Nutzen Sie die technischen Möglichkeiten für sich

Es gibt Unmengen an technischen Möglichkeiten IoT und Industrie 4.0 „umzusetzen“. Verschiedene Protokolle, unterschiedliche Hardware-Möglichkeiten, Frameworks und Plattformen – Meist hat das Umfeld den größten Einfluss auf die Auswahl.

Ein paar Beispiele

  • Ist Microsoft bereits stark im Hause vertreten, bietet sich beispielsweise Azure IoT an.
  • Spielt Open Source eine große Rolle, werden entsprechende Open Source Projekte gegenüber kommerziellen Produkten bevorzugt werden.
  • Hat man bereits TeamViewer im Einsatz und möchte Daten sicher und mit wenig Aufwand in die Cloud transportieren, wird man sich entsprechende Lösungen anschauen.

Die Technologie und ihre Hersteller sind oft nicht entscheidend, sondern was Sie und wir daraus machen. Meist wird sowieso nur ein Bruchteil der gebotenen Funktionalität genutzt – Die sollte dann jedoch entsprechend gut funktionieren!

Erfolgreiche Projekte mit Hilfe von Referenzarchitekturen

Zur konzeptionellen Sicht gehört auch der Blick auf Referenzarchitekturen. Denn sie sind die Leitlinien, die den Rahmen für eine Umsetzung vorgeben. Besonders wichtig ist dies, wenn es in Ihrem Unternehmen dafür noch gar keine Vorgaben gibt. Häufig stellt sich die Frage, wo eine Funktionalität untergebracht werden soll.

Ein Beispiel: Sie möchten mit Hilfe von Machine Learning anhand einer Kamera erkennen, ob ein Bauteil korrekt produziert worden ist oder nicht. Wo also soll das neuronale Netz (Technologie, mit der Machine Learning umgesetzt ist) diese Überprüfung vornehmen? Direkt in der Kamera? Oder an der Kamera? Auf einem Ihrer lokalen Rechner? Oder in der Cloud? Alle Möglichkeiten sind denkbar – Jedoch müssen Sie sich für eine entscheiden.

Je klarer Ihre Vorgaben an dieser Stelle sind, desto einfacher können Sie später Ihre IT-Landschaft überblicken, Fehler beheben und Erweiterungen durchführen.

Welche Vorteile haben Referenzarchitekturen?

Referenzarchitekturen sind aus folgenden Gründen sinnvoll:

  • Sie schaffen Standards für Ihre IT-Anwendungen. Das erleichtert die Fehlerbehebung, die Pflege im Allgemeinen sowie die Einführung von Erweiterungen. Insgesamt sparen Sie dadurch Kosten und bleiben flexibel.
  • Sie werden vergleichbar und können leicht überprüfen, ob eine Änderung, etwa ein Cloud Anbieterwechsel, sinnvoll wäre. Ihre IT ist strukturiert und daher leicht zu überblicken.
  • Mit zunehmender Ordnung können Sie Ihre IT-Anwendungen und deren Zusammenhänge schneller überschauen. Neue Mitarbeiter sind rasch eingearbeitet – Spezialwissen, das häufig erfahrenen Mitarbeitern vorbehalten bleibt, wird auf ein Minimum reduziert.

Ob Ihr Unternehmen einer bekannten Referenzarchitektur folgt oder eigens eine entwickelt, ist nicht entscheidend. Bevor Sie jedoch eine eigene entwerfen, sollten Sie sich vorhandene Referenzarchitekturen ansehen und bewerten. Dabei gilt es zu beachten, dass Referenzarchitekturen meistens bestimmte Funktionalitäten, Aufgaben und Dimensionen abdecken. Selten erfüllen sie exakt Ihre Bedürfnisse, sondern sind eher überdimensioniert, sodass Sie nur einen Teil der Funktionalitäten benötigen. Diese Umstände zu beachten schützt Sie vor unnötiger Komplexität, gerade wenn ein Thema neu eingeführt wird. Bedenken Sie zudem, dass Sie eine vorgegebene Referenzarchitektur gegebenenfalls für Ihre Belange erweitern müssen.

Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0

Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) wurde vom Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (ZVEI) und der Plattform Industrie 4.0 erstellt. Es ermöglicht, eine Lösung oder ein Szenario anhand der wichtigsten Koordinaten einzuordnen.

