Viel Leistung mit wenig Energie: Low Power Technologie
Ziele von industrial IoT
Während beim IoT (Internet of Things), der private Anwender und Verbraucher im Mittelpunkt des Geschehens steht, sind es beim IIoT (Industrial Internet of Things) die industriellen Abläufe und Prozesse. Zu den Zielen des IIoT gehören die Steigerung der betrieblichen Effizienz und die damit verbundenen Kostensenkungen im technisch-industriellen Umfeld. Durch den Einsatz von IIoT-Konzepten können gänzlich neue Geschäftsmodelle realisiert oder bereits vorhandene Prozesse deutlich optimiert werden.
Die Grundidee hinter industrial IoT ist keineswegs neu: Messwerte (z.B. der aktuelle Füllstand eines Wasserbehälters) werden durch einen Sensor erfasst und an eine räumlich weit entfernte “Datenverarbeitungseinheit” mittels einer Internetverbindung übertragen. Dort werden dann die Daten analysiert und ggf. erforderliche Steuerungsmaßnahmen eingeleitet (wie z.B. das Nachfüllen des Wasserbehälters durch einen Wartungstechniker veranlasst).
Im Wesentlichen geht es also bei jeder Art von IoT darum, anhand von dezentral erfassten Messwerten ein virtuelles Abbild der realen, physischen Welt zu erhalten. Dies ermöglicht dann die zentrale Überwachung und Steuerung von Maschinen, Anlagen und Prozessen in allen infrastrukturellen und industriellen Bereichen unseres Lebens.
Energieprobleme herkömmlicher IIoT-Netzwerke
Eines der Hauptprobleme der bisherigen IIoT-Netzwerke ist der Energiebedarf, welcher zur Erfassung und zum Versendung der Messdaten erforderlich ist. Dies führt besonders bei dezentralen und energieautarken Systemen zu Problemen, denn hier müssen Sensortechnik und Datenübertragung in der Regel mit begrenzten Batterie- und Akku Kapazitäten realisiert werden. Verstärkt wird dieser Engpass noch durch die stetig steigenden Ansprüche an die Quantität der zu erfassenden Daten. Je genauer und granularer das digitale Abbild der Realität werden soll, desto höher steigt auch der Energiebedarf. Diese Situation mündet aktuell direkt in der Einführung neuer, energiesparender Funktechniken, wie z.B. LoRaWAN, Sigfox oder NB-IoT.
Niedrigenergie-Funksysteme (LPWAN)
Während bei bisherigen IIoT-Netzwerken meist auf energieintensive Mobilfunktechnik mit 2G-, 3G- oder 4G-LTE-Standard gesetzt wird, besteht der neue Ansatz vor allem im Einsatz von Niedrigenergie-Funksystemen zur Datenübertragung bis zu einem lokalen Internet-Gateway. Der Gateway selbst ist wesentlich einfacher mit Strom zu versorgen, als die einzelnen Devices und Sensoren. Der Energiebedarf eines “Low-Power-Wide-Area-Networks” (LPWAN) liegt oft um den Faktor Zehn unter dem eines mit herkömmlichen Mobilfunkstandard betriebenen Netzwerkes. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit von IIoT-Anwendungen
Der Weg der Daten im Niedrigenergie-IIoT-Netzwerk
- Erfassen von Messwerten (Sensor)
- Senden der Messwerte an einen lokalen Internetzugang (Gateway) mittels LPWAN
- Weiterleitung der Daten über das Internet an eine entfernte Cloud-Plattform, wo die Daten dann letztlich verarbeitet werden.
Die Kommunikation wird bei LPWAN von den IoT-Devices eingeleitet, üblicherweise sendet das IoT-Device Daten an die Basisstationen und warten ggf. kurz auf eine Empfangsbestätigung, um danach wieder in einen Ruhemodus zu verfallen.
