IoT-Projekte in der Industrie verbinden Maschinen, Sensorik und betriebliche IT-Systeme über gemeinsame Datenwege. Hinter einer solchen Vernetzung stehen mehrere getrennte Aufgaben: Messwerte müssen erfasst, übertragen, gespeichert und für einen festgelegten Zweck ausgewertet werden. Unterschiedliche Maschinengenerationen, Schnittstellen und Sicherheitsanforderungen erschweren diese Arbeit. Vor der technischen Umsetzung ist deshalb eine Bestandsaufnahme nötig, die vorhandene Anlagen, Datenquellen und Zuständigkeiten erfasst.
Kurzfassung
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Status Quo muss berücksichtigt werden
Industrieanlagen wachsen über Jahre hinweg. Neue Maschinen treffen dabei auf bestehende Steuerungen (SPS), proprietäre Systeme und unterschiedlichste Kommunikationsschnittstellen. Eine einheitliche technische Basis ist daher selten vorhanden. Vor der Vernetzung muss exakt dokumentiert werden, welche Steuerungen und Sensoren Daten bereitstellen, welche Protokolle (z. B. OPC UA, Modbus) zum Einsatz kommen und welche IT-Systeme bereits angebunden sind.
Ein erfahrener IoT‑Dienstleister analysiert zuerst die vorhandene OT-Infrastruktur inklusive aller Maschinen und Systeme, bevor die Anforderungen an neue Geräte oder Maschinen definiert werden. Dadurch können diese gezielt und geplant integriert werden.
Sensorwerte sind die Grundlage für Automatisierung
Sensoren erfassen je nach Anwendung physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Drehzahl, Schwingung oder elektrische Werte und wandeln diese in Signale um, die von einer Steuerung oder einem angeschlossenen System weiterverarbeitet werden können.
Aktoren hingegen, brauchen die Informationen von Sensoren. Sie erhalten einen Steuerbefehl und setzen ihn in eine Handlung um, etwa indem ein Ventil bewegt oder ein Schaltvorgang ausgelöst wird.
Gateways vermitteln zwischen technischen Systemen
Nicht jede Maschine kann Daten direkt an eine zentrale Anwendung übertragen. Gateways sitzen deshalb häufig zwischen Anlagenebene und übergeordneten Systemen. Sie nehmen Informationen von Geräten oder Steuerungen entgegen und leiten sie über eine andere Verbindung weiter.
Auch unterschiedliche Protokolle können an dieser Stelle zusammengeführt werden. Verwendet eine Maschine ein anderes Datenformat als das Zielsystem, kann ein Gateway die Informationen für die weitere Verarbeitung aufbereiten. Welche Funktionen erforderlich sind, hängt von den vorhandenen Schnittstellen und den verwendeten Protokollen ab.
Datenerfassung beginnt mit einem festgelegten Zweck
Eine vernetzte Maschine kann zahlreiche Werte liefern, doch nicht jeder technisch verfügbare Messwert ist für den Betrieb relevant. Vor der Erfassung sollte daher festgelegt werden, welche Informationen tatsächlich benötigt werden und welchem Vorgang sie zugeordnet sind.
Bei einer Zustandsüberwachung können beispielsweise Messwerte über einen längeren Zeitraum miteinander verglichen werden. Einzelne Werte sind ohne Betriebszustand und zeitlichen Zusammenhang nur begrenzt aussagekräftig. Die Auswahl der Datenpunkte richtet sich deshalb nach der vorgesehenen Auswertung und nicht nach der größtmöglichen Datenmenge.
Datenübertragung verbindet Anlagen und Anwendungen
Nach der Erfassung werden Messwerte an das vorgesehene Ziel übertragen. Abhängig von Maschine und Infrastruktur können kabelgebundene oder funkbasierte Verbindungen eingesetzt werden. Zusätzlich legt ein Kommunikationsprotokoll fest, in welcher Form Systeme Daten austauschen.
Für die Planung sind Datenmenge, Übertragungsintervall und vorhandene Netzwerke zu berücksichtigen. Ein Sensor, der in größeren Abständen einen einzelnen Messwert sendet, stellt andere Anforderungen als eine Anlage, die fortlaufend zahlreiche Betriebsdaten liefert. Ebenso muss festgelegt sein, wie mit Verbindungsabbrüchen oder unvollständigen Übertragungen umgegangen wird.
Datenauswertung setzt geordnete Informationen voraus
Übertragene Daten müssen einem Gerät, Zeitpunkt und Betriebszustand zugeordnet werden. Erst diese Einordnung erlaubt Vergleiche zwischen Messreihen oder die Untersuchung von Abweichungen. Werden Daten aus mehreren Systemen zusammengeführt, müssen Bezeichnungen und Zuordnungen eindeutig bleiben.
In industriellen Anwendungen kann außerdem eine Verbindung zu ERP-, Service- oder anderen betrieblichen Systemen vorgesehen sein. Dann ist festzulegen, welches System welche Daten bereitstellt und wo sie weiterverarbeitet werden. Fehlende eindeutige Zuständigkeiten führen schnell zu mehrfach gespeicherten oder widersprüchlichen Datensätzen.
Sicherheitsanforderungen betreffen Zugriffe und Datenwege
Mit jeder zusätzlichen Verbindung entstehen neue Zugriffswege zwischen Geräten und Systemen. Rollen- und Rechtekonzepte legen fest, welche Benutzer oder Anwendungen bestimmte Daten lesen oder verändern dürfen. Darüber hinaus sollten verschlüsselte Datenverbindungen, digitale Zertifikate und auch Netzwerksegmentierung stets im IT/OT-Umfeld berücksichtigt werden.
Bei älteren Anlagen muss geprüft werden, welche Schutzmechanismen von den vorhandenen Steuerungen technisch unterstützt werden. Ebenso gehören Softwareupdates und die Behandlung bekannter Schwachstellen in die Betriebsplanung. Die erforderlichen Maßnahmen richten sich nach Systemaufbau, Zugriffsart und möglicher Auswirkung einer Bedrohung.
Betrieb und Erweiterungen müssen vorbereitet sein
Im Laufe der Zeit führen unter anderem Erweiterungen an Maschinen, der Ausfall von Sensoren oder auch Software-Updates zu Änderungen im Betrieb. Eine sorgfältige Dokumentation ist daher wichtig, um Datenwege, Schnittstellen und Abhängigkeiten auch später noch zuverlässig nachvollziehen zu können.
Für Wartung und Fehleranalyse sollten deshalb Zuständigkeiten festgelegt werden. Bei einer Störung muss erkennbar sein, ob die Ursache am Sensor, am Gateway, an der Netzwerkverbindung oder an einem nachgelagerten System liegt. Auch weitere Standorte oder zusätzliche Anlagen sollten bereits bei grundlegenden Architekturentscheidungen mitgedacht werden.
Fazit
Ein IoT-Projekt verbindet mehrere technische Ebenen, die getrennt betrachtet werden müssen. Sensoren erfassen Daten, Aktoren setzen Befehle um und Gateways vermitteln zwischen unterschiedlichen Systemen. Anschließend folgen Übertragung, Speicherung und Auswertung der Daten.
Eine belastbare Planung beginnt daher mit einer Bestandsaufnahme der vorhandenen Anlagen und einem definierten Datenzweck. Ebenso sollten Schnittstellen, Sicherheitsanforderungen und Zuständigkeiten für den späteren Betrieb frühzeitig berücksichtigt werden. Auf dieser Grundlage lässt sich anschließend festlegen, wie Maschinen und IT-Systeme technisch miteinander verbunden werden sollen.
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