Alle Beiträge von Thomas Schildknecht

1980 Abschluss Studium Nachrichtentechnik 1981 Gründung Ingenieurbüro Schildknecht 2000 VDI/GMA Fachausschuss 5.21 "Wireless Automation" 2008 Co Autor VDI Richtlinie 2185/2 "Wireless Koexistenz" 2015 Co Autor VDI Richtlinie 2185/4 "Performancebewertung wireless systems" 2009 Wandlung in Aktiengesellschaft Seit 2009 Vorstand Schildknecht AG Seit 1995 Unzählige Veröffentlichungen von redaktionellen Beiträgen und Vorträge zum Thema Funktechnologien

Saubere Autobahn-Toiletten dank IoT

Die bedarfsorientierte und nutzerfreundliche Reinigung und Instandhaltung der Toilettenanlagen an Rastplätzen von Autobahnen und Schnellstraßen sind eine wirtschaftlich-logistische Herausforderung. Die Anlagen werden je nach Tages-, Wochen- und Jahreszeit äußerst unterschiedlich frequentiert, sollen jedoch vom Nutzer jederzeit in einem tadellosen und sauberen Zustand vorgefunden werden. Gleichzeitig kann der Reinigungsdienst aus wirtschaftlichen Gründen nicht alle Anlagen nahezu ständig anfahren. Sowohl Betreiber wie auch Reinigungsdienstleister benötigen daher laufend Informationen von allen Anlagen über die jeweilige Nutzerfrequenz, um aus diesen Daten einen effizienten und intervallmäßig angepassten Reinigungsplan abzuleiten.  

Übersicht
Bild 1: Eine Übersicht der vernetzten Autobahn-Toilettenanlagen in Österreich. (Quelle: Schildknecht AG)

Höchste Verfügbarkeit und geringe Kosten

Für eine dauerhaft zuverlässige und zugleich wirtschaftliche Reinigung der Toilettenanlagen muss eine hohe Funktionsfähigkeit und Verfügbarkeit des gesamten Systems, vom Sensor und Funkmodul und die Mobilfunk-Übertragung bis zur Device Cloud und deren Software gesichert sein; und das an allen Rastplätzen des Autobahnnetzes, auch in entlegenen Gebieten ohne Internet-Verfügbarkeit. Und die Datenübertragung soll unabhängig von einer möglicherweise vorhandenen IT-Infrastruktur und natürlich zu möglichst geringen Kosten erfolgen. Schließlich soll auch noch die Zerstörung der Anlagen durch Vandalismus (z.B. durch Beschädigung  frei liegenden Kabelstrecken) weittestgehend ausgeschlossen werden.

Lösung über ein IoT-basiertes Nutzer-Zählsystem

Eine aus technischer und wirtschaftlicher Sicht attraktive Lösung für die geschilderte Aufgabe bietet ein bedarfsgesteuertes, funkbasiertes Nutzerzählsystem auf IoT-Basis, welches von der Österreichischen Betreibergesellschaft der Autobahnen, Asfinag, seit 2016 getestet und bei inzwischen ca. 20 Stationen implementiert wurde. 

Die zeitlich und nach den drei Nutzergruppen – Damen, Herren, Pissoir – aufgelöste Messung der Nutzerfrequenzen wird mittels an den Türen angebrachter Kontakt-Sensoren fortlaufend registriert und per Funkmodul (Bild 2) und Mobilfunk  an eine dafür eingerichtete Device Cloud übertragen. Diese Device-Cloud ist Teil eines hoch-sicheren Servers, in welchem die vom Modul bereits vorverarbeiteten Daten gespeichert, ausgewertet und benutzerfreundlich dargestellt werden. Nutzer sind in diesem Fall die Mitarbeiter des Reinigungsdienstes, welche per Mobilgerate von extern auf diese Daten zugreifen und daraus ihren nächsten Arbeitseinsatz planen können. Dieser Daten-und Informationstransport von den Sensoren an den Toilettentüren bis zum „Arbeitsauftrag“ auf einem Mobilgerät des Reinigungspersonals ist ein typisches IoT-basiertes Geschäftsmodell.

