Der Aufstieg der IIoT-Technologie

Das Konzept des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) gibt es zwar schon seit einiger Zeit, aber das industrielle IoT (IIoT) hat in letzter Zeit aufgrund seines schnellen Wachstums und des Versprechens optimierter Abläufe, Produktivität und Effizienz in industriellen Umgebungen viel Aufmerksamkeit erhalten. Und jetzt, wo es mehr Möglichkeiten gibt, IIoT-Geräte miteinander zu verbinden, wird erwartet, dass der globale IIoT-Markt bis 2025 fast 1 Billion US-Dollar erreichen wird.

IoT vs. IIoT

Obwohl das IIoT technisch gesehen eine Unterkategorie des umfassenderen IoT-Konzepts ist, bezieht es sich in erster Linie auf digitale Geräte wie Zähler, Sensoren, Aktoren und Steuerungen, die in industriellen Umgebungen eingesetzt werden und die Grundlage für die Automatisierung durch intelligente Technologie bilden, die oft als Industrie 4.0 bezeichnet wird.

Vom Standpunkt der Vernetzung aus gesehen werden IIoT-Geräte in der Regel mit Netzwerken der Betriebstechnologie (OT) in Verbindung gebracht, die maschinenorientierte Überwachungs-, Steuerungs- und Kontrolldaten über Industrial Ethernet verarbeiten. Im Gegensatz dazu ist das IoT zum Synonym für kommerzielle und Verbrauchergeräte geworden, die mit IT-Netzwerken verbunden sind, die hauptsächlich geschäfts- und verbraucherorientierte Daten über kommerzielles Ethernet verarbeiten. Während IT- und OT-Netzwerke im Hinblick auf die gemeinsame Nutzung von Daten zur Optimierung industrieller Prozesse konvergieren, gibt es weiterhin einige grundlegende Unterschiede zwischen der Art und Weise, wie IoT- und IIoT-Geräte kommunizieren, wie viel Bandbreite sie benötigen und welche Komponenten sie verwenden.

Während sowohl IoT- als auch IIoT-Geräte Ethernet-Frames verwenden, um Datenpakete zu und von vernetzten Geräten zu senden, benötigen IIoT-Geräte zeitempfindliche Netzwerke (TSN). Im Gegensatz zum kommerziellen Ethernet, das aufgrund der Kollisionserkennung (d. h. Warten auf die Übertragung von Daten, wenn ein anderes Gerät ebenfalls versucht, Daten zu übertragen) nicht bestimmen kann, wie lange es dauert, bis ein bestimmtes Paket an seinem Ziel ankommt, darf die Kommunikation zwischen industriellen Geräten nicht einmal die geringste Verzögerung aufweisen und erfordert Priorisierungs- und Zeitsynchronisierungsmechanismen über spezielle industrielle Ethernet-Protokolle.

Im Gegensatz zu vielen IoT-Geräten, die Hochgeschwindigkeitsdatenraten von 1 Gb/s oder mehr benötigen, um größere Datenmengen wie hochauflösende Videos zu übertragen, sind die meisten IIoT-Geräte langsam und benötigen nur Datenraten von weniger als 100 Mb/s. Viele industrielle Ethernet-Anwendungen verwenden auch Bustopologien, bei denen sich mehrere Geräte einen gemeinsamen Link teilen, im Gegensatz zum kommerziellen Ethernet, das fast immer in einer Sterntopologie konfiguriert ist, bei der jedes Gerät seinen eigenen Link hat. Industrielle Geräte benötigen außerdem oft längere Verbindungen, um weitläufige Produktionsräume zu entfernten Standorten effektiv zu durchqueren.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Komponenten, die zum Anschluss von IIoT-Geräten verwendet werden, oft vor rauen Umgebungsfaktoren wie mechanischen Kräften (z. B. Quetschungen und Vibrationen), dem Eindringen von Flüssigkeiten und Staub, chemischen oder klimatischen Problemen (z. B. Temperatur und korrosive Lösungsmittel) und elektromagnetischen Störungen (EMI) geschützt werden müssen. Aus diesem Grund erfordern viele IIoT-Geräteverbindungen robuste Kabel und Konnektivität.

Neue Wege zur Verbindung

Die IIoT-Technologie wird zum Teil durch neu entstehende Anwendungen vorangetrieben, die gegenüber den herkömmlichen Feldbus-Kommunikationsprotokollen, die in der Vergangenheit für Industriegeräte in Steuerungs- und Automatisierungssystemen verwendet wurden, erhebliche Vorteile bieten werden. Viele herkömmliche Feldbussysteme arbeiten über eine breite Palette von Medien mit unterschiedlichen Längen und Steckerschnittstellen, die oft proprietär und nicht interoperabel sind. Dies hat nicht nur zu kostspieligeren und komplexeren Implementierungen geführt, sondern auch die Fähigkeit von Industriegeräten auf der E/A-Ebene, Informationen effektiv über OT- und IT-Netzwerke zu übertragen und auszutauschen, erheblich eingeschränkt.

