IT Explained:

IIoT




Was ist IIoT?

IIoT steht für „Industrial Internet of Things“ (industrielles Internet der Dinge) und bezieht sich auf ein Netzwerk verbundener Geräte im industriellen Bereich. Es handelt sich um einen Unterbereich des Internet der Dinge (IoT). Verbundene Geräte in IIoT-Netzwerken zeichnen sich dadurch aus, dass sie Daten ohne Interaktionen von Mensch zu Mensch oder vom Menschen zum Computer übertragen. Sie kommunizieren über Gateways, wobei es sich um physische Server handelt, die Daten filtern und sie an andere Geräte und Softwareanwendungen übertragen.

Die Begriffe IIoT und IoT beziehen sich sowohl auf proprietäre, eigenständige Netzwerke als auch auf weitere, globale Netzwerke.

Was ist ein IoT-Gerät?

Das erste verbundene Gerät (ca. 1982) war ein Coca-Cola-Verkaufsautomat an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh in den USA. Der Automat war programmiert, die Betriebstemperatur zu überwachen und die Anzahl der vorrätigen Flaschen zu verfolgen. Ein Kabel verband Sensoren, die am Automaten befestigt waren, mit dem Zentralrechner der Informatikabteilung. Der Computer war mit dem Advanced Research Projects Agency Network (ARPANET), dem Vorläufer des heutigen Internets, verbunden. Informationen zum Vorrat des Verkaufsautomaten waren jedem zugänglich, der mit dem ARPANET verbunden war und der Zugang zum lokalen Ethernet der Universität hatte.

Der Begriff IoT wurde erst 1999 von Kevin Ashton, einem Technologieforscher, eingeführt.

Ein IoT-Gerät wird über einen IoT-Gatewaydienst mit einem anderen Gerät verbunden. Dabei kann es sich z. B. um ein tragbares Gerät handeln, das sich mit einem Smartphone verbindet, das das physische Gateway für die Softwarefunktionalität des Geräts darstellt. Dies ist ein Beispiel für ein eigenständiges IoT-System. Im weiteren IoT-Ökosystem kommunizieren Geräte über cloudbasierte Gateways, z. B. Remote-Sensoren, die Wetterdaten an ein Wetteramt übertragen.

In privaten, gewerblichen und industriellen Umgebungen umfassen IoT-Technologien tragbare Geräte, Haushaltsgeräte, Versorgungsnetze, Sicherheitsüberwachungssysteme, Wettervorhersagedienste, Überwachungssysteme für Verkehr und Menschenmengen, Fahrzeuge sowie Beleuchtungs- und Heizungsanwendungen.

Das IIoT im Detail

In einem IIoT-System liefern z. B. Sensoren für Temperatur, Bewegung, Licht und Druck Daten an speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), industrielle Überwachungssysteme (ICS) oder SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition). Diese Systeme geben die Informationen an einen IIoT-Prozess weiter. Dann liefert eine Funktion im IIoT-Prozess die Informationen an ein Gerät, z. B. eine Heizung, eine Überwachungskamera, einen Beleuchtungskörper oder einen Druckausgleicher.

Beispiele von IIoT-Geräten in einem IIoT-Netzwerk umfassen Sensoren, Computer und Maschinen für Herstellung, Landwirtschaft und unternehmenskritische Anwendungen wie z. B. Nuklear- und Energiemanagementsysteme.

Zu Beispielen von IIoT-Anwendungen gehören Warnungen zu Gerätestörungen in einer Fabrik, Remote-Monitoring des mit Computerchips versehenen Viehbestands in einem Landwirtschaftsbetrieb und die Verwaltung von Versorgungssystemen wie z. B. Verkehrsnetzen.

Daten von IIoT-Sensoren werden verwendet, um verwertbare Einsichten in physikalische Ereignisse und die Umwelt zu erhalten. In unternehmenskritischen Systemen können IIoT-Technologien Frühwarnungen zur Umwelt liefern, z. B. zu erhöhten Kohlenmonoxidwerten in einer Fabrik.

