PRODUKTINNOVATION DURCH IOT-PLATTFORMINTEGRATION - IOT/INDUSTRIE 4.0 - BEAM-VERLAG
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IoT/Industrie 4.0
Produktinnovation durch
IoT-Plattformintegration
Digitale Plattformen haben das Potenzial, sowohl ganze Branchen als auch Produkte vollständig zu verändern.
Trotz allem verhält sich die Anbieterseite in der Automatisierung nach wie vor sehr zurückhaltend, besonders
wenn es um IoT-Plattformintegrationen geht. Den Anwendern bleibt im Moment nur das IoT-Retrofitting.
möglicht und zum anderen die voll-
ständige Kontrolle für den gesam-
ten Gerätezugriff auf die IoT-Platt-
form gewährleistet.
Kommunikationsvielfalt:
Ein IoT-Hub muss mehrere Kom-
munikationsmuster unterstützen.
In der Praxis wird nicht nur der
Klassiker „Gerät-an-Plattform
anwendung“ als Kommunikati-
onsrichtung benötigt. Auch „Platt-
formanwendung-an-Gerät“ und
„Gerät-an-Gerät“ wird in vielen
Anwendungen benötigt. Dabei
sind selbstverständlich die unter-
schiedlichen Sicherheitsanforde-
rungen zu beachten. Datenübertra-
gungen von der Plattform zu einem
Gerät (also IoT-Device-Schreibzu-
griffe), sind auf jeden Fall deutlich
Die Problematik Bausteine einer Services und die Rules Engine wer- riskanter, als die Kommunikation
Der Funktionsumfang führen- IoT-Plattform den darüber hinaus Softwarebau- in umgekehrter Richtung.
der Cloud- und IoT-Plattformen IoT-Plattformen bestehen aus ver- steine (Anwendungen) entwickelt,
entwickelt sich seit einigen Jah- schiedenen Schichten, die je nach um die Einzelfunktionen der Stan- Skalierbarkeit:
ren in einem rasanten Tempo wei- Anbieter unterschiedlich ausgeprägt darddienste aufgabenbezogen mit- Im Extremfall muss ein IoT-Hub
ter. Geräte- und Maschinenherstel- sind. Trotz zum Teil völlig verschie- einander zu verknüpfen. auch mit Millionen gleichzeitig ver-
ler, die weiterhin darauf verzichten, dener Namensgebung lassen sich Durch den IoT-Hub hat die bundener Geräte sicher und zuver-
diese Funktionen für ihre Produkte in den meisten Plattformen funkti- gesamte Anwendung eine sternför- lässig funktionieren, die Zigmilli-
zu nutzen, verlieren umgekehrt pro- onal bedingt zumindest zwei Ebe- mige Topologie mit den einzelnen onen von Ereignissen je Sekunde
portional zu diesem Trend an Wett- nen identifizieren: Geräten als Endpunkten. Ein sol- erzeugen. Die Herausforderung
bewerbsfähigkeit. Insofern ist jeder 1. Für die Anbindung der einzel- cher Hub bildet die Verteilerfunk- ist dabei ein möglichst konstantes
in der Automatisierung, der Bau- nen Geräte, Sensoren und Aktoren tion zwischen allen Geräten einer Zeitverhalten für den Datendurch-
gruppen, Geräte oder Maschinen (IoT-Devices) existiert in der Regel Anwendung und den Services der satz, unabhängig davon, wie viele
vermarktet, in dem ein Stück Soft- ein IoT-Hub bzw. Device Gateway IoT-Plattform. Insofern lassen sich aktive Geräte gerade mit einem
ware zum Einsatz kommt, gut bera- als zentraler Nachrichtenhub, über die wichtigsten Anforderungen in Hub verbunden sind und welche
ten, sich intensiver mit den tech- den die gesamte Kommunikation drei Themen gliedern: Nachrichtenanzahl dadurch ver-
nischen Details und Anwendungs- zwischen Plattform und IoT-Devices ursacht wird.
