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= Internet of Things =


Das Internet of Things ist bereits allgegenwärtig. Alle sprechen davon, dass Geräte immer mehr untereinander vernetzt werden, Daten geteilt und weiterverarbeitet und neue Geschäftsmodelle damit erst möglich werden. Wenn man allerdings über Details redet, entstehen manchmal Missverständnisse über die einzelnen Komponenten bzw. Technologien und was sie zum Gesamtsystem beitragen. Grundsätzliche werden die Daten in IoT Anwendungsfällen an einer beliebigen Stelle erfasst und in der Regel an eine zentrale Plattform weitergeleitet. Auf dem Weg zur Plattform können die Daten über unterschiedliche Protokolle und physikalische Schnittstellen transportiert werden oder zur Anzeige gebracht werden. Im Folgenden haben wir mal einige Begriffe aus der IoT Welt genommen und kurz erklärt.

    '''Allgemeine IoT- bzw. IT Begriffe'''
    '''Begriffe im industriellen Umfeld'''
    '''Kommunikationstechnik / Protokolle'''

=== Allgemeine IoT bzw. IT Begriffe ===
==== API ====

Eine API (Application programming interface, Programmierschnittstelle) ist die Schnittstelle eines Softwaresystems, die bei Ausführung des Programms anderen Systemen als Möglichkeit der Interaktion zur Verfügung gestellt wird. Beispielsweise können IoT Plattformen mit einer API eine einheitliche Schnittstelle für das Einspeisen von Messwertdaten oder sonstigen Interaktionen bereitstellen.

 
==== Digital Twin ====

Ein digitaler Zwilling ist ein digitales Abbild eines materiellen oder immateriellen Objekts oder Prozess’ aus der realen Welt. Dabei kann es sein, dass das Objekt real noch nicht existiert (bspw. ein zu fertigendes Produkt in einer Fabrik). Dieses Abbild kann über reine Daten hinaus auch Dienste, Simulationen oder Algorithmen bereitstellen, die das Objekt beeinflussen oder beschreiben können. Für die Implementierung eines digitalen Produkts ist der Zwilling unabdinglich, da über ihn Services angeboten und abgebildet werden können, die datenbasiert arbeiten und erheblichen Einfluss auf die Wertschöpfung bspw. in Industrieprozessen haben können. Durch Simulation bspw. in CAD Systemen können Eigenschaften eines zu fertigenden Produkts im Voraus abgeschätzt werden und die Produktionskosten und Fehlerquoten durch die Einsparung von Prototypen stark reduziert werden. Darüber hinaus können im Lebenszyklus auch nach der Herstellung eines Produkts digitale Dienste dafür angeboten werden, die Einfluss auf die Wertschöpfung haben.

 
==== Edge Computing ====

Edge Computing bezeichnet die Verarbeitung von Daten am Rand des Netzwerks (engl. “edge”). Es gibt unterschiedliche Auslegungen, wo genau dieser Rand ist. Für Telekommunikationsnetzbetreiber befindet sich “EDGE” i. d. R. in den Vermittlungsstellen oder an Sendemasten von Mobilfunksystemen (Mobile EDGE Computing), also am Rand des Providernetzwerks. Für IoT Anwendungsfälle bedeutet EDGE Computing meist die Verarbeitung von Daten auf einem nahegelegenen Gateway (“Edge device”) an der Grenze zum Internet/WAN, das gleichzeitig so viel Leistung bereithält, das neben der reinen Weiterleitung von Daten ggf. auch erweiterte Funktionen wie Aggregation oder KPI Berechnungen bis hin zur Ausführung von KI Modellen übernommen werden können.