Funksender
Bild 2: In Zusammenarbeit mit Funk Fuchs GmbH & Co KG (österreichische Vertretung der Schildknecht AG) wurden die Funkmodule installiert. (Quelle: Schildknecht AG)

Datenübertragung mittels universeller eSIM-Karte und GSM-Netz

Für die Datenübertragung mittels Mobilfunk wurde ein Dataeagle-Funkmodul der Schildknecht AG in Verbindung mit dem GSM-Netz gewählt. Dieses stellt das weltweit dichteste Kommunikationsnetzwerk dar, welches dank der im Funkmodul „Dataeagle“ integrierten und für viele Hundert globale Netze gültigen eSIM-Karte über weite Entfernungen und zu niedrigen Kosten genutzt werden kann. Die Signale der drei an den Toilettentüren installierten Sensoren werden dem Funkmodul über drei digitale Eingänge zugeführt und von diesem – nach Datenkomprimierung – über Mobilfunk und Internet an das in einer Device-Cloud positionierte Portal zur graphischen Darstellung geleitet. Dort stehen die aufbereiteten Daten zum Abruf für alle internetfähigen Geräte der Asfinag bzw. des Reinigungsdienstleisters mit entsprechenden Zugriffsberechtigungen bereit.

Dashboard
Bild 3: Das Dashboard zeigt die Frequentierung einer Toilettenanlage. (Quelle: Schildknecht AG)

Ergebnis

Nach der Erstinstallation von 5 Systemen im Jahr 2015 sind mittlerweile mehr als 20 Systeme störungsfrei in Betrieb, weitere sind geplant. Dank der Datenkomprimierung sind die  monatlich übertragene Datenmengen gering und die Mobilfunk-Übertragungskosten unter 10 Euro je Rastplatz– und das bei maximal effizienter Personalbedarfsplanung.

Die hier realisierte Lösung ist nicht nur in der Personenzählung, sondern universell einsetzbar: Ein Sensorwert wird bei dezentraler Messung über Mobilfunk an die Cloud übertragen, dort in einem Portal anwendergerecht aufbereitet und dargestellt und vom berechtigten Anwender abgerufen und zu entsprechenden Maßnahmen genutzt.

Wie Maschinen per Mobilfunk global kommunizieren

Folgende Fragen sollte man sich vor der Auswahl der Technologie stellen: Sind die IoT Produkte später an einem festen Ort verbaut? Steht eine Internetnetzwerk-Infrastruktur zur Verfügung und darf diese Infrastruktur verwendet werden? Ist der Einsatz weit entfernt vom Nutzer und in welchem Land? Das wichtigste sind das Anwenderszenario und die Infrastruktur am Einsatzort.

Automatisches Maschinen-Monitoring ist angesagt

In vielen Anlagen der Prozesstechnik oder der Wasser- bzw. Energiewirtschaft bilden große Maschinen wie Pumpen, Generatoren, Turbinen oder Kompressoren wertvolle Assets, deren ständige Verfügbarkeit von hoher funktioneller und wirtschaftlicher Bedeutung ist. Konsequenterweise sind bzw. werden derartige Maschinen von den Herstellern zunehmend mit Sensorik ausgerüstet, welche einen normalen Abnützungsgrad ebenso erfassen und anzeigen kann wie ein unregelmäßiges Betriebsverhalten oder unzulässige Betriebsbedingungen. Die auf diese Weise generierten und für die Maschine oft „lebenswichtigen“ Diagnosedaten stehen dann primär an einer Schnittstelle direkt vor Ort zur Verfügung; vor Ort bedeutet jedoch in vielen Fällen in entlegenen, schwer zugänglichen Regionen mit keiner oder nur gering ausgebauter Infrastruktur, meist ohne Fachpersonal zur Maschinenwartung und vielleicht sogar ohne Internetzugang. Dieser fehlt ggf. generell oder ist aus Sicherheitsgründen seitens der IT-Abteilung des Betreibers für Nutzung zur Übertragung von Maschinendaten gesperrt. Es besteht also das Problem, die von der Sensorik bereitgestellten Diagnosedaten (oft sind das ja dringende „Hilferufe“ der Maschine) den Wartungsspezialisten oder direkt dem Maschinenhersteller zugänglich zu machen, wo auch immer in der Welt sich diese befinden.

