Ein Kochbuch für IoT-Umgebungen in der Gebäudefertigung

• Der Aufbau erfolgreicher IoT-Umgebungen umfasst drei Schichten: einen „Kuchen“, sozusagen eine Prozess-, Fabrik- und Geschäftsschicht.
• IoT-Entwickler können die Elemente auf diesen drei Ebenen identifizieren, aus denen ihre IoT-Umgebungen bestehen.
• Durch die Identifizierung jeder Schicht und ihrer Elemente können IoT-Architekten die IoT-Prozesse einrichten, die die Geschäftsziele ihres Unternehmens vorantreiben.

Der Industriesektor arbeitet seit einem Jahrhundert daran, die Umwandlung von Materialien oder Teilen in Produkte effizienter zu gestalten.

Es ist keine Überraschung, dass der Fertigungssektor führend bei der IoT-Einführung ist, aber viele Hersteller haben immer noch Schwierigkeiten mit der Einführung und Nutzung des IoT im Betrieb.

Für diejenigen, die dies tun, finden Sie hier ein einfaches Rezept zum Aufbau von IoT-Umgebungen für die Fertigung, das Sie dabei unterstützt. In dieser Diskussion verwenden wir den Begriff „Sensor“ für IoT-Geräte, die einen Zustand melden, „Effektor“ für die Klasse von IoT-Geräten, die etwas bewegen oder öffnen sollen, und „Controller“ für ein IoT-Gerät, das eine Verbindung herstellt und mit ihm interagiert Sensoren und Effektoren.

Ein allgemeiner Überblick über IoT-Umgebungen

Unternehmen streben nach IoT und Fabrikautomatisierung, und einige haben erhebliche Fortschritte erzielt. Der beste Ansatz im IIoT besteht darin, Ihr IoT-Projekt wie einen Kuchen in drei verschiedene Schichten zu unterteilen.

Diese Struktur ermöglicht es Herstellern, IoT-Geräte an Herstellungsprozesse anzupassen, diese Prozesse in einen Fabrik-Workflow zu integrieren und diesen Workflow in die Geschäftsanwendungen zu integrieren, die Teile und Rohstoffe erwerben und Fertigwaren verkaufen.

Dieser dreistufige Ansatz ermöglicht es Entwicklern von IoT-Umgebungen, IoT-Prozesse umzusetzen, die die Ziele des Unternehmens widerspiegeln.

Die Bestandteile eines IIoT-Projekts

Prozessschicht. Im Gegensatz zu vielen IoT-Anwendungen, die auf Sensoren aufbauen, die Bedingungen lesen, und „Effektoren“, die Dinge in der realen Welt bewegen oder verändern, basiert das Fertigungs-IoT in der Regel auf spezifischen Prozessen, die jeweils aus den Werkzeugen bestehen, die zur Durchführung eines Fertigungsschritts erforderlich sind, sowie aus den benötigten Arbeitskräften um ihn auszuführen, und die IoT-Geräte, die erforderlich sind, um den Prozess in einen automatisierten Kontrollumschlag zu hüllen. Zu diesen Geräten gehört ein lokaler Controller mit eigenen Geräteprotokollen und eigener Programmiersprache, der IoT-Geräte in aktive Komponenten des Prozesses selbst umwandelt. Das Prozessschicht ist die Grundlage für die Herstellung von IoT-Designs.

Werkseitige Randschicht. Die Fertigung beginnt mit Prozessen, aber alle Prozesse müssen in einer zusammenhängenden Fabrikvision zusammengefasst werden. Das ist die Aufgabe der zweiten Schicht des Kuchens Werksrandschicht. Während die Prozessschicht typischerweise aus Geräten und Spezialsteuerungen aufgebaut ist, besteht die Fabrik-Edge-Schicht aus „eingebetteten Steuerungs“- oder „Edge-Computing“-Geräten, bei denen es sich zunehmend um eine Art Allzweck-Rechnergerät handelt. Diese Ebene verwaltet die Prozesse, sodass die Arbeit in der Fabrik ordnungsgemäß abläuft und die Sicherheit von Arbeitern und Maschinen in der Fabrik gleichermaßen gewährleistet ist.

Business-Schicht. Waren erscheinen oder verschwinden nicht auf magische Weise in einer Fabrik. Hersteller verfügen über Softwaresysteme, die die Lieferung von Teilen/Rohstoffen unterstützen, oft basierend auf Prinzipien wie Just-in-Time-Fertigung (JIT) oder JIT-Planung von Lieferungen, um den Lagerbestand zu minimieren. Es gibt auch Systeme, die den Bestand an Fertigwaren verwalten und diese in einen Vertriebskanal verschieben. Diese Systeme bilden die Geschäftsschicht des Kuchens, der Ort, an dem Legacy-Anwendungen auf IoT und Prozessautomatisierung treffen.

Ein IIoT-Umgebungsrezept

Da die Prozessschicht die Grundlage des IIoT bildet, beginnt eine optimale Strategie dort:

• Machen Sie eine Bestandsaufnahme der Ausgabe-APIs (Application Programming Interfaces) aller Prozesselemente in der Fabrikhalle. Beachten Sie die API, Netzwerkanforderungen, Datenformate und die Art der Informationen, die jeweils verfügbar sind. Wenn mehrere Optionen unterstützt werden, nicht die Fähigkeiten der einzelnen Optionen.
• Stellen Sie sicher, dass jede Prozessschnittstelle eine Möglichkeit bietet, die Start- und Abschlussschritte des Prozesses mit einer übergeordneten Anwendung zu koordinieren. Identifizieren Sie auch die Mittel dazu
  „Notstopp“ des Prozesses bei Bedarf.

