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Funktechnologien: Schmalbandig ins Netz der Maschinen

Vernetzung von Maschinen via Narrowband-IoT-Funktechnologie
Schmalbandig ins Netz der Maschinen

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Vernetzung von Maschinen via Narrowband-IoT-Funktechnologie Das Industrial Internet of Things (IIoT) ist ohne digitale Vernetzung von Maschinen und Sensoren kaum denkbar. Dort wo kabelgebundene Vernetzung nicht möglich ist, kommen Funktechnologien ins Spiel. Hoch im Kurs steht derzeit 5G. Aber auch schmalbandige Funktechnologien wie Narrowband haben viele Vorteile.

Torsten Krüger
Texter/Konzeption bei der unlimited communications marketing GmbH, Berlin

Drahtlos können beispielsweise Maschinendaten erfasst oder der Standort und der Zustand von Gebinden in Just-in-time-Lieferketten bestimmt werden. Aber welche Funktechnologie eignet sich am besten für die Anforderungen des IIoT? 5G ist in aller Munde. Aber ist 5G immer die beste Wahl, wenn es um die digitale Vernetzung der am Produktionsprozess beteiligten Instanzen geht? Im 5G-Hype gerät fast in Vergessenheit, dass es beim IIoT und der Smart Factory oft gar nicht um größtmögliche Bandbreiten und maximale Geschwindigkeiten geht. Produktionsmaschinen werden keine hochauflösenden Fotos verschicken und Gabelstapler keine Echtzeit-Videodaten an Smartphones senden. Tatsächlich fallen bei Erfassung und Übermittlung von Maschinen- oder Logistikdaten vergleichsweise kleine Datenmengen an, bei denen die Übertragungsgeschwindigkeit kaum eine Rolle spielt.

Einsatzszenarien: Maschinendatenerfassung und Predictive Maintenance

Für eine effiziente Planung der Produktion und um Ausfälle zu vermeiden, ist es wichtig, stets aktuelle, zuverlässige Informationen über den Maschinenzustand zu haben. Die Überwachung von Fertigungsmaschinen auf Temperatur ermöglicht es beispielsweise, frühzeitig eingreifen zu können, wenn eine Maschine heiß zu laufen droht. Auch Daten über Werkzeugverschleiß können gut per Funk übertragen werden, etwa zu einem zentralen Produktionsleitstand.

Verbindungen per Funk ermöglichen auch ein effizientes Predictive Maintenance: Neue Maschinen sind oft mit Sensoren ausgestattet, die es ermöglichen, mittels bestimmter Algorithmen zu erkennen, wenn zum Beispiel ein Lager ausgeschlagen ist. Eine selbständige Meldung der Maschine per Funk beim Servicetechniker vermeidet dann einen unerwarteten, längeren Ausfall der Maschine. Auch Verbrauchsmaterialien wie Farben für Drucker können bei Unterschreitung einer definierten Vorratsmenge eine automatische Meldung zum Hersteller funken, mit der Aufforderung, dem Druckerbetreiber ein Angebot für neue Farbe zu machen.

Vernetzung auch außerhalb der Fabrikmauern

Insbesondere die Just-in-time-Produktion erfordert es, den Materialfluss jederzeit im Auge zu haben: Ist die Lieferung wie geplant unterwegs? Und wenn nicht: Wo hakt es? Ist die Palette vielleicht vom Stapler gefallen? Sind Schäden zu erwarten oder muss eine Ersatzlieferung eingeleitet werden? Funkmodule, die in die Gebinde integriert sind, ermöglichen es nicht nur, den Ort der Ware zu bestimmen. Per Erschütterungs- oder Temperatursensor kann auch der Zustand der Lieferung kontrolliert werden.

Mit kabelloser Vernetzung gelingt auch ein intelligentes Füllstands-Management von Stoffen, die nicht kontinuierlich verbraucht werden und nur unregelmäßig aufgefüllt werden müssen. So funkt beispielsweise ein Sensor in einem Tank auf dem Fabrikhof, wann ein bestimmtes Produktions- oder Betriebsmittel nachgeordert werden muss. Oder bei einer Flotte von E-Gabelstaplern wird der Ladezustand der Batterien per Funk überwacht. Solche Daten bieten eine verlässliche Grundlage für ein intelligentes Flottenmanagement, das dafür sorgt, dass zu keiner Zeit Engpässe bei der Verfügbarkeit von Staplern entstehen.

Narrowband IoT

Eines haben all diese Anwendungen gemein: Zur Datenübertragung genügen kleine Bandbreiten und geringe Geschwindigkeiten. Wichtig ist allerdings eine zuverlässige, robuste Übertragung, sowohl außerhalb als auch innerhalb von Gebäuden und – zum Beispiel für die Überwachung von Lieferketten – auch über größere Entfernungen. Genau hier schwächeln aber die drahtlosen Breitband-Technologien, inklusive 5G.

Schmalbandige Funktechnologie, allen voran Narrowband IoT (NB-IoT oder LTE Cat-NB1), deckt dagegen genau diese Anforderungen sehr gut ab. Niedrige Datenraten von maximal 250 kB pro Sekunde machen die Beschränkung der Träger-Bandbreite auf 200 kHz möglich. Niedrige Frequenzen im 800- und 900-MHz-Bereich sorgen für eine gute Gebäudedurchdringung und ermöglichen die Überwindung auch größerer Distanzen von bis zu 30 km.