 
==== Bussystem ====

Ein Bussystem ist ein Kommunikationssystem, das es durch Protokolleigenschaften und physikalische Zusammenschaltung mehrerer Systeme ermöglicht, dass mehr als 2 Teilnehmer auf der gleichen physikalischen Verbindung Daten übertragen können. Die Komplexität besteht darin es abzusichern, dass keine anderen Teilnehmer Daten senden, wenn bereits eine Übertragung angefangen hat (Kollision). Bekannte Beispiele sind CAN Bus, vorwiegend in Fahrzeugen verwendet und verschiedene Industriebussysteme (bspw. Modbus), die meist auf der physikalischen Schnittstelle RS485 basieren.

 
==== Gateway ====

Ein Gateway ist im Allgemeinen ein System, das zwischen unterschiedlichen Kommunikationspartnern/-systemen oder Netzen vermittelt und teilweise auch Daten transformieren kann. Beispielsweise kann ein IoT Gateway die Daten aus unterschiedlichen Geräten über unterschiedliche Protokolle (im Industrial IoT bspw. Maschinendaten aus OPCUA Servern) beziehen und mit Hilfe eines speziellen Protokolls an eine Cloudplattform weiterleiten. Durch die Vielfalt an Protokollen und physikalischen Schnittstellen und der entsprechend komplexen Kombinationsmöglichkeiten gibt es auch eine große Anzahl von Gateways.

 
==== Integration ====

Integration ist ein Oberbegriff für die Anpassung von Systemen an ihre Betriebslandschaft. Das kann die einfache Inbetriebnahme eines IoT Gateways bei einem Industriekunden sein oder die Anpassung von Schnittstellen an die Kundenumgebung – also auch die Entwicklung von Software für den speziellen Anwendungsfall eines Kunden.

 
==== IoT Plattform ====

Eine IoT Plattform ist eine Softwarekomponente, die meistens als Cloudservice verfügbar ist. Sie bietet verschiedene Funktionen an, die im Bereich von IoT Anwendungsfällen benötigt werden. Diese Funktionen reichen vom einfachen Devicemanagement mit der Möglichkeit von Konfigurationsänderungen, Firmwareupdates oder Kommandogenerierung bis hin zur Darstellung von Messdaten und Alarmen. Weitere Features können die Generierung von KPIs aus den Daten und die Reaktion auf bestimmte Vorkommnisse (Schwellwertüberschreitung, Locationupdates etc.) mit bspw. Messaging o. ä. sein. Der Vorteil der Verwendung von IoT Plattformen ist die verfügbare Basisfunktionalität. Das bedeutet, dass bei der Implementierung des eigentlichen Anwendungsfalls die Standard Anwendungsfälle nicht alle extra noch implementiert werden müssen, sondern man sich auf den speziellen Anwendungsfall konzentrieren kann.

 
==== Cumulocity IoT ====

Cumulocity IoT ist die IoT Plattform der Software AG. Durch die Komplexität von IoT Anwendungsfällen ist es sinnvoll, auf Plattformen mit Basisfunktionen zurückzugreifen, um in der Entwicklung eines kompletten Anwendungsfalls Aufwände zu sparen. Die Cumulocity bietet dabei eine einfache API, eine große Anzahl kompatibler Geräte und gleichzeitig die Möglichkeit mit den Webapplikationen direkt Visualisierungen zu realisieren, ohne zu programmieren. Für komplexere Anwendungsfälle gibt es außerdem die Möglichkeit das User Interface zu erweitern oder komplett eigene Apps zu entwickeln, sowie spezielle technische Berechnungen oder Anpassungen in einen eigens entwickelten Microservice auszulagern.

 
==== Dashboard ====

Ein Dashboard ist eine visuelle Darstellung verschiedener KPIs oder Messwerte, bezogen auf einen bestimmten Anwendungsfall. Das bedeutet, dass die Art des Dashboards und der genutzten Darstellungen sehr stark domainabhängig sind und der Kenntnis sowohl des Nutzerkreises sowie ggf. auch domainspezifischer Begriffe bedürfen.