Herkömmliche 4-Paar-Ethernet-Anwendungen, die in kommerziellen Unternehmen verwendet werden, sind für IIoT-Geräteverbindungen zu kostspielig. Aus diesem Grund hat das IEEE die 802.3cg 10BASE-T1L-Standards für Single-Pair-Ethernet (SPE) entwickelt, die eine 10 Mb/s-Ethernet-Übertragung über symmetrische Single-Pair-Verkabelung bis zu einer Entfernung von mindestens 1000 Metern sowie die Bereitstellung von Gleichstrom über IEEE 802.3 Power over Data Lines (PoDL) unterstützen.

Das Aufkommen von SPE stellt im Wesentlichen eine Konvergenzkommunikationsanwendung dar, die den Bedarf an IIoT-Verbindungen bis zu 10 Mb/s mit nicht-proprietärer Verkabelung der Kategorie löst und gleichzeitig eine gemeinsame Netzwerkplattform für die IT/OT-Konvergenz bereitstellt.

Eine weitere aufkommende Anwendung für die Verbindung von IIoT-Geräten ist das neuere Wi-Fi 6/6E der nächsten Generation, das reale Datenübertragungsraten von mehr als 5 Gb/s, eine längere Akkulaufzeit der Geräte, die Möglichkeit, mehr Geräte anzuschließen, und eine verbesserte Sicherheit bietet, die den Anschluss von drahtlosen IIoT-Geräten möglich machen könnte. Dies könnte sich als äußerst vorteilhaft für die Verbindung mit drahtlosen Sensoren und Geräten erweisen, die sich in abgelegenen und schwer zugänglichen Bereichen der industriellen Umgebung befinden, sowie für mobile IIoT-Geräte, wie sie für die Bestandsverwaltung und die Verfolgung und Überwachung von Anlagen verwendet werden. Ein neuer Bericht von Guidehouse Insights mit dem Titel Wi-Fi 6 and the IIoT untersucht, wie IIoT- und Wi-Fi-Infrastrukturen für Industriestandorte genutzt werden können, und schätzt, dass die industrielle Wi-Fi-Infrastruktur von 1,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf 6,9 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 anwachsen wird, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 16,8 %. Eine Zusammenfassung des Berichts steht hier zum kostenlosen Download auf der Website von Guidehouse Insights zur Verfügung.

Mit seinen höherfrequenten Funkwellen, die Geschwindigkeiten von bis zu 10 Gb/s und geringere Latenzzeiten bieten, bietet 5G-Mobilfunk auch ein großes Potenzial für die Verbindung mit IIoT-Geräten, insbesondere solchen, die in dezentralen Telemetrieanwendungen, im Bergbau, im Tiefbau, in intelligenten Stromnetzen/Unterstationen sowie in Bahn- und Transitanwendungen eingesetzt werden. Während Wi-Fi ideal für drahtlose IIoT-Geräte ist, die sich dauerhaft innerhalb einer Struktur befinden, können verteilte Antennensysteme (DAS) 5G-Signale über den Gebäudecampus ausdehnen, um eine nahtlose drahtlose Kommunikation für mobile IIoT-Geräte zu unterstützen, die sowohl innerhalb als auch außerhalb einer Anlage arbeiten müssen. Denken Sie beispielsweise an die Sensoren, die zur Überwachung und Nachverfolgung von Lieferungen und Temperaturen neuer COVID-19-Impfstoffe eingesetzt werden, die bei minus 70 °C bleiben müssen, um ihre Wirksamkeit zu erhalten.

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Da Gebäude und Fabriken durch IoT- und IIoT-Technologie intelligenter und effizienter werden und IT- und OT-Netzwerke weiter konvergieren, benötigen Sie die richtige Infrastruktur, um alles zu unterstützen. Ganz gleich, ob Sie Geräte mit dem IT- oder dem OT-Netzwerk verbinden, in kommerziellen oder industriellen Umgebungen, Siemon bietet Ihnen das richtige Niederspannungssystem, um direkte SPE- und 4-paarige kabelgebundene Ethernet-Verbindungen zu Geräten sowie Verbindungen zu Wi-Fi-Zugangspunkten und DAS-Knoten zu unterstützen.

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