Die meisten IoT-Anwendungen werden in der öffentlichen Cloud ausgeführt. Proprietäre IIoT-Systeme werden hauptsächlich in privaten Clouds betrieben, die für gewerbliche, staatliche und industrielle Organisationen entwickelt wurden.

Was ist OT?

OT steht für Operational Technology. Der Begriff bezieht sich auf die Betriebsabläufe, Hardware und Software, die für Monitoring, Steuerung und Änderung des Verhaltens von Geräten und Systemen eingesetzt werden, z. B. der Temperatur in einem Raum oder einem Schienennetz. Dabei besteht ein Ziel in der Automatisierung dieser Prozesse. 

Zu Beispielen von OT-Geräten gehören Sensoren, Regelventile, Maschinen, Sender, Stellglieder, Kameras, elektronische Schlösser, Motoren, Thermostate, Fabrik- und Anlagenausrüstungen, eingebettete Systeme, Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) und Roboter. OT-Systeme kommunizieren hauptsächlich über Punkt-zu-Punkt-Netzwerke. 

Zu OT-Anwendungen gehören Telekommunikation, Elektronik, chemische Verfahren, Papierherstellung, Kraftwerk- und Atomkraftwerkverwaltung, Abfallbehandlung, Bergbau, Wasseraufbereitung, Gebäudemanagement sowie Öl- und Gasverarbeitung. 

OT-IIoT-Konvergenz

Der Begriff OT-IIoT bezeichnet die Entwicklung von OT-Systemen zur Remoteverwaltung physischer Geräte und Systeme mit IoT- und IIoT-Technologien. OT-Systeme verwenden spezialisierte Software-Standards und -Protokolle, z. B. Distributed Network Protocol 3, Modbus, EnOcean und LonWorks. Diese Protokolle wurden entwickelt, um in traditionelle IoT- und IIoT-Protokolle integriert zu werden. 

Traditionell bestand die größte Herausforderung für OT-Systeme darin, dass Komponenten oft ohne eingebaute IT-Sicherheit entworfen wurden. In OT-Systemen werden Sicherheitsfunktionen von festverdrahteten Steuersystemen ausgeführt. Das IIoT ändert die Art und Weise, auf die OT-Geräte gesichert werden, nämlich mit cloudbasierten Sicherheitsanwendungen. 

Zum Beispiel werden bei der OT heutzutage zunehmend digitale Zwillingsgeräte eingesetzt, bei denen es sich um das Äquivalent von Entwicklungsumgebungen oder virtuellen Umgebungen zum Test von Anwendungen handelt. Zwillingsgeräte sind digitale Darstellungen realer Systeme und Geräte. Bei Herstellung und Industrie werden digitale Zwillingsgeräte eingesetzt, um neue Betriebsprozesse an kritischen Objekten zu testen, ohne das „echte“ Objekt zu beeinträchtigen. Updates, Reparaturen und neue Funktionalitäten können an physischen Geräten vorgenommen und ihre Auswirkungen analysiert werden, bevor Änderungen an Software oder Hardware implementiert werden. Zwillingsgeräte werden auch für Simulationen mit unterschiedlichen Dateneingaben verwendet. Das Ziel besteht darin, das Verhalten von Systemen und Geräten in unterschiedlichen Szenarien zu beobachten und zu optimieren. 

Was ist der Unterschied zwischen IIoT und OT?

Traditionell hat sich OT auf die operative Steuerung physischer Geräte konzentriert, hauptsächlich im Industriebereich.

Die Grenzen zwischen IoT-, IIoT- und OT-Systemen verwischen sich zunehmend. In modernen OT-Anwendungen werden IIoT-Netzwerke für Monitoring und Verwaltung physischer Geräte und operativer Anwendungen eingesetzt. Ein Beispiel dafür ist die Zusammenfassung von Daten in OT-Systemen aus verschiedenen Quellen wie physischen Sensoren, Datenbanken und Remote-Gateways. Die Analyse dieser Daten in OT-Systemen war hauptsächlich ein manueller Vorgang, aber jetzt wird IIoT-Software eingesetzt, um die Sammlung und Analyse der Daten zu automatisieren. 