möglichkeiten der IoT-Plattformen abgewickelt wird und in dem auch Sicherheit:
von Amazon, Microsoft, Siemens und die IT-Sicherheit des Übertragungs- Als zentraler Kommunikations- AWS IoT als praktisches
Co. auseinanderzusetzen und seine kanals realisiert ist. endpunkt für alle IoT-Devices einer Beispiel
Produkte auf den aktuellen Stand 2. Alle anderen Bausteine einer Anwendung ist im IoT-Hub auch die AWS IoT (AWS IoT Core) wird
der digitalen Technik zu bringen. Plattform sind in der Applikations IT-Security zur Absicherung aller Ver- als Cloud-basierte IoT-Plattform
logik zusammengefasst. Dazu gehö- bindungen zu finden. Dazu gehört angeboten. Sie ermöglicht belie-
ren zum einen die zahlreichen Stan- die Device-Authentifizierung (jedes bigen Geräten über eine per TLS 1.2
darddienste (Services) der jewei- Gerät, dass über den IoT-Hub kom- gesicherte Internetverbindung die
ligen Plattform (z. B. verschiedene munizieren darf, muss zuvor sicher Kommunikation bzw. Interaktion mit
Datenbanken, diverse Laufzeitum- identifiziert werden), das Gewährlei- AWS-Cloudanwendungen. Genau-
gebungen für Apps, Datenanalyse- sten einer vertraulichen (verschlüs- genommen ist AWS IoT eine zusätz-
Autor: dienste mit KI-Algorithmen, Benach- selten) Datenübertragung und das liche Funktionsebene, die den bereits
Klaus-Dieter Walter ist CEO bei richtigungsfunktionen usw.) sowie Sicherstellen der Datenintegrität. seit 2006 verfügbaren Amazon Web
der SSV Software Systems GmbH zum anderen eine Rules Engine Darüber hinaus ist eine Security- Services nachträglich vorgeschaltet
(Data Flow Engine) als Datenver- Managementfunktion erforderlich, wurde, um die AWS an die beson-
SSV Software Systems GmbH arbeitungslogik der ein- und ausge- die zum einen die Verwaltung der deren Anforderungen des Internets
www.ssv-embedded.de henden IoT-Device-Daten. Für die gerätebasierten Authentifizierung er- der Dinge anzupassen.
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TLS verbunden sind. Wegen der eine eingehende Publish-Nach-
Besonderheiten des TLS-Proto- richt an Millionen Subscriber ver-
kolls besteht für MQTT und Web teilen kann.
Sockets die Möglichkeit, relativ lang-
lebige Verbindungen herzustellen, Device Shadow
um nicht immer wieder einen erneu- Eine Besonderheit des AWS-IoT-
ten (zeit- und datenintensiven) TLS- Hubs ist der Device Shadow. Die-
Handshake zu verursachen. Zur Ent- ser Funktionsbaustein dient als vir-
gegennahme und zum Versenden tuelles Datenabbild (virtuelle Reprä-
von Nachrichten per MQTT steht sentanz) für jedes mit dem Device
eine Publish/Subscribe-Broker- Gateway verbundene Gerät, in dem
funktion (Message Broker) zur Ver- der jeweils letzte Gerätestatus bis zu
fügung. Sie unterstützt mittels einer einem Jahr lang gespeichert wird.
Bild 1: IoT-Plattformen sind mehrschichtig aufgebaut. Über einen Hub speziellen Serverfunktion auch die Diese virtuelle Repräsentanz wird
werden die Geräte als IoT-Devices sternförmig angebunden. Mit Hilfe der Nachrichtenübermittlung per HTTP- durch ein JSON-basiertes Doku-
Applikationslogik, die aus Standardservices und individuell erstellten POST-Request (ein solcher HTTP- ment gebildet (max. 8 KBytes pro
Anwendungen besteht, werden aus den Device-Daten Informationen Request wird funktional als MQTT- Gerät). Auf die JSON-Daten kön-
gewonnen. Zusätzlich gibt es eine Rules Engine, die nach dem Publish behandelt). nen z. B. andere AWS-Anwen-
dungen oder externe Mobilgeräte
Datenflussprinzip von ein- und ausgehenden Daten durchlaufen wird und Leistungsfähigkeit mit einem speziellen REST-API
programmierbare Aktionen auslösen kann.