Dazu verwendet es eine dreidimensionale Darstellung mit den folgenden Achsen

  1. Die Achse „Hierarchy Level” stellt die verschiedenen Funktionalitäten innerhalb einer Fabrik dar.
  2. Die Achse „Life Cycle Value Stream” beschreibt den Lebenszyklus von Anlagen und Produkten.
  3. Die Achse „Layers” ist die Abbildung der Software, etwa einer Maschine, mithilfe einer Schichtenarchitektur.

Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0).Quelle: © Plattform Industrie 4.0

Zu beachten sind mehrere Dinge

  • Der Gedanke, diese drei Achsen miteinander zu verbinden und Industrie 4.0-Anwendungen entsprechend einzuordnen, ist sehr attraktiv und macht bislang unerkanntes Potential sichtbar.
  • Die Komplexität des Modells und dessen Verständnis erfordern eine gewisse Einarbeitung, bevor ein Nutzen entsteht. Nach unserer Erfahrung ist es lohnenswert, sich mit dem Modell und genauen dem Vorgehen zu beschäftigen. Allein die Auseinandersetzung mit den Gedanken der Ersteller des Modells ist sehr hilfreich.

Grundsätzlich ist RAMI 4.0 ein Referenzarchitekturmodell mit dem Anspruch, Industrie 4.0-Lösungen in ihrer Allgemeinheit beschreiben zu können. Die Flexibilität, die das Modell erfordert, schlägt sich natürlich in einer gewissen Komplexität nieder. Suchen Sie sich beim Durcharbeiten die Themen heraus, die für Sie besonders relevant sind und setzen Sie Schwerpunkte. Alternativ ist auch die Industrial Internet Reference Architecture (IIRA) eine gute Lektüre – jedoch ist der Fokus ein anderer (Industrial IoT).

Sehr viel konkreter ist die Azure IoT Referenzarchitektur, die wir als nächstes beschreiben.

Microsoft Azure IoT-Referenzarchitektur

Die Microsoft Azure IoT-Referenzarchitektur ist zunächst auf die Bedürfnisse von Microsoft zugeschnitten, kann aber selbstverständlich auch auf andere Anbieter von IoT-Plattformen übertragen werden (wobei diese ebenfalls Referenzarchitekturen beschreiben). Wir empfehlen, sich mit mindestens einer Referenzarchitektur im Detail auseinanderzusetzen.

Microsoft Azure IoT Referenzarchitektur.Quelle: Microsoft Azure IoT-Referenzarchitektur

In der ersten Abstraktion ist die Referenzarchitektur unterteilt in:

  • Things – Das sind die Sensoren (IoT Devices), Edge Devices und zum Teil auch Cloud Gateways, die auch in Sammel-Registrierungen zur IoT-Plattform hinzugefügt werden können (Bulk device provisioning). Beachten Sie, dass auf Sensoren und anderen Komponenten Software installiert ist, die von Zeit zu Zeit aktualisiert werden muss.
  • Insights – Komponenten, die Daten entgegennehmen, transformieren, speichern und auf klassischem Wege analysieren.
  • Action – Letztlich wollen wir mit IoT Aktionen ausführen (reale Aktionen oder bspw. Entscheidungen treffen).

Funktionen der Azure IoT Referenzarchitektur

Die Funktionen der einzelnen Komponenten auf der Azure IoT Referenzarchitektur sind auf Microsoft Azure IoT-Referenzarchitektur gut dargestellt. Als Übersicht seien die wichtigsten hier kurz beschrieben:

  • IoT Devices sind die Sensoren, die wahlweise bereits Datenanalysen vornehmen können (Edge Device). Die Sensoren werden einzeln oder per DPS (Device Provisioning Service) einem Azure IoT Hub zugewiesen.
  • Das Cloud Gateway übernimmt die Verwaltung der Sensoren und stellt eine sichere Kommunikation zwischen den Sensoren und der Cloud her.
  • Die Datenverarbeitung wird in mehrere Stufen unterteilt. Dabei gibt es unterschiedliche Pfade: Der „warme Pfad” ist für die unmittelbare Interpretation der Daten vorgesehen, etwa wenn ad-hoc auf ein Ereignis reagiert werden soll. Der „kalte Pfad” wird für die nachgelagerte Interpretation der Daten verwendet, etwa um per Machine Learning neue Erkenntnisse aus den Daten zu generieren. Der „Stream” Pfad stellt weitere klassische Methoden zur Datenverarbeitung großer Datenmengen bereit.
  • Zu guter Letzt werden Services zur Darstellung und zur Umsetzung von Geschäftslogik angeboten (UI Reporting, Business Integration).

