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OT/IT/CT-Verbindungen …

 
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kdw



Joined: 05 May 2006
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PostPosted: 25.09.2016, 13:45    Post subject: OT/IT/CT-Verbindungen … Reply with quote

Hallo Forum.

Die Strukturen und Konzepte in der industriellen Automatisierungswelt werden sich durch das Internet der Dinge und Industrie 4.0 völlig verändern. Die gute alte hierarchisch organisierte Automatisierungspyramide verschwindet von der Bildfläche. Die einzelnen Systeme sind zukünftig vielmehr in unterschiedlichen Kommunikations-Domains (z. B. je eine OT-, IT- und CT-Domain) zusammengefasst.



OT: Operational Technology, also die Shopfloor-Technik. In dieser Ebene bzw. Domain ist die gesamte Automatisierungstechnik (Sensoren, Aktoren, Steuerungen usw.) zu finden. Hier gibt es verschiedene kommunikative Querverbindungen (D2D = Device-to-Device), z. B. OPC UA Pub/Sub oder IEEE TSN bzw. RFC 1006 bei älteren Steuerungen.

IT: Information Technology, auch Business-Ebene oder Office Floor-Technik. Die Welt der SCADA-, MES- und ERP-Systeme. In diesem Unternehmensbereich werden Daten ausgewertet und sowohl operative als auch strategische Entscheidungen getroffen. Vielfach erfolgt auch die zentrale Speicherung aller relevanten Produktionsdaten in der IT-Domain.

CT: Cloud Technology. Hier findet man die Partner-ERP-Systeme einer bestimmten Wertschöpfungskette, Smartphone-Apps usw., aber auch die in der Smart Factory hergestellten und bereits ausgelieferten Produkte (siehe „Connected Product“ in der CT-Domain der Abbildung), die nun von Anwendern irgendwo auf der Welt genutzt werden. In der Cloud existieren darüber hinaus auch spezielle Services (z. B. eine XML-datenbasierte Wettervorhersage), die von OT-/IT-Systemen und Devices genutzt werden.

Ein IGW/936 wird innerhalb der OT-Domain eingesetzt. Eine mögliche Aufgabe ist der Betrieb als Edge Gateway bzw. Edge Router (siehe erste Abbildung). Durch die vielfältigen Schnittstellen sowie flexiblen VPN- und Firewall-Konfigurationsmöglichkeiten kann zu Beispiel per 10/100/1000 Mbps LAN eine Verbindung in die IT-Welt geschaffen und gleichzeitig per LTE und MQTT/AMQP eine Public Cloud (also die CT-Domain) mit Daten versorgt werden. Die IGW/936-Softwarekomponenten, z. B. der OPC UA-Server und -Client ermöglichen SOA (Serviceorientierte Architekturen). Ein Beispiel wäre die Orchestrierung bestimmter Steuerungen einer Fertigungszelle, um sie von einem ERP-System aus als Verbund über eine SOA-Schnittstelle anzusprechen.



Ein IGW/936 oder IGW/935 kann aber auch im direkten Umfeld einer Device oder sogar als Device (z. B. als Smart Connected Sensor) zum Einsatz kommen. Neben der D2D-Kommunikation werden dann auch D2B (Device-to-Business)- und D2C (Device-to-Cloud)-Verbindungen unterstützt. Die entsprechende Funktionalität ist sowohl in einem IGW/935 als auch im IGW/936 vorhanden. So ist beispielweise ein OPC UA-Server in Richtung IT-Domain und AMQP/MQTT oder REST zur CT- Kommunikation nutzbar.

Das Fazit: Die Anzahl der Kommunikationsprotokolle und Schnittstellen für eine Smart Factory-Anwendung wird in den nächsten Jahren durch die drei Domains zunächst einmal deutlich zunehmen. Da zu jeder Domain ein sehr umfangreiches Expertenwissen gehört, steigt auch die Systemkomplexität. Bis auf weiteres dürfte die Zusammenarbeit der Experten untereinander nicht sehr gut funktionieren.