Betrachten Sie nun die Beziehung zwischen der Prozessschicht und der Fabrikkantenschicht. Sie müssen eine Verbindung zwischen jedem Fabrikprozess in der Prozessschicht und einem Edge-Computer in der Fabrik-Edge-Schicht herstellen, daher muss es eine allgemein unterstützte Schnittstelle für diese Verbindungen geben.

• Führen Sie für jedes in Frage kommende Factory-Edge-System eine Bestandsaufnahme aller unterstützten APIs und Netzwerkschnittstellen durch. Für ein Edge-Gerät gibt es möglicherweise mehrere Betriebssysteme, Middleware oder Anwendungspakete, also erkunden Sie sie alle.
• Finden Sie die Übereinstimmung zwischen den verfügbaren Prozessschichtschnittstellen und den Edge-Systemen der Fabrik. Ein passendes Match unterstützt den gesamten Nachrichtenaustausch, den Sie benötigen. Wenn es mehrere passende Übereinstimmungen gibt, suchen Sie eine Netzwerk-/Schnittstellenkombination, die zu der größten Anzahl von Prozessschichtelementen passt, um die Komplexität der Factory-Edge-Verarbeitung zu reduzieren.
• Die beste Vorgehensweise besteht darin, vor der Verarbeitung eine Aufgabe zum Konvertieren aller Datenströme der Prozessschicht in der Factory-Edge-Anwendung in eine gemeinsame Datennachrichtenstruktur einzuschließen. Dadurch werden Entwicklungs- und Softwarewartungsaufwand, Zeitaufwand und Fehlerquote deutlich reduziert.

Jetzt den Kuchen glasieren. Die Geschäftsschicht des Fertigungs-IoT-Kuchens ist für die Integration mit den Anwendungen verantwortlich, die Teile, Materialien und Fertigprodukte verarbeiten. Dies ist auch der Ort, an dem das Fertigungs-IoT die lokale Fabrikumgebung verlässt, um entweder eine Verbindung zum Unternehmensrechenzentrum oder zu einer öffentlichen Cloud-Anwendung herzustellen.

• In den meisten Fällen sind die von der Unternehmensseite verfügbaren Schnittstellen, mit denen sich die Fabrik-Edge-Schicht verbinden kann, ziemlich statisch. Machen Sie eine Bestandsaufnahme dieser Schnittstellen und dokumentieren Sie deren Anforderungen und Fähigkeiten.
• Inventarisieren Sie die Schnittstellen, die von den Fabrik-Edge-Systemen unterstützt werden können, und identifizieren Sie die kleinste Anzahl dieser Schnittstellen, die für die Verbindung mit der Geschäftsschicht geeignet sind.
• Achten Sie auf die Sicherheit dieser Verbindungen, da sie Schnittstellen zu zentralen Geschäftsanwendungen und Datenbanken offenlegen.

Der Aufbau von IoT-Umgebungen erfordert einige letzte Handgriffe

Beim IIoT-IoT gibt es einige allgemeine Regeln, die bei der Untersuchung von Optionen für alle drei Ebenen unseres IoT-Kuchens beachtet werden sollten:

• Viele Benutzer bevorzugen drahtgebundene Verbindungen wie Ethernet sowohl für die Verbindungen vom Prozess zur Fabrik-Edge-Schicht als auch für die Verbindungen von der Fabrik-Edge zur Geschäftsschicht. Dies verbessert die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Die Verwendung eines abgeschirmten Ethernet-Kabels kann das Risiko elektrischer Störungen durch Maschinen verringern.
• Wenn in der Fertigungshalle drahtlose Netzwerke verwendet werden, sollten Sie die Verwendung separater Hubs in Betracht ziehen und das Fabriknetzwerk von anderen Wi-Fi-Anwendungen getrennt halten. Betrachten Sie Wi-Fi 6 als obligatorisch für groß angelegte Bereitstellungen oder dort, wo andere Benutzer dasselbe Wi-Fi-Netzwerk nutzen, und nutzen Sie die „Farb“-Funktionen von Wi-Fi 6, um die Netzwerkkapazität für kritische IoT-Flüsse zu vermitteln. Beachten Sie, dass Sie, um Wi-Fi 6 optimal nutzen zu können, sowohl auf den Geräten als auch im LAN WiFi-6-Kompatibilität benötigen.
• Sicherheit ist das wichtigste Anliegen. Stellen Sie sicher, dass die Implementierung Notruftasten umfasst, um Bewegungen zu stoppen und Arbeiter und Ausrüstung zu schützen.

Dokumentieren Sie Ihre IoT-Umgebung

Eine wichtige Faustregel ist, alles zu dokumentieren. Jede getroffene Entscheidung, jeder Konfigurationsparameter, jedes Softwareelement oder Gerät sollte vollständig dokumentiert, mit Änderungen aktualisiert und regelmäßig überprüft werden, um sicherzustellen, dass nichts übersehen wurde. Wenn Sie Geräte, Verbindungen und Anwendungen nicht klar dokumentieren, kann dies eine wahrscheinliche Ursache für zukünftige Probleme sein, von denen einige schwerwiegend sein können.