe beliebig lang speichern. Im Gegensatz zum Öl können die Daten auch nicht ur von der Quelle zum Ort der Verarbeitung fliessen, sondern durchaus auch in der Gegenrichtung. Darüber hinaus drohen ihre Quellen keineswegs zu versiegen. Sie sprudeln immer reichlicher.
Ziel der Sammlung und Auswertung von immer mehr Daten ist die Digitalisierung sämtlicher Geschäfts- und Produktionsprozesse. Mit der digitalen Transformation in der industriellen Wertschöpfung hin zur Industrie 4.0 können Unternehmen Betrieb und Instandhaltung ihrer Anlagen effizienter und zugleich robuster gestalten und darüber hinaus völlig neue Geschäftsmodelle entwickeln.

Unternehmen setzen auf IoT
Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist die datentechnische Verknüpfung der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) mit den operativen Technologien (OT). Dazu braucht es eine umfassende Vernetzung sämtlicher Maschinen und Anlagen sowie zusätzlicher Sensoren und Aktoren zwischen diesen. Diese sollte sich über sämtliche Standorte eines Unternehmens erstrecken.
Die Informationsdrehscheibe in der Industrie 4.0 ist das IIoT (Industrial Internet of Things). Es schafft die Möglichkeit, Produktions- und Infrastrukturanlagen sowohl horizontal als auch vertikal komplett zu vernetzen, ohne sich um die Details der Konnektivität kümmern zu müssen. Damit bildet es die Voraussetzung für das Vernetzen ganzer Geschäftsprozesse. Und es bringt die Möglichkeit mobiler Zugriffe, beispielsweise durch – eventuell auch externe – Instandhalter.
Laut einer vom IT-Marktforschungsunternehmen IDC Mitte 2019 durchgeführten Studie [1] zum Umsetzungsgrad von IoT im industriellen Sektor planten zu diesem Zeitpunkt drei Viertel der Industrieunternehmen in Deutschland, zeitnah IIoT-Projekte umzusetzen. Vor allem in der Produktionsindustrie, aber auch in der Logistikbranche und im Segment Ver- und Entsorgung hat die Mehrheit der Entscheider IIoT bereits als Enabler der digitalen Transformation erkannt.

IIoT braucht sichere Clouds
Im Internet der Dinge werden Geräte zu cyber-physikalischen Objekten, die zusätzlich zu ihrer eigentlichen Funktion Daten produzieren und diese über das Internet bereitstellen. Für die standortübergreifende Datenhaltung und -verarbeitung bieten sich Services in der Cloud an.
Schneller als im industriellen Bereich hat sich das Internet der Dinge im Konsumbereich etabliert, etwa mit Smartphones, Voice Assistants, Fitnessarmbänder oder Smart Home Geräten. Die treibende Kraft dahinter sind Anbieter, die an der Erlangung von Nutzerdaten interessiert sind und daher manche Leistungen als Gegenleistung quasi kostenlos zur Verfügung stellen.
Genau das ist in der Industrie unerwünscht und so waren Bedenken hinsichtlich der Datensicherheit bisher ein wesentlicher Hemmschuh auf dem Weg zum IIoT. Dass Daten in der Cloud verloren gehen oder unbrauchbar werden, kann angesichts der Anstrengungen aller etablierten Cloud-Anbieter praktisch ausgeschlossen werden. Allerdings sind diese Unternehmen überwiegend in den USA beheimatet und unterliegen der dortigen Rechtsprechung. Besonders abschreckend wirkt auf europäische Unternehmen der Patriot Act. Er verpflichtet Unternehmen dazu, auf Anforderung sämtliche Daten an die US-amerikanischen Bundesbehörden auszuliefern.

Wege zur Datensouveränität
«In der digitalisierten Industrie ist die Datensouveränität, also die uneingeschränkte Hoheit über die eigenen Daten, ein kritischer Erfolgsfaktor», weiss Thomas Kruse, Produktmanager Netzwerktechnik, Smart Home und Sicherheit beim Elektronik-Distributor reichelt elektronik GmbH & Co. «Deshalb ist der kürzlich erfolgte Start des Vorhabens Gaia-X zum Aufbau einer europäischen Cloud mit europäischen Sicherheits- und Transparenzregeln ein wichtiger Schritt.»
Bis Unternehmen auf diese sicheren Datendienste aus Deutschland und Europa zurückgreifen können, setzen viele auf Private Clouds, die in ihren eigenen Rechenzentren oder denen regionaler Lösungsanbieter betreiben. Weil die Natur und damit die Schutzbedürftigkeit der anfallenden Daten unterschiedlich ist, sind auch Mischformen von Public und Private Clouds anzutreffen, die sogenannten Hybrid Clouds.
Eine häufig geübte Praxis zur Erhöhung der Datensicherheit ist die weitgehende Vorverarbeitung der Daten am Standort. Nur die nackten Daten in die Cloud zu schicken und die Meta-Daten lokal liegen zu lassen, reduziert die Interpretierbarkeit der Daten und macht diese für den unehrlichen «Finder» wertlos. «Darüber hinaus verringert das die Datenmenge», nennt Thomas Kruse einen weiteren Vorteil des sogenannten Edge Computing. «Das bringt oft bedeutende Einsparungen bei den Kosten für die Cloud-Services.»

