In der Industrie 4.0 sind Maschinen mit smarten Sensoren ausgestattet und agieren autonom. Sie sind Teil von mehrheitlich automatisierten Produktionsabläufen. Die Anlagen sind mit dem Internet of Things (übersetzt: Internet der Dinge, kurz: IoT) verbunden – Menschen arbeiten dort hauptsächlich als Kontrollinstanz. Sie erkennen dank der smarten Sensorik auf Dashboards eventuelle Schwierigkeiten im Produktionsfluss bereits vor dem Eintreten. Dies ermöglichen sogenannte IoT-Gateways. Sie vernetzen IoT-Sensoren, andere Endgeräte und Ihre Firmen-IT miteinander.
Was IoT-Gateways sind, wie sie funktionieren und wieso sie in der Industrie 4.0 unverzichtbar sind, lesen Sie in diesem Beitrag.
Was ist ein IoT-Gateway?
Ein IoT-Gateway leitet Daten zwischen IoT-Geräten und der Cloud in einer smarten Fabrik hin und her. Wie ein Gateway allgemein und beispielsweise mit Telefonanlagen funktioniert, haben wir bereits an anderer Stelle hier im V-Hub beschrieben. Hier geht es nun speziell um IoT-Gateways.
„Klassische“ Datenweiterleitungs-Gateways vernetzen IoT-Komponenten „aus der Ferne“, also in räumlicher Distanz zu den Produktionsmaschinen. Doch es gibt auch solche, die Daten am Rande Ihres Firmennetzwerkes vorbereiten – direkt an Ihren Fertigungsmaschinen. Diese sogenannten Edge-Gateways verkleinern Daten direkt nach der Aufzeichnung durch den Sensor und bündeln sie in Paketen. Danach leiten sie die Datenpakete mit hoher Geschwindigkeit an Ihre Firmen-IT zur Analyse weiter. Ältere IoT-Gateways senden Daten oft nur in eine Richtung: von den IoT-Geräten zur Cloud. Mittlerweile empfangen beispielsweise smarte Sensoren Daten zur Kalibrierung oder neue Firmware via Gateway aus dem Firmennetzwerk.
Wie funktioniert ein IoT-Gateway?
Vereinfach gesagt funktioniert ein IoT-Gateway wie ein WLAN-Router: Über eine Funkverbindung kommuniziert das Gateway mit den IoT-Endgeräten und „vermittelt“ zwischen dem Endgerät und Ihrer Cloud-Infrastruktur. Im Gegensatz zu handelsüblichen WLAN-Routern arbeiten IoT-Gateways jedoch mit verschiedenen Übermittlungs-Protokollen.
Dazu gehören unter anderem folgende Protokolle:
- Z-Wave
- 6LOWPAN
- Zigbee (hauptsächlich für Smart-Home)
- LoRaWAN (auch für Smart-City-Geräte) MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)
Neben der Möglichkeit, Daten in zwei Richtungen zu senden, haben IoT-Gateways noch eine weitere Fähigkeit: Sie erkennen selbstständig, ob sie von Sensoren erhobene Daten eventuell aufteilen und an unterschiedliche Clouddienste senden müssen.
Ein Beispiel: Ein Unternehmen betreibt verschiedene Sensoren, die Daten aus der Produktion an einen bestimmten Software-as-a-Service-Dienstleister weiterleiten. Andere Sensoren hingegen messen die Atemluft in einer Produktionshalle. Diese Daten leiten sie an die Cloud eines anderen Anbieters weiter. Das IoT-Gateway teilt die Daten in verschiedene Pakete auf und sendet sie an das entsprechende Ziel.
IoT-Gateways und Failovercluster
Als Failovercluster bezeichnen Expert:innen einen Zusammenschluss aus jeweils unabhängigen Computern, die miteinander interagieren. Diese flexible Verbindung ermöglicht es dem Anbieter, Speichermöglichkeiten in der Cloud optimal zur Verfügung zu stellen und zu skalieren.
IoT-Gateways übernehmen in Ihrem IoT-Netzwerk die Rolle des „Auftraggebers“. Stellen sie das Anwachsen einer Datenmenge fest, können sie die Ausweitung des Speicherclusters auslösen.
