M2M-Kommunikation IIoT: Mobilfunknetze lassen Maschinen miteinander sprechen

Von Martin Giess *

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In modernen Fabriken steuern sich Maschinen und Geräte gegenseitig. Voraussetzung dafür sind Machine-to-Machine-SIMs, die eine Netzbetreiber-unabhängige Datenkommunikation ermöglichen.

Evolution: 
Die winzigen MFF2-Embedded-SIM sind 
für Automotive-Anwendungen vorgesehen.
Evolution: 
Die winzigen MFF2-Embedded-SIM sind 
für Automotive-Anwendungen vorgesehen.
(Bild: EMnify)

Große Fabriken und Industrieanlagen finden sich auf der ganzen Welt – verteilt auf Wüsten, ländliche Regionen oder zu 100 Prozent erschlossenen urbanen Gebieten. Wer jetzt an die Maschinenstadt aus dem Film Matrix denkt, liegt im Kern nicht so falsch: Moderne Industrieanlagen sind ein Konstrukt aus Maschinen, die automatisiert miteinander agieren können. Sie optimieren Prozessabläufe weitgehend ohne menschliches Eingreifen. Der Schlüssel zu diesem koordinativen Verhalten ist eine permanente und ausfallsichere Kommunikation, ermöglicht durch Technologien des Industrial Internet of Things (IIoT). Das IIoT kombiniert zwei der wichtigsten Technologietrends unserer Zeit: Internet of Things und Industrie 4.0. Es verbindet lernfähige Maschinen aus der Industrie 4.0 mit Sensorik, Big-Data- und Automatisierungstechnologien aus dem IoT-Bereich. Während herkömmliche IoT-Netzwerke über LAN und Wi-Fi mit dem Internet verbunden sind, nutzen IIoT-Technologien in der Regel Mobilfunknetze als Basis der Kommunikation. Das hat Vorteile für Fabriken und Produktionsanlagen.

Einer der wichtigsten Durchbrüche in der Entwicklung von IIoT-Lösungen war die Optimierung der Energieeffizienz von IoT-Sensoren. Lange Zeit benötigten IoT-Geräte sehr viel Strom, wodurch ihre Nutzung auf Anwendungen beschränkt war, die Zugang zum Stromnetz haben. Heute ist die Sensortechnik so weit, dass ausreichende Datenmengen auch über größere Entfernungen übertragen werden können, ohne Batterien schnell zu entladen. Damit können Mobilfunknetze auch beim IIoT ihre Vorteile entfalten und ausreichenden Datenfluss in einer global verbreiteten Infrastruktur ermöglichen. Die Netze bestehen entweder schon oder lassen sich als private Netzwerke unkompliziert und schnell aufbauen. Doch erst mit der Entwicklung passender Sensoren wurde es möglich, diese Netze auch dauerhaft und ausfallsicher für Maschinen-Kommunikation nutzbar zu machen. In den Sensoren stecken netzunabhängige SIM-Karten. Im Einsatzgebiet wählen diese automatisch das Netz mit dem stärksten Signal aus und können so in jeder Region eine Verbindung zum Internet of Things herstellen – unabhängig von Netzbetreibern, LAN oder Wi-Fi. Hersteller können also am Produktionsort ihre Geräte mit einer einzigen SIM-Karte bestücken, bevor sie an ihren Bestimmungsort verschickt werden. Damit wird die Einsatzfähigkeit innerhalb des Internet of Things in jedem Land und jeder Region der Erde gewährleistet.

Robuste SIM-Karten speziell für Maschinen

Auch Predictive Maintenance profitiert von Mobilfunk-basierter IoT-Konnektivität. Rohstoffe werden häufig in abgelegenen Regionen abgebaut, in denen Wi-Fi entweder gar nicht oder nur unzuverlässig nutzbar ist. SIM-Karten ermöglichen auch bei fehlender Breitbandverbindung die Übertragung von Daten, die nicht nur der direkten Kommunikation und Abstimmung dienen: Die übermittelten Informationen geben ebenfalls Aufschluss über den Zustand von Maschinenteilen, beispielsweise eines Bohrkopfes in einer Ölförderanlage. Drohende Ausfälle oder Abnutzungen können so erkannt und behoben werden, bevor sie tatsächlich eintreffen. Werden Ausfälle aufgrund fehlender Kommunikation erst zu spät erkannt, können diese Lieferzeiten teils zu teuren Produktionsausfällen führen. Ein weiterer Anwendungsbereich sind Smart Grids, landesweite und grenzüberschreitende Stromnetze, die Energieflüsse überwachen und intelligent managen. Hier kann IIoT-Konnektivität vernetzte dezentrale Erzeuger, Verbraucher, Speicher sowie den Stromkonsum von mobilen Geräten lückenlos erfassen.