Wo werden IIoT-Systeme eingesetzt?

IIoT wird in Versorgungsbetrieben und unternehmenskritischen Systemen eingesetzt, um Ausfälle zu bewältigen oder hohe Beanspruchungen von Ressourcen zu erkennen, z. B. bei Stromnetzen und Kernkraftwerken. IIoT-Technologie kann die Zuverlässigkeit von Ressourcenverteilungen verbessern. IIoT-Analyse-Software erkennt Fehler, benachrichtigt Unternehmen über Ausfälle und schlägt Reparaturen vor.

Im Fuhrparkmanagement werden IIoT-Anwendungen eingesetzt, um Fahrzeuge, Lieferungen, Fahrer und die Effizienz von Arbeitsabläufen zu verfolgen. IIoT-Verfolgung verbessert die betriebliche Effizienz und ermöglicht Remote-Support von externen Mitarbeitern.

In der Agrarindustrie helfen die Analyse- und Vorhersagefunktionen von IIoT Landwirten, fundierte Entscheidungen zum Erntezeitpunkt zu treffen. IIoT-Sensoren sammeln Daten zu Boden und Wetterbedingungen und schlagen optimale Dünge- und Bewässerungspläne vor. Eingebettete Computerchips überwachen Gesundheit und Standort des Viehbestands.

In der Fertigungsindustrie wird IIoT für das Anlagen- und Versorgungskettenmanagement eingesetzt. Es ermöglicht zentralisiertes Management von Anlagen und unterstützt Echtzeitkommunikation zwischen Zulieferern, Herstellern, Lagerungseinrichtungen, Lieferunternehmen und Kunden. IIoT-Anwendungen überwachen Wartungsprogramme in der gesamten Versorgungskette und ermöglichen Remote-Kommunikation. IIoT hält menschliche Fehler in der Bestandsführung minimal. IIoT-Anlagenverwaltung erfordert weniger menschliche Arbeitskraft und reduziert die Kosten für Waren und Dienstleistungen.

Anwendungsbereiche für IIoT-Technologien

Wenn IoT-Technologien für industrielle Anwendungen eingesetzt werden, lässt sich die Produktivität steigern. Zum Beispiel können Remote-Mitarbeiter durch spezialisierte Software in mobilen Geräten mit ihren Büros in Verbindung bleiben, Aufgaben verfolgen und auf Informationen zugreifen, die sie zur Erledigung ihrer Arbeit brauchen. Sich wiederholende Aufgaben können automatisiert werden.

IIoT-Endpunkt-Sicherheit kann automatische Warnungen zu versuchten Sicherheitsverletzungen liefern. Automatisierte Warnungen ermöglichen kosteneffektives Sicherheits-Monitoring rund um die Uhr.

Organisationen können Anwendungen wie Shodan einsetzen, um zu überprüfen, ob ihre verbundenen Geräte anfällig für Cyberkriminelle sind.

Vorbeugende Wartungsprozesse können Kosten senken. Intelligente Sensoren zum Monitoring von Geräten und Produkten können mechanische Störungen und Systemausfälle erkennen und Ausfallzeiten im Zaum halten.

Intelligente Netzwerke können die Hardware-Effizienz steigern. Zum Beispiel können „Zuhörer“ an Low-Power Wide-Area Networks (LPWANs) die Batterielebensdauer von batteriebetriebenen Geräten verlängern, wenn sie in abgestuften Intervallen nach neuen Nachrichten suchen, anstatt ständig eingeschaltet zu sein. Wie funktionieren IIoT-Technologien?

IIoT-Protokolle und -Standards

Das IIoT, das sich auf industrielle Anwendungen konzentriert, ist ein Unterbereich des IoT. Das IIoT und das IoT beruhen auf ähnlichen grundlegenden Standards und Protokollen. IIoT-Standards und -Protokolle gelten speziell für industrielle Anwendungen.