Bluetooth ist gut geeignet im Nahbereich

Zur Lösung des aufgezeigten Problems vertrauen viele Anwender im ersten Projektgespräch auf den Einsatz von Bluetooth mit dem Hinweis, dass diese Technologie heute in mobilen Geräten zum Standard gehört und dass die Daten der Maschinen-Sensorik daher leicht auf diese Geräte ausgelesen werden können. Diese Anwender betrachten Bluetooth mit Recht als leistungsfähige und in ständiger Weiterentwicklung befindliche Funktechnologie, welche durch Eigenschaften wie das Frequenz-Hopping eine besonders sichere Übertragung bietet. Was dabei jedoch häufig übersehen wird: die Reichweite dieser Funktechnologie ist auf einen Nahbereich begrenzt: Etwa 10 m bei der Strom- und kostensparenden Bluetooth Low Energy-Variante und wahrscheinlich etwa 40 m bei der neuesten Bluetooth 5-Generation! Das reicht für eine Übertragung der Daten auf mobile Geräte in der Hand von Personen direkt vor Ort; aber wie gelangen die Daten dann unverzüglich zu den weit entfernten Wartungsspezialisten und – noch wichtiger – was passiert, wenn Personen nicht oder nur zeitweise vor Ort sind? Dafür wird dann häufig ein Ethernet-VPN-Tunnel ins Gespräch gebracht, der – wenn überhaupt realisierbar und zulässig – wegen der Notwendigkeit eines ständigen Verbindungs-Neuaufbaus  für ein Maschinen-Monitoring mit hoher Daten-Frequenz kaum geeignet ist; und eine VPN-Standleitung scheidet aus Kosten- und Sicherheitsgründen fast immer aus.

Die Lösung: Maschinen-eigenes „Mobiltelefon-Gateway“ mit globaler Konnektivität

Die Lösung des Problems liegt in der Nutzung des weltweit dichtesten Kommunikationsnetzes mit mehreren Milliarden Teilnehmern! Das ist das Mobilfunk-Netz mit seinen vielen Hundert Providern in aller Welt, welche auch sehr abgelegene und vom Internet nicht erschlossene Regionen abdecken. Diese global verfügbare Konnektivität bietet die Lösung für das hier behandelte Maschinen-Monitoring! Und die entsprechende technische Umsetzung erfolgt durch ein IoT Edge Gateway mit optionaler Bluetooth-Schnittstelle, um auch Sensoren einbinden zu können. Dieses verfügt über eine bei weltweit 400 Providern gültige Universal-eSIM-Karte, welche automatisch die Nutzung des jeweils stärksten Funknetzes veranlasst (Unsteered Roaming). Das IoT Edge Gateway wird damit zu einem global funktionsfähigen Mobiltelefon, dessen Verbindung mit der Sensorik der Maschine diese in die Lage versetzt, ihre jeweils aktuellen Diagnosedaten nach einer Datenvorverarbeitung „mobil-telefonisch“ an ein zugeordnetes Cloudportal zu übertragen. Dort stehen die Daten dann zum Abgriff durch geeignetes Fachpersonal zur Verfügung.B32A5956