In Bezug auf die Leistungsfähig- zugreifen. Der Device Shadow wird
keit von Device Gateway und Mes- von Zeit zu Zeit mit dem jeweiligen
Aus Sicht der AWS-IoT-Archi- fern gehört ein sehr umfangreiches sage Broker weist Amazon darauf Gerät synchronisiert. Dabei werden
tekten sammeln IoT-Anwendungen Sicherheitssystem mit einem viel- hin, dass diese Funktionseinheiten neue (Zustands-) Daten vom Gerät
entweder Daten in der Cloud, um fältigen Rechtemanagement zur als verwaltete Services vollständig in das JSON-Dokument geschrie-
sie mit speziellen Anwendungen im Plattform. automatisch skalieren und auch für ben (Reported State), aber auch
Umfeld der AWS-Standardfunkti- sehr große Projekte mit mehr als Variable ausgelesen und an das
onen zu bearbeiten. Des Weiteren Als IoT-Hub einer Milliarde IoT-Devices geeig- Gerät übertragen (Desired State),
sind auch Anwendungsszenarien kommt eine modulare Lösung net sind. Amazon hebt in diesem was zu einem geänderten Geräte-
denkbar, in denen eine AWS-Appli- zum Einsatz. Die Schnittstelle zu Zusammenhang hervor, dass der zustand führen kann.
kation direkt mit IoT-Devices kommu- den Geräten bildet ein sogenann- Message Broker auch mit Millionen Die AWS-IoT-Applikationslogik
niziert, z. B. um sie per Alexa Voice tes Device Gateway, mit dem alle gleichzeitig bestehender MQTT- besteht im Wesentlichen aus einer
Service (AVS) fernzusteuern. Inso- IoT-Devices einer Anwendung per Verbindungen umgehen und z. B. speziellen Rules Engine und den
AWS-Servicename Beschreibung
DynamoDB NoSQL-basierter Datenbankdienst, der sowohl Schlüsselwert- (Key-Value) als auch Dokumentdatenstrukturen unterstützt.
EC2 EC2 dient als Abkürzung für Elastic Compute Cloud. Dieser Name steht in der Amazon-Cloud für skalierbare
Rechnerkapazität, um eigene Anwendungen auf virtuellen Computern in der Cloud auszuführen.
Kinesis Skalierbarer Datenstreaming-Dienst für Echtzeitanalysen. Mit Hilfe solcher Datenanalysen lassen sich z. B. Anomalien
in IoT-Datenströmen erkennen.
Lambda Ereignisgesteuerter Dienst, der speziellen Code als Reaktion auf bestimmte Ereignisse ausführt. AWS Lambda zählt zur
Kategorie des sogenannten Serverless Computing, da sich der Anwender nur um den Code für die Lambda-Funktion
und die Ereignisverknüpfung dieser Funktion, nicht aber um die Serverressourcen kümmern muss.
S3 S3 steht für Simple Storage Service. Hinter dem Namen verbirgt sich eine sehr mächtige Datenspeicherinfrastruktur
für AWS-Cloudanwendungen. S3 erlaubt die Speicherung und den Abruf von Datenobjekten nahezu beliebiger Größe.
S3 lässt sich z. B. mit AWS Lambda kombinieren, um bei der Änderung eines Speicherobjekts eine Lambda-Funktion
aufzurufen.
SageMaker Dieser Dienst ermöglicht das Erstellen und Nutzen von Machine-Learning-Modellen, um z. B. von IoT-Geräten eintreffende
Daten zu analysieren und mittels Regression oder Klassifizierung automatisierte Entscheidungen zu treffen (Beispiel:
Automatische Gesichtserkennung per Deep Learning, um einer bestimmten Person den Zutritt zu einem Gebäudeteil
zu gestatten).