Ein weiterer Trumpf: Narrowband-IoT verbraucht deutlich weniger Energie als andere Funkstandards. Für ein Palettentracking genügen daher kleine Batterien, mit denen sich Batterielaufzeiten von bis zu zehn Jahren erreichen lassen.

Zügiger Netzausbau

Auch das bereits gut ausgebaute Funknetz zählt zu den Vorteilen der Schmalbandtechnologie. Da NB-IoT auf dem LTE-Standard basiert, können LTE-Infrastruktur und LTE-Ressourcen wie Basisstationen, Antennen und das lizenzierte LTE-Spektrum mitgenutzt werden. Obwohl erst 2016 vorgestellt, konnte NB-IoT daher bereits in den USA und neun europäischen Ländern erfolgreich eingeführt werden. In den Niederlanden gibt es seit Mitte 2017 ein flächendeckendes Netz; Österreich und die Slowakei sind seit 2018 landesweit abgedeckt. Für Deutschland meldete Vodafone im August 2018 und die Telekom im Juni 2019, dass Narrowband-IoT in circa 90 % des jeweiligen LTE-Netzes verfügbar ist.

Plug & Run

Wie aber werden Maschinen NB-IoT-fähig? Eine sichere, schnelle und kostengünstige Lösung ist der einbaufertige Sensorknoten des Security-Spezialisten NewTec. Der NTSecureNode bündelt Sensordaten, puffert und filtert sie und funkt sie schließlich in verschlüsselter Form per NarrowBand IoT zum Server beziehungsweise in eine Cloud. Die Datenübertragung erfolgt dabei direkt, ohne dass eine teure zusätzliche Infrastruktur nötig ist.

Der Sensorknoten hat alles an Bord, was zur Vernetzung via NarrowBand IoT nötig ist. Übertragungsparameter, Datenkompression, Datenauswahl und Pufferung können über eine mobile App oder das Frontend der verbundenen Cloud konfiguriert werden. Darüber hinaus ist NTSecureNode mit Sensoren für Temperatur, Licht, Vibration, Feuchtigkeit, Druck und GPS-Lokalisation ausgestattet. Damit lassen sich die häufigsten Anwendungen ohne zusätzliche Hardware umsetzen. Für spezielle Anwendungen können weitere Sensoren angeschlossen werden.

Narrowband IoT ist sicher und zuverlässig

Für den erfolgreichen Einsatz ist es wichtig, dass die Daten unverfälscht und ohne von außen manipuliert werden zu können beim Empfänger ankommen. Narrowband IoT kann auch hier punkten, denn es stehen die im LTE-Standard implementierten Sicherheitsmechanismen zur Verfügung. Um sicherzugehen, dass die richtigen Geräte miteinander kommunizieren, werden sie beim Zugriff auf das NB-IoT-Netz über sichere Schlüssel verifiziert. Dabei kommen Verschlüsselungscodes von 128 bis 256 Bit zum Einsatz, mit denen die Datenübertragung per Ende-zu-Ende-Verschlüsselung vor potenziellen Angriffen geschützt wird.

Um den Verschlüsselungsvorgang so sicher wie möglich zu machen, sind die Security-Mechanismen beim NBSecureNode von NewTec bereits in der Hardware implementiert. Der Sensorknoten verfügt dazu über eine spezielle Crypto-Zelle, die verschiedene Verschlüsselungsalgorithmen und Protokolle unterstützt. Auch sichere Firmware-Updates over the Air sind so möglich.

Kontakt:

NewTec GmbH
Buchenweg 3
89284 Pfaffenhofen an der Roth
Tel.: +4973029611–0
www.newtec.de


5G und Narrowband IoT im Vergleich

5G:

  • Große Bandbreite zur Übertragung komplexer Daten wie zum Beispiel Echtzeit-Bilddaten
  • Hohe Geschwindigkeiten ermöglichen Übertragung in Echtzeit
  • Kurze Distanzen bis circa 500 m
  • Neue Technologie
  • Aufwendige Hardware
  • Hoher Energieverbrauch erfordert konstante Versorgung oder häufigen Akku-Austausch
  • Ein flächendeckender Netzausbau in Deutschland befindet sich erst am Anfang

Narrowband IoT:

  • Geringe Bandbreite zur Übertragung kleiner Datenpakete wie zum Beispiel Statusinformationen
  • Geringe Geschwindigkeit für nicht zeitkritische Datenübertragung
  • Weite Distanzen bis zu 30 km, durchdringt auch Mauern und Erdreich
  • Robuste, erprobte Technologie, die auf dem LTE-Standard beruht
  • Preiswerte Hardware (einfache Chipsätze, Massenfertigung)
  • Geringer Energieverbrauch, kann von kleinen, preiswerten Batterien mit Standzeiten bis zu 10 Jahren versorgt werden
  • In Deutschland flächendeckende Netzabdeckung, in vielen europäischen Ländern gute Netzabdeckung
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