 
==== Widget ====

Ein Widget ist eine Komponente in einem grafischen Fenstersystem oder auch einer Webapp, die einen bestimmten Zweck erfüllen soll. Widgets werden in eine bestimmte Umgebung eingebettet und sind insofern keine eigenen Programme. Bspw. gibt es Widgets für Android OS, welche dann auf der Oberfläche des Telefons angezeigt werden, oder Widgets, die für eine IoT Plattform unter Zuhilfenahme eines Web App Frameworks entwickelt werden. Diese können dann in sogenannten Dashboards angeordnet werden und für die Visualisierung bspw. von Parametern einer Anlage oder eines Prozesses verwendet werden.


=== Begriffe im industriellen Umfeld ===

==== IIoT ====

Industrial IoT ist ein Teilbereich des Internet of Things, bei dem es um Industrieanwendungen geht. Im Industrieumfeld wird IoT für die Erfassung von Daten aus Produktionsmaschinen genutzt. Genauso dient es dem Tracken von mobilen Gegenständen (bsp. Paletten oder Warenträgern in der Intralogistik oder Containern in der globalen Logistik) oder der Überwachung von Umgebungsparametern wie der Temperatur von verderblicher Ware oder Gefahrgut.

 
==== HMI ====

Ein Human-Machine-Interface (Mensch-Maschine-Schnittstelle) ist die Stelle oder Handlung, mit der ein Mensch mit einer Maschine in Interaktion tritt. Das kann im einfachsten Fall ein Lichtschalter sein, in komplexen Fällen Computersysteme, die dem Menschen Informationen bereitstellen und/oder Einfluss auf ein System durch Eingabe von Daten oder Aktionen (Drücken eines Knopfs) ermöglichen.

 
==== BDE ====

Als Betriebsdatenerfassung bezeichnet man die Ist-Datenerfassung von Daten über Prozesse und Zustände in einem Unternehmen. Die zu erfassenden Daten reichen dabei von organisatorischen Daten wie Auftrags- und Personaldaten bis zu technischen Betriebsdaten wie Maschinen- und Prozessdaten. Bei der Erfassung von Maschinendaten sind im Industrieumfeld meistens die Sensoren oder Steuerungen an IT Systeme angebunden, um die jeweiligen Daten abzugreifen. Neben dieser speziellen Maschinendatenerfassung, können Betriebsdaten jedoch auch über spezielle Terminals (bspw. Zeiterfassung für Mitarbeiter), Bildschirmarbeitsplätze (bspw. mit Produktionsplanungssystemen) oder manuell auf Papier (bpsw. ausgedruckte Excellformulare) erfasst werden.

 
==== MDE ====

Die Maschinendatenerfassung sorgt als Teil der Betriebsdatenerfassung dafür, das relevante Daten über Prozesse oder Produktionen direkt an den zugehörigen Maschinen erfasst werden. Die Steuerungen der Maschinen müssen dazu entsprechende Schnittstellen bereitstellen, damit die Daten an die IT des Unternehmens weitergegeben werden können. Ein Beispiel für eine Standardschnittstelle ist OPCUA, bei dem mit einem Client Server Prinzip Daten direkt aus den Maschinensteuerungen durch Industrie PCs mit entsprechender Software abgerufen werden können. Diese automatische Datenerfassung direkt an der Quelle sorgt für bessere Datenqualität und schnellere Verfügbarkeit von relevanten Daten, und damit für eine größere Transparenz ggü. manuellen Erfassungsprozessen wie bspw. Papierformularen.

 
==== M2M ====

Anstatt Machine-to-machine (M2M) wird heute meist der Begriff IoT verwendet. Die Bezeichnung steht für den Datenaustausch zwischen Maschinen, Geräten und Anlagen auf direktem Wege oder über eine zentrale Plattform. Anwendungsfälle sind bspw. Fernüberwachung, -wartung und -kontrolle von Maschinen, teilweise auch über Mobilfunknetze. M2M wird auch als Telemetrie bezeichnet. Die meisten heutigen Anwendungsfälle arbeiten mit dem Ansatz einer zentralen Plattform, die die Geräte verwaltet und entsprechende Daten weiter leitet oder Aktionen ausführt.