Im Vergleich zu RAMI 4.0 fällt auf, dass die Microsoft Azure IoT Referenzarchitektur deutlich konkreter hinsichtlich logischer Komponenten ist. Zudem wird ein Vorschlag abgebildet, um Daten ad-hoc (warm) und nachgelagert (kalt) verarbeiten zu können. Dabei konzentriert sie sich nicht auf Industrie 4.0-Anwendungen, sondern stellt die Verarbeitung der Daten und den Einsatz von Azure IoT in den Vordergrund. Das Herunterbrechen auf die verschiedenen Schichten einer automatisierten Fabrik und/oder deren Produktlebenszyklen bleibt jedoch offen und muss, falls nötig, individuell gelöst werden.

Vereinfachte Definition und Aufbau einer IoT-Referenzarchitektur

Schauen wir uns den strukturellen Aufbau einer IoT-Referenzarchitektur genauer an:

  • Sensoren & Aktoren – Darunter verstehen wir die Sensoren, die Daten aufnehmen und an die nächste Ebene weitergeben: Temperaturdaten, Telemetriedaten, Feuchtigkeit, Druck, etc. Außerdem können Aktoren angesprochen werden.
  • Datentransport – Beschreibt die Verbindung der Sensoren und Aktoren mit der nächsthöheren Schicht. Dabei spielen verschiedene Protokolle eine Rolle, bspw. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport).
  • Datenauswertung – Hier wird das in den Daten versteckte Gold geschürft. Die Möglichkeiten sind vielfältig: Sie finden hier Stichworte wie Data Science, Data Analytics, Big Data, Stream Processing, Complex Event Processing, Machine Learning, Artificial Intelligence und so weiter.
  • Anwendung, Applikation, Visualisierung, Dashboards – Auf dieser Ebene werden die Ergebnisse der Datenauswertung genutzt: Der Servicetechniker wird informiert, wenn eine Maschine einen Wartungszyklus benötigt – Damit es nicht zu einem Produktionsstillstand kommt. Ein Blick auf die Dashboards genügt, um den Status der Produktion zu erfassen.
  • Security – Wichtig auf allen Ebenen und in jeder Funktionalität. Security kann sich auf das Design der Hardware auswirken (bspw. bei Einsatz von TPM 2.0 Chips) oder auf die Software bzw. deren Konfiguration.

Aufbau einer IoT-Referenzarchitektur.
Quelle: eigene Darstellung

Eine Referenzarchitektur kann also sehr einfach gestaltet sein. Allerdings ist sie erklärungsbedürftig:

  • Die einzelnen Blöcke können als Schichten/Ebenen aufgefasst werden, stellen aber einzelne Funktionalitäten dar.
  • (Cloud- oder IoT-)Gateways, die Daten sicher weiterleiten, aber auch Daten auswerten können, sind der Datenauswertung und dem Datentransport zuzuordnen.
  • Die Datenspeicherung kann auf allen Ebenen stattfinden.

Starten Sie jetzt mit Ihrem IoT-Vorhaben

Diese Aufzählung kann noch deutlich weiter geführt werden. Lassen Sie sich aber deshalb nicht von Ihrem IoT-Vorhaben abbringen – Beginnen Sie einfach! Vieles wird sich Ihnen im Laufe des Projekts erschließen. Konkrete Projektideen, Beispiele und Anwendungsfälle können Sie in unserem Gesamtportfolio nachlesen. Und hier finden Sie eine detaillierte Übersicht über die verschiedenen IoT-Technologien:

 

Unsere Stärken in Sachen IoT-Technologien

  • Wir zeichnen uns dadurch aus, dass wir die konkrete Technologie (z. B. spezifische Frameworks oder Programmiersprachen, Protokolle, …) als Werkzeug verstehen, um Ideen und Vorgaben umzusetzen.
  • Wir verstehen die Konzepte hinter diesen Werkzeugen und können sie dadurch zielgerichtet einsetzen.
  • Die Berücksichtigung von Kundenwünschen und individuellen Gegebenheiten gehört zu unseren täglichen Routineaufgaben.

Sprechen Sie uns einfach an!

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Jonas Grundler

Head of IoT & Digital Innovation
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