Im Vergleich zu den gigantischen Anlagen, die sie steuern, sind die Sensoren, die diese Art Kommunikation ermöglichen, denkbar winzig: Machine-to-Machine-SIMs (M2M-SIMs) sind nicht größer als normale Smartphone-SIM-Karten. Sie verbinden IoT-Anwendungen mit Mobilfunknetzen, wo sie ein austauschbares Protokoll zum Senden und Empfangen von Daten verwenden können. Durch die hohen Belastungen, denen Industrieanlagen dauerhaft ausgesetzt sind, müssen auch die M2M-SIMs deutlich mehr aushalten- als herkömmliche Consumer-SIMs für Mobiltelefone. Obwohl solche herkömmlichen SIMs auch in M2M- oder IoT-Geräten funktionieren würden, sind sie primär für den normalen, alltäglichen Gebrauch konzipiert und halten raueren Betriebsumgebungen nicht stand. Außerdem ist es schwierig, auf sie zuzugreifen und sie aus der Ferne zu verwalten. M2M-SIMs sind speziell darauf ausgelegt, um genau solche Anforderungen zu erfüllen.

Sowohl klassische Verbraucher- als auch M2M-SIMs gibt es in verschiedenen Formfaktoren (FF), darunter 2FF, 3FF und 4FF sowie MFF2 (Embedded SIM). M2M-SIMs für Kraftfahrzeuge gibt es nur im MFF2-Formfaktor. M2M-SIMs werden aus Materialien hergestellt, die den Betrieb in rauen Umgebungen mit extremen Temperaturen und Vibrationen ermöglichen, z. B. in Wüsten, arktischem Klima und fahrenden Fahrzeugen. Varianten, die für den Einsatz in der Industrie und in Fahrzeugen konzipiert sind, können Temperaturen von –40 °C bis +105 °C standhalten. Die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion, Vibration und Stöße wird dank Embedded SIMs erreicht. Außerdem können M2M-SIMs mit einer höheren Speicherkapazität ausgestattete sein und mit mehr als zehn Jahren eine deutlich längere Lebensdauer als klassische SIMs haben.

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5G ermöglicht Cloud-native Netzwerkarchitekturen

Genau wie IoT und Industrie 4.0 gehört auch die Cloud zu den wichtigsten Technologien, die wir heute haben, und ihre Bedeutung wird in den kommenden Jahren noch einmal stark wachsen. Darüber hinaus ist sie ein unverzichtbarer Bestandteil der Industry 4.0: Smarte Industrieanlagen bauen Automatisierung und intelligente Algorithmen auf Unmengen von Daten auf – sie sind das Lebenselixier der Anlagen. Die Cloud ermöglicht es, diese Daten sicher zu speichern und an jedem Punkt der Wertschöpfungskette abrufbar zu machen. Auch wenn Anwendungen, die das industrielle Internet of Things nutzen, nicht unbedingt Cloud-Technologien benötigen, bietet die Integration der Cloud auch in IIoT-Anwendungen erhebliche Vorteile. Sie ermöglicht einen leichten Fernzugriff, eine bessere Datenverarbeitung und erhöht die Sicherheit. Mit den passenden Netzwerktechnologien lassen sich einzelne Endpunkte überall dort platzieren, wo sie Daten sammeln und in die Cloud übertragen können, um sie nahezu in Echtzeit zu verarbeiten. In der Vergangenheit gab es eine Diskrepanz zwischen IoT- und Cloud-Lösungen. Frühe IoT-Implementierungen konnten ihr volles Potenzial nicht ausschöpfen und waren nicht in der Lage, alle Möglichkeiten der Cloud zu nutzen. Das lag daran, dass Anwendungen, Software und Systeme zwar in der Cloud gehostet wurden, die Konnektivität aber immer noch über herkömmliche Mobilfunkverträge und -verbindungen der Betreiber bereitgestellt wurde. Die Einführung von 5G ändert dies. Durchgängige, Cloud-native Netzwerkarchitekturen werden leicht realisier- und finanzierbar, so dass Unternehmen die Agilität, Skalierbarkeit, Belastbarkeit, Elastizität und Wirtschaftlichkeit der Cloud mit viel geringeren Latenzen voll ausschöpfen können.

* Martin Giess ... ist CTO und Mitgründer von EMnify in Berlin.

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