Bildquelle: Schildknecht AG

Die Zahl der auf dem Pfad vom Gateway zur Cloud ggf. beteiligten Netze und die Häufigkeit der Übertragungsvorgänge bedeutet keine Beeinträchtigung, da die Abrechnung der Nutzungskosten im Portal zentral und rollenbasiert nach einem Einheitstarif erfolgt. Die monatlichen Kosten für eine Messstelle liegen im Bereich von 10 bis 20 € in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebsmodus: dieser reicht wahlweise vom online-Modus (dauerhafte Verbindung) über den Intervall-Modus (Übertragung nur bei bestimmten Werten oder in bestimmten Zeitintervallen) bis hin zum kostenlosen „Schlafbetrieb“, bei welchem das Gerät nur in Bedarfsfällen „aufgeweckt“ wird

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Bildquelle: Schildknecht AG

Maschinen-Monitoring per Mobilfunk als beispielhaftes IoT-Geschäftsmodell Die hier aufgezeigte Applikation des IoT Edge Gateways steht exemplarisch für die überall im Gespräch befindlichen neuen IoT-Geschäftsmodelle. Weltweite Kommunikation von Geräten und Maschinen mit Portalen, Zugriff auf Maschinen auch in entlegenen Gegenden, aus Sicherheitsgründen bewusster Verzicht auf lokale Internet-Anbindungen, globale Verfügbarkeit, geringe Übertragungskosten – das alles sind Gründe für die Nutzung von Mobilfunk zum Aufbau von IoT-Geschäftsmodellen. Das globale Mobilfunknetz bietet zusammen mit IoT Edge Gateways wie z.B. dem DATAEAGLE 7050 dafür die Basis. Spezifische IoT-Geschäftsmodelle entstehen durch enge Zusammenarbeit zwischen interessierten Anwendern und erfahrenen Funktechnik-Anbietern nach dem bewährten Ablauf vom Konzept und dessen Test bis zur Marktreife. Für ein schnelles Proof of Concept (PoC) stehen sogenannte IoT Starterkits zur Verfügung, die es ermöglichen Sensoren anzubinden, um so die technischen Möglichkeiten praktisch zu erforschen. Jedes Projekt beginnt mit der Stückzahl 1 und stellt damit die Weichen zu attraktiven und innovativen IoT-Lösungen, wie es der hier gezeigte „Telefonkontakt“ zwischen Maschine und Cloud-Portal zeigt: „Hallo Cloud-Portal“ steht als Paradigma für leistungsfähige IoT-Lösungen. 

Edge Gateways ermöglichen IoT-Lösungen in der Prozesstechnik

In Anlagen der Prozesstechnik oder der Wasser- bzw. Energiewirtschaft bilden sehr kostenintensive Komponenten wie Pumpen, Kompressoren oder Generatoren wertvolle Assets, deren ständige Betriebsbereitschaft – auch an regional sehr entlegenen und schwer zugänglichen Standorten – von höchster Bedeutung für den Betrieb ganzer Anlagen ist. Diese Maschinen werden daher zunehmend mit Sensorik ausgerüstet, welche einen normalen Abnutzungsgrad ebenso registrieren und melden kann wie unregelmäßiges Betriebsverhalten oder unzulässige Betriebsbedingungen. Diese Diagnose-Daten werden unmittelbar vor Ort generiert, sollten aber zugleich auch dem Betreiber und/oder dem Maschinenhersteller bzw. dessen Wartungspersonal zugänglich sein. Eine dafür konzipierte IoT-Lösung ermöglicht kurzfristige Instandhaltungsmaßnahmen, erhöht die Maschinenverfügbarkeit und erspart gleichzeitig kostenintensive Reiseeinsätze von Wartungspersonal. Daraus entsteht ein erheblicher Anwendernutzen; zugleich können auf diese Weise für Maschinenhersteller auch völlig neue Geschäftsmodelle entstehen, wenn beispielsweise ein Kompressorhersteller den Kompressor vor Ort im eigenen Besitz und unter eigener Kontrolle behält und nur die gelieferte Menge komprimierter Luft verkauft.