Gruß KDW
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kdw



Joined: 05 May 2006
Posts: 1460

PostPosted: 19.11.2016, 22:09    Post subject: Mehr Funkverbindungen … Reply with quote

Hallo Forum.

Es wird in Zukunft zahlreiche direkte Funkverbindungen zwischen den Devices einer OT-Domain und speziellen Services in der Cloud geben (Device-to-Cloud = D2C). Ein Grund dafür dürften z. B. neue serviceorientierte Geschäftsmodelle (Everything as a Service) sein.

Dazu ein Beispiel: Ein zukünftiger Smart-Factory-Kunde möchte vielleicht gar keinen 3D-Drucker kaufen, sondern einen solchen Drucker lediglich als Service in seiner Fabrikhalle nutzen und über einen entsprechenden Vertrag für die Nutzung zahlen (beispielsweise je Betriebsminute).



Der 3D-Drucker-Anbieter wird dem Smart-Factory-Betreiber dann vermutlich einen Drucker aufstellen und über eine D2C-Wide-Area-Funkverbindung (s. g. LPWA-Funkverbindung, LPWA = Low Power Wide Area) mit einer Cloud verbinden. Per Funk wird dann mindestens einmal täglich ein Datensatz für die Abrechnung an die Cloud übermittelt. Gleichzeitig kann der Anbieter den Drucker überwachen (Condition Monitoring), um über eine proaktive Wartung einem eventuellen Ausfall zuvorzukommen.

Dieses Anwendungsbeispiel verdeutlicht, dass zukünftig immer mehr Systeme in der OT-Domain eine ab Werk eingebaute und vollständig vorkonfigurierte LPWA-Funkschnittstelle mitbringen und bereits bei der Inbetriebnahme den ersten Funkkontakt mit der Cloud bzw. dem ERP-System des jeweiligen Herstellers aufnehmen. Dafür werden u.a. die folgenden Standards eine Rolle spielen:

LoRa: Low Power Wireless-Netzwerktechnologie für lizenzfreie ISM-Frequenzen (z. B. 868 MHz in Europa). Es wird mit kleinen (adaptiven) Datenraten gearbeitet. LoRa ermöglicht Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen 2 km (im Stadtgebiet) über 15 km (Vororte) bis zu 40 km (in sehr ländlichen Gebieten). Die erforderliche Infrastruktur mit der Verbindung zum Internet kann der Anwender über eigene Gateways (z. B. LoRa-to-LTE) selber aufbauen. Es wird aber auch LoRa-Serviceprovider geben, die diese Aufgabe übernehmen. In einigen Ländern sind das sogar die etablierten Mobilfunkunternehmen, die über LoRa-Technologie eigene IoT-Netzwerkzugänge anbieten werden. Hinter LoRa steht die LoRa Alliance, die einen sehr großen Mitgliederzuwachs aus unterschiedlichen Bereichen zu verzeichnen hat.

Sigfox: Technologisch sehr ähnlich zu LoRa. Auch hier werden lizenzfreie ISM-Frequenzen benutzt. Die gesamte Sigfox-Technologie wird allerdings von einem einzigen Unternehmen vorangetrieben, dass 2009 gegründet wurde und von Investoren mit umfangreichen Finanzmitteln ausgestattet wurde. Dieses Unternehmen will zusammen mit Partnern auch die für Sigfox erforderliche Infrastruktur aufbauen. Bei lediglich 5 Millionen Euro Umsatz in 2015 und 190 Mitarbeitern dürfte das aber sehr schwierig werden.

