Vernetzte Geräte erfassen Zustände, übertragen Messwerte und stellen Informationen für weitere Systeme bereit. Hinter einem IoT-Projekt stehen deshalb mehrere technische Ebenen, die getrennt geplant und anschließend miteinander verbunden werden müssen. Sensoren liefern Daten, Gateways vermitteln zwischen Geräten und Netzwerken und Anwendungen speichern oder analysieren Informationen. Bereits vor der Umsetzung sollte feststehen, welche Daten benötigt werden, über welche Wege sie übertragen und welche bestehenden Systeme eingebunden werden.
Kurzfassung
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Die Ermittlung des Status Quo is essenziell
Vor der Auswahl von Sensoren, Plattformen oder Übertragungsprotokollen muss definiert sein, welche Aufgabe das IoT-System übernehmen soll. In einer Produktionsanlage kann beispielsweise die Temperatur eines Motors erfasst werden. Ein anderes Projekt benötigt wiederum Füllstandsdaten aus mehreren Behältern oder Betriebsstunden einzelner Maschinen. Aus dem jeweiligen Anwendungsfall ergeben sich somit Messgrößen, Erfassungsintervalle, Datenmengen und benötigte Schnittstellen.
Eine IoT-Beratung kann an dieser Stelle die vorhandene Systemlandschaft, technische Anforderungen und vorgesehene Anwendungsfälle gegenüberstellen. Dazu gehört auch die Prüfung, welche Maschinensteuerungen, Datenbanken oder IT-Anwendungen bereits vorhanden sind. Erst danach kann festgelegt werden, welche Komponenten tatsächlich benötigt werden.
Sollten neue Technologien oder eine Kombination aus bestehenden vorab auf Nutzbarkeit geprüft werden, bietet sich ein Proof of Concept an. Beispielsweise lässt sich testen, ob Messwerte einer Maschine zuverlässig ausgelesen, über ein Gateway übertragen und in einer Zielanwendung verarbeitet werden können. Ein solcher Test ersetzt keine vollständige Architekturplanung, liefert aber technische Erkenntnisse für die weitere Umsetzung.
Sensorwerte sind die Grundlage für Automatisierung
Sensoren erfassen physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Bewegung oder Füllstand. Dabei unterscheiden sich die Geräte in der Art ihrer Signalausgabe: Einfache Sensoren liefern oft analoge, kontinuierliche Spannungssignale, die zunächst durch eine Steuerung in digitale Daten umgewandelt werden müssen. Moderne, intelligente Sensoren hingegen übernehmen diese Umwandlung bereits im Gerät und übertragen den Messwert direkt als fertig interpretierte digitale Information.
Als Gegenstück zu Sensoren setzen Aktoren digitale Befehle direkt in physische Aktionen um. Dazu zählen beispielsweise das Öffnen eines Ventils, das Schalten eines Relais oder das Verstellen eines Motors. Sobald ein System aktiv Befehle an Maschinen übermittelt, müssen zulässige Aktionen, Zugriffsrechte und mögliche Fehlerzustände definiert werden.
Auch die Frequenz der Sensordatenermittlung variiert. Eine Temperaturmessung kann unter Umständen in größeren Abständen übertragen werden. Steuerbefehle für laufende Maschinen können dagegen kürzere Reaktionszeiten erfordern. Die technische Auslegung muss daher neben der Art der Daten auch deren zeitliche Bedeutung berücksichtigen.
Gateways verbinden Maschinen mit übergeordneten Systemen
In vielen Anlagen nutzen Maschinen andere Schnittstellen und Protokolle als zentrale IT-Systeme. Ein Gateway bildet die Verbindung zwischen diesen Ebenen. Es empfängt Daten von angeschlossenen Geräten, konvertiert diese in ein vorgegebenes Format und überträgt diese zur weiteren Verarbeitung. Diese Vermittlung wird beispielsweise benötigt, wenn eine Maschine ihre Daten über ein industrielles Protokoll bereitstellt, die Informationen später aber über ein IP-Netzwerk an eine zentrale Anwendung gesendet werden sollen. Je nach Aufbau kann ein Gateway Daten zwischenspeichern, zusammenfassen oder für die Weiterleitung umwandeln.
Für die Verbindung kommen kabelgebundene Netzwerke, WLAN oder andere Funkverfahren infrage. Die Auswahl richtet sich unter anderem nach Entfernung, Datenmenge, baulicher Umgebung und erforderlicher Verfügbarkeit. Ein Verfahren, das in einem Bürogebäude ausreicht, muss nicht automatisch für eine Produktionshalle geeignet sein.