Wie Sie IoT-Gateways in die IoT-Architektur Ihres Unternehmens integrieren können und welche Rolle sie beim sogenannte Edge-Computing spielen, lesen Sie im folgenden Abschnitt.
Edge-Gateway: IoT-Strukturen für bessere Vernetzung
Expert:innen teilen die Funktionen von IoT-Gateways in einer komplexen IoT-Architektur in drei Bereiche auf: Interoperabilität, Datenkonzentration und Datenverarbeitung vor Ort.
Interoperabilität
IoT-Gateways sind flexibel: Sie arbeiten mit verschiedenen Protokollen und Schnittstellen. Dies prädestiniert sie für den Einsatz am Rande ihrer Produktion – der sogenannten Edge (übersetzt: Rand, Kante). In diesem Zusammenhang verwenden Expert:innen häufig den Begriff des Edge-Gateway. Das Edge-Gateway rückt die Verarbeitung und Analyse in die Nähe der Maschinen. Es verbindet zum Teil hunderte Sensoren miteinander, mit dem Internet of Things sowie Ihrer firmeneigenen Kontroll- und Steuerungssoftware.
Datenkonzentration
In der IoT-Architektur Ihres Unternehmens steuern die IoT-Gateways mehrere Sensoren an. Dafür verwenden sie spezielle Protokolle, die auf die jeweils benötigte Reichweite der kabellosen Übertragung hin angepasst wurden. Dies ermöglicht eine möglichst effektive und kostengünstige Steuerung der Maschinen: Sie müssen beispielsweise nicht jedes einzelne IoT-Gerät über eine SIM mit dem 5G-Netz verbinden. Auch im Hinblick auf die Sicherheit Ihrer Systeme hat diese Bündelung Vorteile. Mehr dazu lesen Sie im Abschnitt „IoT-Gateways und Cybersecurity“.
Datenverarbeitung vor Ort
IoT-Gateways sind essenzielle Werkzeuge beim Aufbau einer sogenannten Edge-Computing-Architektur in Ihrem Unternehmen. Hier geht es um das Filtern der Daten, die Ihre IoT-Plattform kontinuierlich erfasst. Entstehen beispielsweise kritische Schwingungen an einer Maschine, muss das IoT-Gateway diese Meldedaten priorisiert weiterleiten. Die Entscheidung, welche Daten wichtiger sind als andere, wird also bereits an der Maschine getroffen.
Wie das im Detail funktioniert, lesen Sie im folgenden Abschnitt.
Performance verbessern: IoT-Gateway trifft Edge-Computing
Beim sogenannten Edge-Computing erheben smarte Sensoren Daten direkt an der Maschine und leiten sie an ein Mini-Rechenzentrum weiter. Dieses befindet sich in unmittelbarer Nähe der Maschine. Diese Recheneinheiten an der Edge, also am Rand des Netzwerks, analysieren und sortieren Daten. Danach verschicken sie komprimierte Datenpakete zur weiteren Auswertung an Ihre IoT-Plattform. Diese häufig cloudbasierte Software übernimmt die tiefergehenden Analysen der Sensordaten und reagiert etwa bei Fehlermeldungen in Echtzeit.
Damit Sie Daten so nahe wie möglich am Rand Ihrer Produktion erheben können, benötigen Sie drei Komponenten:
Edge-Device: Dieses Gerät produziert Daten an den Rändern Ihres Netzwerks. Zu den Edge-Devices zählen Maschinen, Sensoren, Roboter oder auch autonome Fahrzeuge.
Edge-Gateway. Dieses Gateway agiert als eigenständiger Rechner am Übergang zwischen zwei Netzwerken. Es verbindet beispielsweise das IoT mit dem zentralen Netzwerk Ihrer Firma. Außerdem vermittelt das Edge-Gateway zwischen kabelgebundenen und funkbasierten Übertragungstechniken.
Edge-Controller: Gibt es in räumlicher Nähe zu Edge-Devices Geräte mit programmierbarer Steuerung, sprechen Expert:innen von sogenannten Edge-Controllern. Diese Geräte verfügen über eine sehr hohe Rechenleistung und filtern und analysieren Daten. Damit verringern sie das Datenaufkommen in dezentral aufgebauten Rechenzentren.
Was ist Multi-Acces Edge Computing (MEC)?