Globale Kommunikation als Voraussetzung

Weltweite Verbindungen zu vermitteln, das war in grauer Vorzeit der Kommunikationstechnik die Aufgabe der „Fräuleins vom Amt“, mit deren Hilfe noch bis in die 1980er Jahre (!) internationale Telefonverbindungen geschaltet wurden. Diese Zeiten sind technologisch längst vorbei, der Bedarf an globaler Konnektivität dagegen steigt durch das Internet der Dinge rasant an. Große Datenmengen müssen von global verteilten Sendestationen (Geräte, Maschinen oder Anlagen mit ihrer Sensorik) an direkt vor Ort installierte Gateways übermittelt, dort bewertet und bearbeitet und dann an – wo auch immer positionierte – Cloud-Portale zur weiteren Nutzung transportiert werden.

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Leistungsfähiges „Daten-Straßennetz“ erforderlich

Für diese Datentransporte steht ein technologisch vielseitiges, global jedoch nur teilweise ausgebautes „Straßennetz“ zur Verfügung: Es gibt Fernstraßen in Form weitreichender Punkt zu Punkt- Verbindungen (VPN), welche über getunnelten Ethernetverbindungen für einmalige Vorgänge – wie z.B. eine zeitlich begrenzte Fernwartung – gut geeignet sind; für länger andauernde Überwachungsaufgaben dagegen eignen sie sich kaum, da ein VPN-Tunnel immer wieder neu aufgebaut werden muss; zudem entstehen dabei vergleichsweise hohe Transportkosten. Lokale Feldwege in Form von Bluetooth-Strecken können genutzt werden, sofern deren begrenzte Reichweite von ca. 10 m für die Applikation ausreicht. Attraktive Lösungen ermöglichen natürlich gut ausgebaute Autobahnen in Gestalt des Internets, welches jedoch bis heute in vielen Ländern regional nur begrenzt verfügbar ist und dessen Nutzung noch dazu von den IT-Abteilungen vieler Anwender aus Sicherheitsgründen grundsätzlich untersagt ist! Schließlich gibt es regional dicht angelegte Landstraßen in Gestalt das weltweit dicht geknüpfte Mobilfunk-Netzes mit vielen hundert Netz-Providern, welches auch sehr abgelegenen Orte erreicht und mit mehreren Milliarden (!) Teilnehmern die weltweit meistgenutzte Kommunikationstechnologie überhaupt darstellt. So ist es nur konsequent, wenn ein neues IoT Edge Gateway (DATA EAGLE 7050) genau dieses attraktive Konnektivitätspotenzial für seine Anwender erschließt.

Hohe Erwartungen der Anwender

Die allgegenwärtige Präsenz von „IoT“ auf Fachmessen, Foren und in Fachberichten hat die Erwartungen der Anwender bezüglich attraktiver Geschäftsmodelle und die dafür erforderliche Gerätetechnik (IoT Edge Gateways) stark steigen lassen. Dazu einige Beispiele:

  • Flexibilität bei Datensammlung Das Gateway soll eine breite Auswahl an Dateneingängen bereitstellen: von traditioneller 4-20mA/0-10V-Anschlusstechnik oder Bluetooth, über klassische und Ethernet-basierte Feldbusse (PROFINET, CAN, Modbus, etc.) und IO-Link bis zu Eingängen für Ethernet. Die Eingänge sollen modular konzipiert sein, um hohe Flexibilität sowohl bei der Grundbestückung als auch bei späteren Erweiterungen des Gateway zu erreichen.
  • Applikationsnahe Vorverarbeitung und kostengünstiger Transport der Daten Das Gateway soll in der Lage sein, mit applikationsspezifischen Programmen die gesammelten Daten „intelligent“ und konfigurierbar zu bewerten, zu selektieren und eine Weiterleitung der Daten z.B. nur dann vorzunehmen, wenn die Daten sich ändern oder einen Alarm anzeigen. Zusätzlich sollen die Daten komprimiert und dann in kleinen, ebenfalls konfigurierbaren Datenpaketen zu niedrigen Kosten weitergeleitet werden.
  • Anonymisierung und Sicherung der Daten Die Daten sollen anonymisiert, jedoch mit einem Zeitstempel versehen als reine Werte ohne jede weitere Information versendet werden. Erst durch eine gesicherte Zuordnung beim Anwender bzw. im Portal soll aus diesen Daten wieder eine Information werden. Die Daten sollen weiterhin bei ihrer weltweiten Übertragung vor Ausfall und/oder Zugriff unberechtigter Dritter gesichert sein. Nimmt man ein hochsicheres Rechenzentrum als Zieladresse (Portal) als gegeben an, so sollte das Gateway sowohl die eindeutige Identifizierung der Teilnehmer als auch die hohe Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindungen gewährleisten. Das ist durch Kombination mehrerer Verschlüsselungsstufen sowohl für den Transportweg als auch für den Backend- und Frontend-Bereich zu erreichen.
  • Weltweite Funktionsfähigkeit Die für Anwender aus der Prozesstechnik erkennbar wichtigste Erwartung betrifft den Einsatz einer weltweit verfügbaren Kommunikationstechnologie, um Anlagen gerade an abgelegenen Standorten ständig überwachen und damit sicher betreiben zu können. Diese Forderung erfüllt aktuell einzig der Mobilfunk mit seinem dichten Netzwerk an Netz-Providern und dem Einsatz einer universellen, global gültigen eSIM-Karte für automatischen Netzwechsel und einfache Abrechnung der Übertragungskosten.
  • Unerhebliche Übertragungskosten Die Kosten für die Überwachung einer Messstelle sollen aus Anwendersicht im Vergleich zu den sonstigen Betriebskosten unerheblich sein. Angesichts der für die Nutzung einer eSIM-Karte bekannten Tarife kann der Mobilfunk auch diese Forderung erfüllen: Die monatlichen Kosten liegen im Bereich 10 bis 20 € in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebsmodus: dieser reicht vom online-Modus (dauerhafte Verbindung) über einen Intervall-Modus (Übertragung nur bei bestimmten Werten oder in bestimmten Zeitintervallen) bis hin zum kostenlosen „Schlafbetrieb“, bei welchem das Gerät nur in Bedarfsfällen „aufgeweckt“ wird.
  • Leistungsfähiges Portal zur Datennutzung
    Wo auch immer die mit einem IoT Edge Gateway ausgerüsteten Maschinen installiert sind, ihre Daten müssen zu Nutzung auf ein zentrales, leistungsfähiges Portal gelangen. Hier erfolgt die Nutzung der Daten, die Verwaltung von Geräten, Anwendern und Zugriffsrechten, ein mögliches Update der Maschinen oder die Bewertung der aktuell bestehenden Datenverbindung, um nur einige Erwartungen der Anwender an ein Portal zu nennen.

 

 

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Fazit und Ausblick

Die Anwender-Erwartungen an ein „IoT Edge Gateway“ sind, wie gezeigt, vielfältig und ihre Erfüllung durch die Gerätehersteller damit zugleich Vorrausetzung für erfolgreiche IoT-Geschäftsmodelle. So ist es nachvollziehbar, dass immer mehr Hersteller entsprechende Geräte auf den Markt bringen. Zu bewerten ist dabei allerdings, in welchem Umfang die oben genannten Erwartungen/Forderungen der Anwender erfüllt werden. Hier haben Hersteller mit ausgeprägter „Mobilfunk-Vergangenheit“ einen nicht unwesentlichen Vorsprung nach dem Motto: Langjährige Erfahrungen mit immer neuen Technologien und Anwendungen sind Voraussetzung für leistungsfähige Neuentwicklungen.