Von der Datenerfassung bis zur Auswertung
Die Datenerfassung beginnt am Sensor oder an einer vorhandenen Maschinensteuerung. Ein gemessener Temperaturwert erhält erst durch zusätzliche Angaben wie Zeitstempel, Gerätekennung und Messstelle einen eindeutigen technischen Zusammenhang. Ohne diese Zuordnung lässt sich später nicht zuverlässig feststellen, wann und an welchem Gerät ein Wert entstanden ist.
Die Datenübertragung beschreibt den anschließenden Weg zwischen Gerät und Zielsystem. Hier legen Schnittstellen und Protokolle fest, wie Informationen ausgetauscht werden. Treffen unterschiedliche Standards aufeinander, müssen Übergänge geplant werden. Verbindungsabbrüche oder zeitweise nicht erreichbare Systeme erfordern zudem Regeln für Zwischenspeicherung und erneute Übertragung.
Erst bei der Datenauswertung werden einzelne Werte in einen fachlichen Zusammenhang gebracht. Eine Temperatur von 70 Grad liefert für sich genommen nur eine Momentaufnahme. Eine Zeitreihe kann dagegen zeigen, wie sich die Temperatur während eines Produktionszyklus verändert. Grenzwerte oder Vergleichsdaten können anschließend festlegen, wann eine Meldung ausgelöst oder eine technische Prüfung erforderlich wird.
Sicherheitsanforderungen reichen vom Gerät bis zur Anwendung
Jede zusätzliche Netzwerkverbindung erweitert die Zahl möglicher Zugänge zu Geräten und Daten. Sicherheitsanforderungen müssen daher bereits bei der technischen Architektur berücksichtigt werden. Dazu zählen Geräteidentitäten, Authentifizierung, Zugriffsrechte und geschützte Übertragungswege.
Der Schutzbedarf hängt vom Anwendungsfall ab. Ein Sensor, der ausschließlich Raumtemperaturen meldet, hat andere Folgen bei einem Fehler als ein System, das Befehle an Produktionsmaschinen sendet. Steuernde Anwendungen benötigen deshalb Berechtigungen und definierte Reaktionen auf ungültige oder ausbleibende Signale.
Auch Wartung und Gerätewechsel gehören zum Sicherheitskonzept. Softwarestände, Zugangsdaten und Zertifikate müssen verwaltet werden. Wird ein Gerät außer Betrieb genommen, sollte seine bisherige Berechtigung nicht weiter für Verbindungen genutzt werden können.
Mit der richtigen Architektur Erweiterungen ermöglichen
Ein Versuchsaufbau mit wenigen Sensoren bleibt zunächst überschaubar. Werden später weitere Maschinen, Standorte oder Anwendungen eingebunden, steigen jedoch die Zahl der Verbindungen, die Datenmengen und die Anforderungen an die Verwaltung. Geräte müssen eindeutig identifizierbar sein, Schnittstellen benötigen feste Regeln und Datenformate sollten zwischen Systemen abgestimmt werden.
Bereits vorhandene Produktions- und IT-Systeme begrenzen ebenfalls die Auswahl neuer Komponenten. Werden für jede Erweiterung eigene Verbindungen eingerichtet, können mit der Zeit unterschiedliche Datenwege und Protokolle nebeneinander entstehen. Eine vorab definierte Architektur legt deshalb fest, welche Systeme miteinander kommunizieren und welche technische Funktion einzelne Komponenten übernehmen.
Fazit
Ein IoT-System besteht nicht nur aus vernetzten Geräten. Sensoren erzeugen Messwerte, Aktoren führen Befehle aus, Gateways verbinden unterschiedliche technische Ebenen und Anwendungen verarbeiten die übertragenen Informationen. Für eine nachvollziehbare Planung müssen Datenerfassung, Übertragung und Auswertung voneinander getrennt betrachtet werden.
Vor der Umsetzung sollten Anwendungsfall, Schnittstellen, Sicherheitsanforderungen und vorhandene Systeme erfasst sein. Ein begrenzter technischer Test kann anschließend prüfen, ob zentrale Annahmen unter realen Bedingungen funktionieren. Die Ergebnisse liefern eine belastbare Basis für weitere Geräte, zusätzliche Anwendungen und neue Datenwege.
