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Referenzarchitektur für IoT-Anwendungen

Wie lassen sich die modernen Produktionskonzepte, wie das Internet der Dinge, die Industrie 4.0 oder der Industrial Data Space, in einen technologisch-wirtschaftlichen Gesamtzusammenhang stellen? Das Fraunhofer ESK forscht aktiv an der Referenzarchitektur und untersucht zusammen mit Huawei die konkreten Anwendungsfälle Smart Maintenance und Energy Management as a Service.

 

Digitalisierung und Vernetzung prägen unseren Alltag und die Art und Weise, wie Industrieunternehmen produzieren. Diese Entwicklung wird unter verschiedenen Begriffen diskutiert: Internet der Dinge (IoT) und Industrie 4.0 sind die gebräuchlichsten. In Deutschland ist zudem mit Industrial Data Space eine Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft entstanden. Ziel ist ein einheitlicher Datenraum, der branchenübergreifend den Datenaustausch zwischen Firmen echtzeitnah erlaubt, unter Wahrung hoher Sicherheitsstandards. So können neue Geschäftsmodelle entstehen.

Durchgängige Daten, vom Sensor bis in die Manufacturing-Execution-Systeme

Nur mit einer leistungsfähigen, durchgängigen (englisch: seamless) Vernetzung lassen sich Grabenbrüche überwinden und technologische Entwicklungen einbeziehen. Eine Kommunikations-Referenzarchitektur schafft den Rahmen für ein Gesamtbild der industriellen Kommunikation von morgen. Sie löst die Insellösungen in der Produktion durch einen einheitlichen Referenzrahmen ab. Darüber hinaus trägt die Referenzarchitektur, die in der Standardisierung ein wichtiger Bestandteil ist, zur Kostenreduzierung gegenüber individuellen Lösungen in der Produktion bei.

Um die hohe Anzahl an Geräten und Kommunikationsbeziehungen abzubilden, ist ein hierarchisches Architekturmodell erforderlich. Ausserdem stellen die Echtzeitfähigkeit und die Durchgängigkeit der Datenübertragung eine wichtige Anforderung dar, vom Sensor bis in die Manufacturing Execution Systeme (MES) des produzierenden Unternehmens und in die ERP-Systeme von Lieferanten. Oder zu neuen Diensten – weil heute nicht klar ist, wie künftige produktionsunterstützende Systeme aussehen. Gerade die Anforderung der Durchgängigkeit ist unverzichtbar, um zwei wesentliche Grundbausteine von Industrie 4.0 zu realisieren: die horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke sowie die vertikale Integration der unterschiedlichen Hierarchieebenen von Produktionssystemen.

Verschmelzung von lokaler und mobiler Netzebene ab 2020

Für eine Referenzarchitektur bieten sich das Internet, lokale und mobile Netze an. Als ergänzende logische Ebenen müssen Edge Computing und Cloud-Computing betrachtet werden. Kommunikation in harter Echtzeit, im µs-Bereich etwa bei Maschinen und Antrieben, wird kabelbasiert bleiben. Jedoch steht dem Wireless auf der lokalen Netzebene ein starkes Wachstum bevor. Über die 5G-Mobilfunktechnik ergibt sich eine Überlappung zu den mobilen Netzwerken. Während heutige 4G-Mobiltechnologien wie Long Term Evolution (LTE) im lokalen Bereich nicht so stark vertreten sind, lässt 5G hier eine deutlich höhere Präsenz erwarten. Ab 2020 zeichnet sich eine Verschmelzung von lokaler und mobiler Netz­ebene ab. Durch Cloud-Computing müssen nicht mehr alle Daten direkt an der Maschine verarbeitet werden, rechnerintensive Prozesse können in öffentliche (Public Cloud) oder firmeneigene Rechenzentren (Private Cloud) ausgelagert werden. Dadurch bleiben die Maschinen schlank, ressourcen- und wartungsarm, und gleichzeitig können die Vorteile der Digitalisierung voll ausgenutzt werden. 

Whitepaper: 11-12_16.50.pdf

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