 
==== OEE ====

Die “Overall Equipment Efficiency” (dt. “Gesamtanlageneffektivität” – GAE) ist eine dimensionslose Kennzahl zur Beschreibung der Effektivität einer industriellen Anlage. Sie berechnet sich aus dem Produkt aus den drei Faktoren Verfügbarkeitsfaktor, Leistungsfaktor und Qualitätsfaktor. Der Verfügbarkeitsfaktor wird dabei als Quotient aus Durchschnittswert der Zeit zwischen Ausfällen und Durchschnittswert der Zeit zwischen Ausfällen + Durchschnittswert der Wiederherstellungszeit berechnet. In der Erfassung des Verfügbarkeitsfaktors muss jedes Unternehmen eine Regelung über die Genauigkeit treffen, da der Aufwand für sekundengenaue Begründung eines Ausfalls zu hoch ist. In der Praxis wird meistens mit 1-5 Minuten Erfassung gearbeitet. Darüber hinaus muss festgelegt werden, wie Rüstzeiten in die Berechnung eingehen sollen, da diese Entscheidung unterschiedlich auf die Produktionsplanung Einfluss nimmt. Einerseits wird bei der Erfassung die Produktionsplanung zur Zusammenfassung von Losen motiviert, um die GAE zu erhöhen. Es entsteht aber auch parallel das Bedürfnis, Rüstzeiten allgemein zu reduzieren. Andererseits führt ein Weglassen der Rüstzeiten dazu, das Störungen unrichtigerweise als Rüstzeiten erfasst werden. Der Leistungsfaktor wird als Quotient aus Istleistung und Sollleistung, bspw. Produzierte Menge pro Stunde berechnet. Der Qualitätsfaktor berechnet sich als Quotient aus der Anzahl produzierter Teile – Anzahl Nacharbeit – Anzahl Ausschussteile und der Anzahl Produzierter Teile.

 
==== OEM ====

Ein Original Equipment manufacturer (OEM) ist der Hersteller von Komponenten oder Produkten, die er selbst nicht in den Einzelhandel bringt. Ein Beispiel hierfür sind Fahrzeughersteller. Der deutsche Begriff “Erstausrüster” wird allerdings auch für Zulieferer der Fahrzeugindustrie verwendet, die Teile für die Fertigung der Fahrzeuge liefern. In der Softwareindustrie werden “OEM” Versionen meist mit reduziertem Funktionsumfang vertrieben und sind ggf. an Hardware gebunden. OEM Hardware bezeichnet das Relabeling von Produkten (bspw. MEDION). Hier wird die Hardware nach Fertigung ebenfalls durch jemand anderen verkauft. Ein anderes Beispiel ist ASUS, das Mainboards für Komplett PCs fertigt und ggf. auch spezifische Modifikationen (bspw. Bootlogo des Komplett PC Herstellers) implementiert. Der Hersteller des Komplett PCs bringt die Ware in Umlauf, ASUS ist OEM.

