IoT: Das Internet der Dinge im industriellen Umfeld

Anknüpfend an unsere Industrie 4.0 Artikelreihe werden wir in diesem Blog-Beitrag speziell auf das Thema Internet of Things (IoT) eingehen. Im deutschsprachigen Raum wird IoT auch als Internet der Dinge bezeichnet. Das Internet of Things ist ein wichtiger Bestandteil des Konzeptes der Industrie 4.0 und steht zusammen mit der Software im Mittelpunkt, da es für das Sammeln der Daten und die interne Kommunikation verantwortlich ist.

IoT Definition: Was ist das Internet der Dinge?

Beim Internet of Things werden Maschinen und Sensoren mit Hardware-Chips bzw. Modulen ausgestattet, die über das Internet, zum Beispiel mit anderen Maschinen, Servern und Computern, kommunizieren können. Dadurch werden Daten, die von den Maschinen bzw. Sensoren erfasst werden, direkt in Echtzeit übertragen und verarbeitet. Es erfolgt eine Koordination und Kommunikation über das Internet in Echtzeit.

Die von den Sensoren gesammelten Daten können für verschiedenste Zwecke genutzt werden, gerade aber in der Wirtschaft sind die IoT-Sensoren fester Bestandteil der Industrie 4.0. Die Kommunikation der Sensoren erfolgt automatisiert und nicht nur von Sensor zu Server, sondern kann auch umgedreht erfolgen. Sensoren können somit aktiv angesteuert werden, z. B. über ein zentrales und ganzheitliches System, das den Sensoren in Echtzeit Befehle mit auf den Weg gibt.

IoT: Wie funktioniert die Kommunikation mit dem Internet?

Während die meisten Smartphones inzwischen über Technologien wie LTE bzw. 4G mit dem Internet kommunizieren, gibt es für das Internet der Dinge verschiedene Möglichkeiten. Viele IoTChips verwenden heutzutage noch das GSM-Netz (auch 2G genannt), was im Vergleich zu LTE langsamer ist, aber bei geringen Datenraten oftmals ausreicht. Ein GSM-Modul ist im Vergleich zu LTE-Modulen zudem günstiger und stromsparender, was bei Sensoren, die über keine dauerhafte Stromversorgung verfügen, wichtig ist. Viele Sensoren werden mit Akkus bzw. Batterien betrieben.

Da das GSM-Netz und dessen Zukunft in vielen Ländern ungewiss ist (alte Technologie, wird für Smartphones kaum mehr genutzt), gibt es mit NarrowBand-IoT einen speziell für den IoT-Einsatz entwickelten Mobilfunkstandard. Die Vorteile von NarrowBand-IoT sind unter anderem ein noch geringerer Stromverbrauch der Module, geringere Kosten bei der Anschaffung und eine tiefere Gebäudedurchdringung. Ebenfalls relevant ist, dass NarrowBand-IoT auf dem LTE-Standard basiert, in die vorhandene LTE-Infrastruktur integriert werden kann und sowohl im GSM- als auch im LTE-Spektrum kommunizieren und somit flächendeckend genutzt werden kann.

Während Kommunikationsstandards wie GSM, LTE und NarrowBand-IoT bereits heute genutzt werden, steckt 5G, der Nachfolger von LTE und häufig mit IoT in Verbindung gebrachte Standard, noch in den Kinderschuhen. In Deutschland wurden soeben erst die Frequenzen vergeben, der Ausbau wird noch einige Zeit dauern. Ebenfalls gibt es noch sehr wenige 5G-Module, die in Sensoren oder Smartphones verbaut werden können.

5G verspricht geringere Latenzen und höhere Bandbreiten. Aktuell können mit LTE im Idealfall 300 Mbps im Download und rund 75 Mbps im Upload erreicht werden. Beim 5G-Standard sollen bis zu 10.000 Mbps (10 Gbps) sowohl im Download als auch im Upload möglich sein – zumindest theoretisch. Ob diese Werte auch in der Praxis erreicht werden, ist aktuell noch ungewiss. Durch ein flächendeckendes Netz von NarrowBand-IoT ist generell die Frage, ob 5G für das Internet der Dinge überhaupt einen Vorteil bringt oder eher nur im Consumer-Markt Anklang findet.