SNS Einfacher Benachrichtigungsdienst (SNS = Simple Notification Service) für AWS-Cloudanwendungen. SNS ermöglicht
das Senden und Empfangen von SMS und E-Mail. Unterstützt den Nachrichtenversand an HTTP(S)-Endpunkte sowie
spezielle Push-Nachrichten an iOS- und Android-Mobilgeräte. Per SNS kann z. B. auch die Ausführung einer Lambda-
Funktion ausgelöst werden.
SQS SQS ist die Abkürzung für Simple Queue Service. Dieser Dienst ermöglicht den Aufbau von Nachrichtenwarteschlangen
(z. B. FIFO-Warteschlangen), um verteilte Cloudanwendungen miteinander kommunizieren zu lassen.
Tabelle 1: Kurzübersicht der wichtigsten Amazon Web Services (AWS), die von einer IoT-Anwendung genutzt werden können. Bei jedem einzelnen Dienst
handelt es sich um eine relativ komplexe Anwendung, deren Praxiseinsatz allerdings zum Teil umfangreiche Spezialkenntnisse erfordert.
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Stufe Merkmal Beschreibung
1 Einfaches technisches Zum Beispiel elektrische Ständerbohrmaschine für Werkstätten. Die wesentlichen Bedienelemente sind der
Produkt Ein- und Ausschalter für die Netzspannung des internen Elektromotors sowie ein gusseisernes Handrad,
um den Bohrkopf in vertikaler Richtung zu bewegen. Elektronik und Software kamen in dieser frühen Phase
noch nicht zum Einsatz.
2 Smartes Produkt Durch den Einzug der Mikroelektronik hat die Bohrmaschine nun eine interne Drehzahlsteuerung und in
der Gehäusefrontplatte ein Bedienpanel mit LCD. Der Benutzer kann zwischen verschiedenen Drehzahlen
wählen und den Bohrwerkzeugen jeweils einen eigenen Betriebsstunden- und Bohrvorgangszähler zuweisen,
um sie rechtzeitig auszutauschen.
3 Smartes, Die Bohrmaschine bietet inzwischen eine Ethernet-LAN- oder Funkschnittstelle für die Kommunikation mit
kommunikationsfähiges einem PC, Smartphone oder Tablet sowie einen elektronisch gesteuerten Vertikalantrieb für den Bohrkopf.
Produkt Bohrprogramme mit Werkzeug- und Drehzahlauswahl sowie definierter Vertikalbewegung können erstellt,
gespeichert und ausgeführt werden. Die erfassten Betriebsdaten eines Bohrvorgangs lassen sich mit
Zeitstempel und weiteren Angaben in einer Datenbank erfassen.
4 Produktsystem Die Ständerbohrmaschine ist zum systemfähigen Produkt geworden. Sie lässt sich nun in eine Fertigungslinie
integrieren und von einer zentralen Anlagensteuerung hinsichtlich Werkzeugwechsel und Bohrvorgang
fernsteuern. Dafür gibt es einen optionalen Feldbusadapter, der Modbus-, Profibus-, Profinet und andere
industrielle Kommunikationsstandards unterstützt. Zusätzlich wird weiteres Systemzubehör, wie z. B. eine
Werkstückzuführung, angeboten.
5 Systemverbund Zur Bohrmaschine gehören inzwischen verschiedene weitere programmierbare Systeme, wie eine Absaug-
(System of Systems) und Reinigungsvorrichtung, ein Schneidölzuführsystem zur Kühlung von Bohrloch und Werkzeug, ein
Kamerasystem mit Werkstückerkennung per künstlicher Intelligenz sowie ein Cloud-basiertes CAD-System für
das Bohrprozess-Engineering. Dazu existiert eine Materialdatenbank zur Optimierung von Bohrkopfdrehzahl,
Bohrwerkzeugauswahl, Schneidölzufuhr usw. Zusätzlich gibt es ein Condition Monitoring für alle Baugruppen
und Systeme einer Anlage, um eine präventive Wartung zu ermöglichen.