 
==== Predictive Maintenance ====

Im Gegensatz zu “preventive maintenance” (Wartung mit periodischer Inspektion) bedeutet “predictive maintenance” eine vorausschauende Wartung, die auf ein stetiges Monitoring der Arbeitsbedingungen der zu wartenden Komponente angewiesen ist. Hierzu können bspw. mit Hilfe von IoT Technologien und entsprechend abgeleiteten KPIs ständig Werte überwacht werden, deren Verlauf auf eine notwendige Wartung hinweisen können. Die Schwierigkeit besteht in der Wahl der zu überwachenden Parameter, da die Kosten für die Erfassung, Speicherung und Analyse der einzelnen Parameter hoch werden können und es keine eindeutige Sicherheit gibt, ob die definierten Parameter ausreichen, um den Ausfall einer Komponente hinreichend genau abzubilden. Die wichtigste Grundlage für predictive maintenance ist daher die Sammlung von Daten über den Kontext der Komponente, welche nicht nur aus der Komponente kommen können, sondern auch Randbedingungen (bspw. Witterungsbedingungen, Staubgehalt in der Luft, chemische Zusammensetzung von Medien bei verschleißbehafteten Komponenten usw.) einschließen. Predictive maintenance setzt keine Nutzung von KI Technologie voraus, durch die Datenfülle kann jedoch über KI Algorithmen ein System trainiert werden, was durch Labeling von bekannten Fehlerfällen Rückschlüsse auf die Entwicklung der aufgenommenen Parameter erlaubt, und damit in der Zukunft (zumindestens im Rahmen der Datenmenge der aufgenommenen Parameter) liegende Fehlerfälle genauer vorhersagen kann als das anfangs durch Menschen definierte Bewertungssystem. Der Mehrwert besteht in der Maximierung der Standzeit der Komponente bei gleichzeitiger Ausfallvermeidung.

 
==== MES ====

Ein Manufacturing Execution System (dt. auch “Produktionsleitsystem”) ist ein Teil eines Fertigungsmanagementsystems. Es operiert als prozessnahe Ebene und ist somit für die Produktionssteuerung verantwortlich. Durch die direkte Anbindung an die Systeme der Prozessautomatisierung wird die Fertigungskontrolle in Echtzeit ermöglicht. Über diese Anbindung werden außerdem relevante Daten erfasst, die für die Optimierung der Fertigungsprozesse und Fehlererkennung genutzt werden können. Dem MES ist in der Regel ein ERP System übergeordnet, welches die Produktion plant und diese Planungsdaten bereitstellt. Das MES kann dann mit seiner Anbindung an die Prozessebene für die Umsetzung der geplanten Prozesse / Produktionsschritte sorgen.


=== Kommunikationstechnik / Protokolle ===

==== LoRaWAN ====

Long Range ist ein proprietärer Funkstandard von Semtech, der speziell die Kommunikation mit einer geringen Bandbreite für die Erfassung bspw. von Sensordaten über große Distanzen ermöglicht. Durch die verwendung niedriger Frequenzen ist zudem eine hohe Durchdringung von Gebäuden möglich. LoRa arbeitet im freien SRD Spektrum und ist daher nicht exklusiv lizenzgebunden. D.h. jeder kann prinzipiell ein LoRa Netz aufbauen. Dazu wird die Funktechnik mit Semtech Chips in Geräten und Gateways verbaut. Die Gateways schicken die Daten an ein zentrales Backend, welches für die Implementierung von IoT Anwendungsfällen angebunden werden muss (d.h. es ist keine IoT Plattform, sondern lediglich die Connectivity der Geräte). In Deutschland sind ca 3 größere Netze bekannt / im Aufbau: Unitymedia, Zenner und The Things Network. Anwendungsfälle von LoRa sollen geringe Datenmengen mit niedrigem Energieverbrauch haben, bspw. das Übertragen von wenigen Byte (bspw. Tank voll, Tank level, Öffnungskontakte) mit batteriebetriebenen Sensoren.

 
==== NB-IoT ====

NBIoT (Narrow Band IoT) ist ebenfalls eine Kommunikationstechnologie für IoT-Anwendungsfälle für große Distanzen. Im Gegensatz zu LoRaWAN arbeitet NBIoT im reservieren Spektrum von LTE und ist damit lizenzpflichtig. Neben Telekom und Vodafone gibt es mit 1nce einen weiteren Anbieter in Form eines MVNO (Mobile virtual network operator), der SIM Karten auf Basis der Telekominfrastruktur vertreibt und die Nutzung von NBIoT einfach und schnell ermöglicht. NBIoT ist ähnlich LoRaWAN für niedrige Bandbreiten und latenzunkritische Anwendungsfälle gedacht, also Sensornetzwerke oder Monitoringaufgaben mit geringem Datenaufkommen, bspw. Parksensoren.