IoT: Wie funktionieren die Sensoren?

Die Sensoren werden mit einem jeweiligen Chip ausgestattet, zum Beispiel bei einem Sensor der im Freien steht und ohne dauerhafte Stromversorgung auskommt, wird aktuell oftmals ein GSM-Modul oder NarrowBand-IoT-Modul verwendet. Dieser Chip greift auf die benötigten Daten des Sensors zu und versendet diese dann über das Internet an einen zuvor definierten Endpunkt. Für diese Kommunikation wird oftmals der MQTT-Standard eingesetzt.

MQTT ist ein Protokoll, das speziell für das Internet der Dinge entwickelt wurde und im Vergleich zu anderen Protokollen sehr effizient für den Austausch von Daten ist. Die MQTT-Kommunikation funktioniert bidirektional, das heißt, dass der Sensor sowohl Daten senden, als auch empfangen kann. So werden Sensoren oftmals auch über das MQTT-Protokoll konfiguriert. Die Konfiguration wird lokal auf dem Sensor gespeichert, kann aber über das Internet angepasst werden.

IoT-Sensoren sind oftmals mit Roaming SIM-Karten ausgestattet, damit diese zum Einen direkt international ausgerollt werden können, zum Anderen aber auch flexibel sind. Denn durch Roaming SIM-Karten können die Sensoren sich in die Netze verschiedener Anbieter einwählen. Dadurch kann ein Sensor zum Beispiel in einer ländlichen Region komplett automatisiert prüfen, über welches Netz der Sensor die beste Verbindung erhält und dieses Netz dann nutzen. Gleiches Prinzip gilt auch, falls die Kommunikation mit einem Netzanbieter nicht mehr funktioniert, so kann ein anderer Anbieter genutzt werden. Sensoren werden dadurch sehr zuverlässig und effizient.

IoT: Die Ziele und Vorteile

Für Unternehmen jeglicher Branchen bringt das Internet der Dinge unheimliches Potenzial und sorgt für technologischen Fortschritt. Auch wenn zu Beginn Kosten für die Anschaffung, Herstellung oder Entwicklung anfallen, bietet das Internet der Dinge Unternehmen langfristig viele Marktvorteile und eine frühe Investition sorgt für Alleinstellungsmerkmale. Um die Vorteile zu veranschaulichen gehen wir im Folgenden darauf ein, wie ein omnipräsenter Wirtschaftszweig in Deutschland, die Abfallwirtschaft, durch IoT-Anwendungen profitieren kann.

Bei der Abfallwirtschaft können durch das Internet der Dinge an verschiedenen Stellen mit innovativen Lösungen Fortschritte erzielt werden. Wenn man zum Beispiel an Altglas- oder Altpapier-Sammelbehälter denkt, können diese Behälter mit Füllstandssensoren ausgestattet werden, die mehrmals täglich die Füllstände an eine Software schicken. Diese Füllstandsdaten können dann genutzt werden, um jeden Tag eine dynamische und optimierte Tour für die LKW-Fahrer bereit zu stellen. So werden Behälter optimal geleert und Überfüllungen werden vermieden.

IIoT: Unterschied zwischen IoT und industriellem IoT (IIoT)

Die Funktionsweise von IoT und IIoT ist die Selbe, jedoch sind IoT-Anwendungen im industriellen Umfeld oftmals komplexer, funktionaler und dienen zur Steuerung und Überwachung von gesamten Prozessen – hierbei spricht man dann von IIoT. Jedoch überschneiden sich die Begriffe oftmals, IIoT-Geräte finden zum Teil auch ihren Weg in den Consumer-Bereich und umgedreht ebenfalls, dadurch ist eine klare Abgrenzung oder Definition nicht möglich.

Sie wollen mehr rund um das Thema IoT im Zusammenhang mit Industrie 4.0 erfahren?

• Artikelreihe Teil 1: Industrie 4.0: Übersicht, Definition und Praxisbeispiele
• Artikelreihe Teil 2: Industrie 4.0: Auswirkungen, Vorteile und Chancen
• Artikelreihe Teil 3: Industrie 4.0: Die Software rückt in den Vordergrund

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