Wie wichtig die große Flexibilität von IoT-Gateways für den Erfolg von Edge-Computing-Lösungen ist, zeigt sich beim sogenannten Multi-Access Edge Computing (MEC). MEC ermöglicht es Unternehmen, auf verschiedene Datenübertragungsstandards zurückzugreifen – und das mithilfe lokal beschränkter Rechenknoten. Dazu hostet ein Mobilfunkanbieter beispielsweise ein lokales 5G-Netz. Die volle Rechenleistung dieses Netzes steht nur Ihrem Unternehmen zur Verfügung.
Mehr Details zu MEC und Edge Computing lesen Sie ebenfalls hier im V-Hub.
IoT-Gateway: Wie gelingt die Digitalisierung meiner Produktion?
Immer mehr Unternehmen setzen auf die Digitalisierung ihrer Produktionsanlagen und verschaffen sich dadurch einen echten Marktvorteil. Wenn viele Ihrer Maschinen noch ohne smarte Sensorik und Anbindung an das Internet of Things arbeiten, können Sie diese aufrüsten.
Das sogenannte Retrofitting ermöglicht es Ihnen, ihren vorhandenen Maschinenpark mit moderner IoT-Technik nachzurüsten. Hier sollten Sie sich auf jeden Fall Hilfe von Spezialist:innen holen. Diese beraten Sie im Hinblick auf Konnektivität und Performance Ihrer nachzurüstenden IoT-Technik.
Die Auswahl im Hinblick IoT-Gateways für die Verwendung in Unternehmen ist riesig. Expert:innen können Sie optimal dabei unterstützen, Geräte wie das USG-Pro-4, Milesight UG65 oder die Kerlink iStation möglichst effektiv in Ihre Produktionsanlage zu integrieren. Die Geräte arbeiten mit unterschiedlichen Reichweiten oder unterstützen unterschiedliche IoT-Protokolle. Die zugehörigen Faktoren abzuwiegen und die für Sie optimale Lösung zu finden, sollte Gegenstand einer umfassenden Vorab-Analyse sein.
IoT-Gateways und Cybersecurity
Es gibt Fälle, in denen Cyberkriminelle IoT-Geräte von Firmen und Privataushalten direkt angegriffen haben. Durch eine Schwachstelle in der TCP/IP-Verwaltung der Geräte existierte zeitweise ein potenzielles Einfallstor für Angriffe.
Durch das oben beschrieben Retrofitting erhöhen Sie ebenfalls das Risiko, dass Ihr Unternehmen ins Fadenkreuz von Cyberkriminellen rückt. Dies betrifft keineswegs nur große Konzerne: Auch kleinere und mittelgroße Unternehmen melden vermehrt Attacken auf ihre Produktionsanlagen.
Die gute Nachricht: Mit IoT-Gateways kann Ihr Unternehmen die eigene IoT-Infrastruktur gegen Angriffe von außen absichern. So verfügen viele IoT-Gateways über eine integrierte Malware-Erkennung. Außerdem haben in Ihrer Produktionsanlage ausschließlich die IoT-Gateways eigene IP-Adressen. Cyberkriminelle finden daher weniger Angriffspunkte bei Attacken von außen, da die IoT-Aktoren hinter dem IoT-Gateway „versteckt“ liegen.
IoT-Gateways: Das Wichtigste in Kürze
- Ein IoT-Gateway leitet in einer smarten Fabrik Daten zwischen IoT-Geräten und der Cloud hin und her.
- Das Gateway kommuniziert kabellos mit den IoT-Endgeräten und verbindet sie mit Ihrer Cloud-Infrastruktur.
- IoT-Gateways ermöglichen das sogenannten Edge-Computing. Hier erheben smarte Sensoren Daten an der Maschine. Mini-Rechenzentren bereiten die Daten direkt an der Maschine zur Weiterleitung an Ihre IoT-Plattform vor.
- IoT-Gateways sind flexibel nachrüstbar. Sie ermöglichen eine schnelle Modernisierung Ihrer „alten“ Maschinen mit IoT-Technik.
- Viele IoT-Gateway verfügen unter anderem über eine integrierte Malware-Erkennung und helfen, die IT-Security in Ihrem Unternehmen zu verbessern.
Quelle:
https://www.vodafone.de/business/featured/technologie/iot-gateway-so-funktioniert-die-schnittstelle-zur-datenuebertragung-in-die-cloud/