Wie kommen meine Prozessdaten in die Cloud?
In der modernen Industrie spielt die Erfassung und Nutzung von Prozessdaten eine entscheidende Rolle für die Effizienz, Qualität und Wartung von Maschinen. Die Integration von IoT und Cloud-Technologien ermöglicht es Unternehmen, diese Daten in Echtzeit zu sammeln und zu analysieren.
Wie aber kommen diese Betriebsdaten nun von der Maschine in die Cloud?
Dieser Beitrag erläutert, welche technischen Möglichkeiten bestehen, Maschinendaten auf der Shopfloor Ebene zu erfassen und in die Cloud zu übertragen.
Inhaltsverzeichnis
Übersicht & Grundlagen
Wir nehmen ein realistisches Szenario an, bei dem wir die Prozessdaten aus der Maschinensteuerung mittels einer geeigneten Schnittstelle abfragen.
Beginnen wir an der Stelle, an der die Prozessdaten entstehen bzw. ermittelt werden – am Sensor. Dieser misst eine physikalische Größe (z.B. Temperatur) und wandelt sie in ein elektrisches Signal um (z.B. elektrischen Widerstand).
Dieses Signal wird anschließend an die Maschinensteuerung übertragen. Die Übertragung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, z.B. über ein analoges Signal oder über ein industrielles Kommunikationsprotokoll.
Die Maschinensteuerung verarbeitet das Signal für die eigenen Steuerungsaufgaben und stellt es parallel dazu über eine Schnittstelle der Außenwelt zur Verfügung.
Die Prozessdaten stehen nun an der Steuerung bereit und können auf Basis von TCP/IP basierten Netzwerkprotokollen abgefragt werden – z.B. über Modbus TCP, ReST oder OPC UA (u. v. m.). Im Anschluss werden die Daten an eine Cloud gesendet.
Ihr möchtet Daten aus euren Maschine erfassen oder eure Anlagen vernetzen? Sprecht uns an – wir stehen euch mit Rat und Tat zur Seite.
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Datenerfassung an der Maschinensteuerung – IP basierte Schnittstellen
Mit der Datenerfassung beginnen wir nun an der Maschinensteuerung. Aus der Betriebsanleitung oder dem Handbuch geht hervor, welche Datenschnittstellen die Maschine hat und wie diese aktiviert werden können. Folgende IP basierten, industriellen Kommunikationsprotokolle werden beispielsweise gerne verwendet:
- Modbus (ModbusTCP)
- OPC UA
- ReST API über HTTP/HTTPs
Ebenso findet man im Handbuch Informationen darüber, welche Daten und Datenpunkte überhaupt an der Steuerung abgefragt werden können.
Nur weil eine Maschine einen bestimmten Sensor hat, bedeutet dies nicht zwangsläufig auch, dass das Signal bzw. der Messwert aus der Steuerung herausgeführt wird – dies ist eher selten der Fall, jedoch in der Praxis u.U. anzutreffen!
Welche Datenpunkte ausgelesen werden und mit welcher Frequenz diese Daten abgefragt werden, hängt vom konkreten Use Case ab. Entsprechend den Anforderungen wird dann ein Gateway ausgewählt und konfiguriert.
Konfiguration des Gateways
Je nach verwendetem Protokoll und Schnittstelle an der Maschine (siehe Markierung 1, 2 in der Abbildung) können die verfügbaren Datenpunkte auch direkt aus der Maschinensteuerung abgefragt werden und liegen dann ggf. sogar in einem branchenspezifischen Format vor (das ist z.B. bei OPC UA der Fall).
Das IoT Gateway wird auf die Schnittstellen und Protokolle der angebundenen Maschinen eingestellt und die Datenpunkt werden konfiguriert. Dies geschieht entweder über eine Konfigurationsdatei oder über ein Tool, das der Hersteller des Gateways bereitstellt.
Datenerfassung – nicht IP basierte Schnittstellen
Die Konfiguration des IoT Gateways ist prinzipiell immer identisch und nur bedingt abhängig von der Schnittstelle, mit der Daten aus der Maschinensteuerung ausgelesen werden.