Tabelle 2: Übersicht zu den einzelnen Entwicklungsstufen technischer Produkte in den vergangenen Jahrzehnten am Beispiel einer elektrischen
Ständerbohrmaschine. Für die Gesamtfunktion im Systemverbund ist bereits eine übergeordnete IoT-Plattform erforderlich. Obwohl die Stufe 5 den
aktuellen Stand der Technik repräsentiert (den Produkt-Service-Hybrid), erfolgt die Plattformintegration in der Regel nach wie vor per IoT-Retrofitting.
Standard-Webdiensten der Amazon ser Trend wird sich in immer kür- ablaufen, andere erfordern einen Geräuschentwicklung, weil jede
Cloud (siehe Tabelle 1). Mit Hilfe der
zeren Innovationszyklen fortset- externen Cloudservice. Maschine eine spezifische Strom-,
Rules Engine lassen sich alle von den
zen und neben den technischen Schwingungs- und Schallcharakte-
IoT-Geräten ankommenden Daten Eigenschaften auch die Geschäfts Beispiel Condition- ristik aufweist) werden fortlaufend
vorverarbeiten, speichern, analy- modelle einbeziehen. Monitoring Zustandsdaten erfasst und an die
sieren und an andere Dienste wei- Für den gegenwärtigen Stand der Eine Condition-Monitoring- IoT-Plattform übermittelt. Dort wird
tergeben. Dafür werden Regelwerke Technik (Stufe 5 in der Tabelle 2, Lösung, die beispielsweise in einem per Machine-Learning-Algorith-
mit einer SQL-ähnlichen Syntax auf-
die Ständerbohrmaschine als Pro- „System of Systems“ bei unge- men oder anderer statistischer
gestellt. Trifft eine Regel zu, wird die
dukt-Service-Hybrid) wird auf jeden wöhnlichen Betriebsbedingungen Verfahren die jeweilige Bauteil-
dazu gehörende Aktion ausgeführt. Fall eine Plattformintegration der über frühzeitige Warnungen auf beanspruchung bestimmt und die
jeweiligen Produkte benötigt, um den drohenden Ausfall einzelner verbleibende Restnutzungsdauer
Software Development Kits den durch Industrie-4.0-Konzepte Bauelemente hinweist, lässt sich berechnet. Mit dem Ergebnis las-
Als Entwicklerunterstützung angestrebten Systemverbund zu mit Hilfe einer IoT-Plattform sowohl sen sich die Instandhaltung opti-
stellt Amazon verschiedene Soft- realisieren. Einige IoT-Plattform- lokal an der Edge als auch in der mieren und über Produktivitäts-
ware Development Kits (SDKs) funktionen können dabei direkt vor Cloud realisieren. Über geeignete verbesserungen quantifizierbare
für unterschiedliche Program- Ort, also als Edge-Anwendung, Sensoren (z. B. Strom, Vibration, Kosteneinsparungen erzielen. ◄
miersprachen und Laufzeitumge-
bungen zur Verfügung. Das sind
zum einen die sogenannten AWS
IoT Device SDKs. Sie unterstützen
die Anbindung unterschiedlicher
Gerätearchitekturen an den IoT-
Hub. Zusätzlich gibt es zum ande-
ren eine Vielzahl von Anwendungs-
SDKs, um in allen gängigen Spra-
chen eigene Applikationen für die
AWS-Cloud zu entwickeln.
Systemverbund erfordert
Plattformintegration
Das äußere Erscheinungsbild und
die interne technische Realisierung
nahezu aller technischer Produkte
hat sich in den vergangenen Jahr- Bild 2: Neben der Applikationslogik besteht AWS IoT aus einem modularen IoT-Hub, der protokollseitig MQTT-,
zehnten deutlich verändert (siehe HTTP 1.1- und WebSockets-Verbindungen ermöglicht, wobei der Schwerpunkt eindeutig bei MQTT liegt. In Bezug
Tabelle 2 mit dem Beispiel einer fik- auf die Sicherheit wird erwartet, dass die Geräte TLS 1.2 mit gegenseitiger Authentifizierung unterstützen und mit
tiven Ständerbohrmaschine). Die- einem X.509-Zertifikat plus einem privaten Schlüssel ausgestattet sind.
14 PC & Industrie 5/2020Sie können auch lesen