NB-IoT (LTE Cat-NB1): Narrowband IoT oder auch LTE Cat-NB1. Basiert auf dem 3GPP-Release 13. Besonders stromsparende LTE-MTC-Technologie mit geringer Übertragungsbandbreite (180 kHz) in lizenzpflichtigen LTE-Frequenzen. Wird wohl in Europa die wichtigste LPWA-Technologie der etablierten Mobilfunknetzbetreiber werden. NB-IoT erfordert keine neue Infrastruktur, sondern nur Software-Updates der bestehenden Netzzugangspunkte.

eMTC (LTE Cat-M1): Ebenfalls ein Machine Type LTE-Standard für lizenzpflichtige LTE-Frequenzen auf Grundlage des 3GPP-Release 13. Besitzt eine höhere Übertragungsbandbreite (1,4 MHz) als NB-IoT und eignet sich grundsätzlich auch zur Sprachübertragung. Für eMTC ist innerhalb Europas ebenfalls mit einer breiten Unterstützung durch alle namhaften Netz-Provider zu rechnen. Um diese MTC-Technik zu nutzen, reicht es in der Regel aus, die bestehenden Mobilfunkstationen mit Software-Updates auszustatten

EC-GSM (EC-GPRS): Machine Type Communication in lizenzpflichtigen GSM-Frequenzen. Auch diese Technik basiert auf dem 3GPP-Release 13. Funktional und von der Bandbreite (200 kHz) in etwa vergleichbar mit NB-IoT. Für den Rollout dieser IoT-Funktechnik dürfte es ebenfalls ausreichen, Software-Updates in die bestehenden Mobilfunkstationen einzuspielen.

oneM2M Rel. 2 Specification: Das oneM2M Partnership Project, ein weltweiter Verbund für globale M2M- und IoT-Standards mit über 200 Mitgliedern aus der gesamten Mobilfunkwertschöpfungskette, hat erst vor wenigen Monaten eine neue Spezifikationen mit den relevanten LPWA-Kommunikationsprotokollen verabschiedet. Demnach funken zahlreiche OT-Systeme in Zukunft wohl per HTTP, MQTT, LWM2M und Websocket.

Gruß KDW
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kdw



Joined: 05 May 2006
Posts: 1460

PostPosted: 18.01.2017, 12:12    Post subject: LoRa-Funkverbindungen … Reply with quote

Hallo Forum.

Wenn sich auf einem größeren Betriebsgelände innerhalb der OT-Domain mehrere Systeme befinden, die hin und wieder per Funk ein paar Zustandsdaten an eine Cloud übermitteln müssen, lassen sich mit Hilfe lizenzfreier LPWA-Funktechnologie deutliche Kosteneinsparungen für SIM-Kartengebühren erzielen.

Ein einziges LoRa-Gateway (z. B. LoRa-to-4G) mit einer SIM-Karte reicht aus, um beispielsweise vielen hundert Sensoren die Datenweitergabe an die Cloud zu ermöglichen. Die Devices können auf Grund der geringen Stromaufnahme mehrere Jahre mit derselben Batterie betrieben werden. Sie benötigen keine SIM-Karte.

Wenn also lediglich zwei Devices per LoRa mit einem LoRa-to-4G-Gateway kommunizieren, haben sich die SIM-Kartenkosten im Idealfall schon halbiert.



Die Abbildung zeigt das Zusammenspiel der Komponenten. Einzelne Devices in einer OT-Domain sind am Edge-Gateway vorbei direkt per 868 MHz-Funkverbindung mit einem LoRa-Gateway verbunden. Da der 868-MHz-Fequenzbereich als ISM-Band gilt, fallen für die Nutzung keine Lizenzgebühren an.

Das LoRa-Gateway selbst ist z. B. mittels LTE (4G-Mobilfunk) mit dem Internet verbunden. Es leitet die per LoRa-Funkschnittstelle von den Devices erhaltenen Daten mit Hilfe eines gängigen IoT-Protokolls (MQTT, REST/HTTP, OPC UA) an einen Cloud-Service weiter. Zuvor werden die Daten zunächst einmal in ein anderes Format gewandelt (z. B. JSON oder XML).

VG KDW
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