Herausforderung Datenflut
«Damit IIoT-Anwendungen einen hohen Mehrwert generieren, müssen diese möglichst viele, teilweise sehr unterschiedliche Daten wertschöpfend weiterverarbeiten», lautet eine Schlussfolgerung in der IIoT-Studie von IDC. Deshalb ist es für die «Informatisierung» bestehender Maschinen und Anlagen wichtig, diese mittels zusätzlicher Sensoren zu reichhaltigen Informationsquellen auszubauen.
Mittlerweile sind viele Sensoren in der Lage, ihre Informationen nicht nur über die klassischen Schnittstellen der Feldebene an die nächsthöhere Ebene, sondern direkt an die Cloud weiterzugeben. Ebenso wie cloudfähige Router, Steuerungen oder Edge Access Points verwenden viele davon für die Datenübertragung offene Protokolle wie MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Dieses ermöglicht durch einen in der Cloud sitzenden Broker den Ausgleich von Schwankungen in der Übertragungsqualität.
Gewaltige Herausforderungen stellen die enormen Datenmengen im IIoT auch an die Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Ausfallssicherheit des Datentransports. Die kommende Mobilfunktechnologie 5G wurde nicht zuletzt mit dem Ziel entwickelt, die erforderlichen Bandbreiten für das IIoT flächendeckend zur Verfügung zu stellen. «Allerdings wird sich die erforderliche Übertragungsbandbreite deutlich in der Kalkulation des Anlagenbetriebes niederschlagen», erwartet Thomas Kruse. «Daher sollte man sorgfältig festlegen, welche Daten in der Cloud verarbeitet werden sollen und mit welcher Häufigkeit diese dorthin geleitet werden.»

Netzwerke für das IIoT
Als Alternativen zu 5G bieten sich eigens für das IIoT entwickelte Übertragungsnetzwerke dafür an, Sensoren an den bestehenden Steuerungssystemen vorbei direkt mit der IT kommunizieren zu lassen. Zu diesen gehören das globale Funknetzwerk Sigfox oder das Long Range Wide Area Network (LoRaWAN).
«LoRaWAN-Sensoren haben einen besonders geringen Energiebedarf und können deshalb jahrelang mit einer Batterieladung netzunabhängig betrieben werden», erläutert Thomas Kruse. «Darüber hinaus punkten sie mit einer sehr hohen inhärenten Datensicherheit.» Deshalb eignen sich diese spezifischen IIoT-Netzwerke besonders auch für das Integrieren abgesetzter und sogar mobiler Anlagen, etwa von Windkraft- oder Kläranlagen und Landwirtschafts- oder Baumaschinen.
Selbst in anspruchsvollen IIoT-Projekten werden die meisten Sensoren jedoch nicht direkt mit den obersten Schichten der Lösung verbunden, die im Rechenzentrum oder in der Cloud arbeiten. Ihre Daten und Signale sind auch für lokale Steuerungs-, Regelungs- und Visualisierungssysteme relevant. Innerhalb bestehender Maschinen und Anlagen wird daher in der Regel die bestehende Netzwerkstruktur weiter genutzt.
Die erhöhten Anforderungen von IIoT an Bandbreite und Sicherheit erfordern jedoch in vielen Fällen eine Modernisierung, um Performance-Probleme zu vermeiden. Zudem vervielfältigt die steigende Komplexität des integrierten Gesamtsystems die möglichen Angriffspunkte. Deshalb empfiehlt der TÜV Süd, die einzelnen Systeminseln zu trennen und mit Schutzeinrichtungen wie Firewalls abzusichern, sodass Hackerangriffe keine Chance haben, sich auf das gesamte Netzwerk auszuwirken.
Für den Datenaustausch in diesen sogenannten Demilitarisierten Zonen (DMZ) empfiehlt sich das plattformunabhängige, service-orientierte OPC Unified Architecture (OPC UA) mit seinen reichhaltigen Verschlüsselungsalgorithmen. «OPC UA over TSN (Time Sensitive Network) bietet auch die innerhalb von Maschinen erforderliche harte Echtzeitfähigkeit», berichtet Thomas Kruse. «OPC UA ist dabei, sich als einheitliches Protokoll für das IIoT zu etablieren.»

Alles aus einer Hand
Bis zur Vereinheitlichung der Kommunikation im IIoT ist jedoch noch ein weiter Weg. Unternehmen, die ihre Anlagen IIoT-fit machen möchten, müssen bestehende Netzwerkarchitekturen mit kompatiblen Komponenten, Baugruppen und Geräten aufrüsten. Dazu benötigen sie neben der passenden Netzwerktechnik samt Firewalls und Überspannungsschutz auch die zusätzlichen Sensoren sowie I/O-Systeme, Steuerungssysteme und Edge-Computer einschliesslich der benötigten Cloudanbindungen.
«Nur mit einer durchdachten Kombination unterschiedlicher Technologien lassen sich die Zuverlässigkeit, Sicherheit oder auch nur Praxistauglichkeit von IIoT-Netzwerken zufriedenstellend realisieren», resümiert Thomas Kruse. «Bei deren Umsetzung sollten Unternehmen daher auf einen Partner setzen, der ihnen die benötigte Hardware mit den passenden Kompatibilitätseigenschaften aus einer Hand liefern kann.»

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