Im vorigen Beispiel wurde das Vorgehen für Maschinen skizziert, die über eine IP basierte Schnittstelle (normales TCP/IP Ethernet, LAN) verfügen.
Nicht jede Maschinensteuerung bietet die Möglichkeit der IP basierten Datenabfrage. Es gibt weitere Schnittstellen, die beispielsweise auf einen klassischen industriellen BUS setzen, wie z.B. RS485 mit Modbus RTU oder ASCII (vgl. Markierung 4, 5).
Maschinendaten darüber auszulesen ist ebenfalls komfortabel machbar. Das eingesetzte IoT Gateway muss diese Schnittstelle lediglich unterstützen. Die Konfiguration erfolgt ebenfalls wie im vorigen Szenario beschrieben.
Datenerfassung – mixed: IP basiert und nicht IP basiert in einem Gateway
Auch die Anbindung von mehreren Steuerungen oder Maschinen mit unterschiedlicher Schnittstelle ist möglich – solange das eingesetzte Gateway alle Protokolle unterstützt.
Wir bei Siincos wählen die benötigten Gateways individuell aus und konfigurieren die Schnittstellen entsprechend der Anforderung. Die Datenerfassung und der Upload in die Cloud erfolgt ebenfalls projektspezifisch.
Übertragung in die Cloud
Im nächsten Schritt schauen wir uns die Datenübertragung in die Cloud an (siehe o.g. Markierung 3). Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten, wir schauen uns zwei davon an:
- Daten in Echtzeit an die Cloud pushen
- Daten lokal auf dem IoT Gateway vorverarbeiten oder cachen
Die Übertragung vom Gateway zur Cloud benötigt lediglich eine Internetverbindung, wie diese bereitgestellt wird spielt eine untergeordnete Rolle. Das lokal verfügbare Ethernet/LAN ist ebenso eine Möglichkeit wie die Verwendung eines LTE/5G Gateways und damit die Nutzung des Mobilfunknetzes.
Daten in Echtzeit an die Cloud pushen
Dies ist der einfachste Use Case – die von der Maschine abgefragten Daten werden direkt ohne Verarbeitung und Caching an die Cloud gesendet. Die Übertragung erfolgt (quasi) in Echtzeit und dauert nur wenige Sekunden.
Daten lokal auf dem IoT Gateway vorverarbeiten oder cachen
Die zweite Möglichkeit ist die Vorverarbeitung der Daten auf dem IoT Gateway. Dies kommt dann in Betracht, wenn man die Betriebsdaten aus der Maschine lokal interpretieren oder analysieren möchte – bevor diese in der Cloud landen.
IoT Protokolle und IT-Sicherheit
Neben der Art und Weise, wie die Daten gepusht werden, spielt das IoT Protokoll eine Rolle, das die Cloud vorgibt. Dieses muss auf dem Gateway implementiert werden, damit Cloud und IoT Gateway "miteinander sprechen" können. Es gibt viele offene Protokolle, am häufigsten trifft man auf MQTT und ReST über HTTP.
Unsere Siincos Cloud und Gateways unterstützen sowohl MQTT und HTTP, beides sicher und verschlüsselt.
Ein weiterer, enorm wichtiger Punkt ist in diesem Szenario die IT-Sicherheit, da die Datenübertragung über das Internet erfolgt. Verschlüsselung und gegenseitige Authentifizierung von Gateway und Cloud sowie der einzelnen Nachrichten sind nur ein paar der Mechanismen, die unbedingt umgesetzt werden sollten.
Die direkte oder indirekte Anbindung von Maschinen an das Internet kann erhebliche Sicherheitsrisiken mit sich bringen. Aus diesem Grund empfehlen wir vorab eine sorgfältige Risikoanalyse und die Umsetzung der sich daraus ergebenden Maßnahmen, wie z.B. Segmentierung von Netzen, Hardening von IoT Gateways und Steuerungskomponenten. Gerne erledigen wir das für euch! Sprecht uns an .