 
==== M-BUS ====

Der Meter-Bus (M-Bus) ist ein Bussystem, welches für die Übertragung von Messdaten (Metering) und Steuerung von Komponenten in geringer Reichweite konzipiert ist. Es findet bspw. Anwendung bei der Erfassung von Messwerten von Stromzählern und anderen Medien im Zusammenhang mit Liegenschaften, bspw. bei Gas-, Wasser- und Wärmezählern. Es gibt auch eine drahtlose Variante (Wireless M-BUS).

 
==== MQTT ====

Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) ist ein offenes Übertragungsprotokoll für Maschinenkommunikation, das im Kontext des Internet of Things sehr oft angewendet wird. Der Vorteil liegt an der einfachen Anbindung von Geräten mit geringer Rechenleistung sowie an der starken Skalierungsfähigkeit des Systems. Das System basiert hierbei auf einer zentralen Komponente, dem “Broker”, welcher alle Verbindungen zu den Teilnehmern hält. Durch das “publish/subscribe”-Prinzip können sich unterschiedliche Teilnehmer selektiv auf Kommunikationskanäle (sog. “Topics”) aufschalten und durch Orchestrierung von Kommandos oder Daten können bestimmte Anwendungsfälle einfach abgebildet werden. MQTT bietet durch TLS Verschlüsselung auch eine Transportsicherheit und kann den Aufbau von IoT Anwendungsfällen mit vielen Geräten stark vereinfachen.

 
==== RFID ====

Radio Frequency identification bezeichnet ein Verfahren für die Identifikation von Gegenständen anhand von sog. Penis. RFID Tags oder auch “Transpondern”. Diese dienen der Identifikation oder Lokalisierung der Gegenstände, an denen Sie angebracht sind und können kontaktlos gelesen und teilweise auch beschrieben werden. Es gibt unterschiedliche Frequenzen und daraus resultieren unterschiedliche Anwendungsfälle. Man kann zwischen LF (Low Frequency) und HF (High frequency) Tags unterscheiden. Die LF Tags können nur auf eine geringe Entfernung (einige cm, induktiv) gelesen werden, während die HF Tags auch aus größeren Entfernungen (mehrere Meter, Funk) gelesen werden können. HF Tags können durch Triangulation mit Empfangsstärkewerten auch relativ genau lokalisiert werden. Das Tag benötigt keine Batterie und kann kostengünstig produziert werden (Beschreibbare Tags sind teurer). Es können einfache Marker bspw. zur Warensicherung in Kaufhäusern eingesetzt werden, oder echte IDs für Zutrittskontrollen oder Bezahlsysteme in Kantinen, wo die Daten auf jedem Tag tatsächlich unterschiedlich sind und bspw. dem Tracking von Gegenständen dienen können. Die Technologie basiert auf einem Backscatterprinzip, das heißt das Tag nimmt das Trägersignal des Lesers auf und generiert daraus eine mit den Daten des Tags modulierte Rückstrahlung, die der Leser interpretieren kann. Bei nur lesbaren Tags geschieht die Modulation bspw. über die Verwendung von akustischen Oberflächenwellen auf einem geeigneten Substrat. Das elektrische Signal des Lesers wird dabei durch die Antenne empfangen und induziert eine akustische Oberflächenwelle in das Substrat, die am Ende der Struktur reflektiert und von der gleichen Antenne wieder abgestrahlt wird. Die Modulation erfolgt durch die mechanische Gestaltung des Substrats und dient der Unterscheidung der Tags.


//Gruppe: NLDW
//Nico Loose und Daniel Wisner