Beispiele für Industrial IoT mittels LPWAN
Neben den bekannten Anwendungen wie Smart-City und Smart-Home ergeben sich neue und vertiefte Anwendungsfelder, wie z.B.:
- Überwachung und Positionsbestimmung von Gütern („Assetmanagement“). Dabei wird nicht nur der aktuelle Aufenthaltsort von Transportfahrzeugen und Containern getrackt, sondern der von Paletten, Transportbehältern oder den einzelnen Wirtschaftsgütern selbst.
- Statt einer planmäßigen, vorsorglichen Leerung von Wertstofftonnen, erfolgt eine Leerung nur bei tatsächlichem Bedarf. Die Bedarfsmeldung erfolgt dabei vom Wertstoffbehälter selbst.
- Zustandsüberwachung von großen Industrieanlagen nicht nur auf Ebene von Maschinen und Anlagen, sondern auf der Ebene von Baugruppen oder Bauteilen. Damit lassen sich nötige Wartungsintervalle besser “vorhersagen”. Stichwort: “Predictive Maintenance“
Die LPWAN Funktechnologien im Überblick
Sigfox
- Nichtlizenzierter Funkfrequenzbereich in Europa 868 MHz
- Bindung an einen Netzbetreiber
- Datenrate fest vorgegeben, unabhängig von Entfernung zu den Basisstationen
- Verbindung zur Cloud immer über einen lokalen Gateway (Basisstation)
- Energieverbrauch "SENDEN": gering | Energieverbrauch "SENDEN u. EMPFANGEN: mittel |
- Aufwand für Systemaufbau: Mittel | Kosten für Devices und Betrieb: gering
NB-IoT
- Lizenzierter Funkfrequenzbereich
- Bindung an einen Netzbetreiber oder Roaming
- Datenrate fest vorgegeben, unabhängig von Entfernung zu den Basisstationen
- Verbindung zur Cloud über eine angepasste (energiesparende) Mobilfunktechnik
- Energieverbrauch "SENDEN": mittel | Energieverbrauch "SENDEN u. EMPFANGEN: mittel bis hoch|
- Aufwand für Systemaufbau: mittel bis hoch| Kosten für Devices und Betrieb: gering bis mittel
LoRaWAN
- Nichtlizenzierter Funkfrequenzbereich in Europa 868 MHz
- Sowohl die Nutzung von Netzbetreibern als auch das Aufspannen von eigenen Funknetzwerken mit kostengünstigen Basisstationen ist möglich.
- Datenrate ist flexibel und wird mit dem Netzbetreiber bzw. LoRaWAN Netzwerkserver je nach Qualität der Funkverbindung zu den IoT-Devices im Betrieb vereinbart
- Verbindung zur Cloud immer über einen lokalen Gateway (Basisstation)
- Energieverbrauch "SENDEN": gering | Energieverbrauch "SENDEN u. EMPFANGEN: gering |
- Aufwand für Systemaufbau: mittel | Kosten für Devices und Betrieb: gering
LoRaWAN - der Alleskönner?
Wird für die Anwendung ein Flächendeckender Ausbau benötigt, dann ist genau zu untersuchen, wie die derzeitige und geplante Netzabdeckung im jeweiligen Einsatzgebiet ist bzw. sein soll. Ist z.B. ein Betrieb in Gebieten ohne Netzabdeckung durch einen Netzbetreiber geplant dann ist LoRaWAN klar im Vorteil, denn LoRaWAN bietet die Möglichkeit, kostengünstig ein eigenes Netz mit eigenen Basisstationen aufzuspannen.
Technologiebedingt bietet LoRaWAN von Haus aus eine sehr hohe Flexibilität und Unabhängigkeit von Netzbetreibern. Betrachtet man dies zusammen mit dem guten Kosten-/Nutzenverhältnis und dem sehr geringen Energiebedarf, so wird LoRaWAN tatsächlich zu einem “Allrounder” und zum Favoriten für sehr viele Anwendungsszenarien.
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