Ein Netzwerk hat drei Hauptschichten: die physikalische Schicht, die Sensoren und physische Geräte umfasst, die Netzwerkschicht, die Geräte verbindet und das IoT- oder IIoT-Gateway darstellt, und die Anwendungsschicht, die die Daten liefert. Komponenten in diesen Schichten werden durch spezialisierte Protokolle und Standards verwaltet, z. B. hinsichtlich Infrastruktur (IPv4/IPv6, RPL, QUIC), Kommunikation (Wi-Fi, Bluetooth, LPWAN, NFC, Zigbee, DigiMesh), Daten (MQTT, CoAP, AMQP, SMCP, XMPP, LLAP, REST, SOAP), Geräten (TR-069, OMA-DM, OMA LwM2M) und Sicherheit (OTrP, X.509).

Die fünf von Netzwerken verwendeten Haupttypen von Kommunikations- und Konnektivitätsprotokollen sind Mobilfunk, Wi-Fi, LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), Zigbee und Bluetooth.

Die Reichweite der Kommunikationssignale kann sehr unterschiedlich ausfallen. Die Reichweitenschwankungen hängen hauptsächlich davon ab, ob zwischen einem Signal und einem Gerät Behinderungen vorhanden sind und welches Protokoll verwendet wird. Im Standard IEEE 802.11x werden Geschwindigkeit und Reichweite von Signalen definiert, die zwischen drahtlosen Clients übertragen werden.

Die Reichweite bei Mobilfunktechnologien (GSM 3G/4G/5G) beträgt 30–200 km, jedoch hat die große Anwendungsreichweite einen hohen Preis. Wi-Fi ermöglicht schnelle Datenübertragungen über kürzere Entfernungen von 50 bis 100 m. Zigbee wird hauptsächlich für industrielle Anwendungen eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein Netzwerk mit geringer Leistung und niedriger Datenübertragung und einer Reichweite von 10 bis 100 m.

Für Bluetooth wird das „Bluetooth Low-Energy (BLE)“- oder das „Bluetooth Smart“-Protokoll für IoT-Anwendungen verwendet. Bluetooth-Geräte lassen sich in drei Klassen unterteilen. Die Reichweite von Bluetooth-Verbindungen liegt zwischen 1 und 100 m. Bluetooth-Geräte der Klasse 1 können ein Signal bis zu 100 m weit übertragen. Ein Bluetooth-Gerät der Klasse 3 kann ein Signal nur über eine Entfernung von ca. 1 m übertragen. Für die Verbindung tragbarer Geräte werden gewöhnlich Bluetooth-Protokolle verwendet.

LoRaWAN kann Millionen von verbundenen Geräten mit geringer Leistung unterstützen, z. B. in einem intelligenten Stadtsystem. Seine Reichweite beträgt 2–15 km. In einem Experiment der Dutch Telco KPN im Jahr 2017 deckte ein LoRaWAN-Signal von einem Heißluftballon jedoch 700 km ab.

Bei IIoT-Netzwerken ist Message Queue Telemetry Transport (MQTT) ein üblicher Standard zur Verwaltung des Datenflusses zwischen Sensoren und Anwendungen. Data Distribution Service (DDS) ist ein Standard, der hochleistungsfähige Maschine-zu-Maschine-Verbindungen (M2M) unterstützt, wobei es sich um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Geräten handelt. 

Geräteverwaltung

Zu den grundlegenden Aufgaben der IIoT-Geräteverwaltung gehören die Authentizitätsprüfung registrierter Geräte, das Rücksetzen außer Betrieb genommener Geräte, die Neukonfiguration neuer Geräte, die Diagnose von Softwarefehlern und Betriebsanomalien, die Aktualisierung von Software, die Empfehlung von Wartungsplänen sowie das Monitoring von Datennutzung und Betriebszeit.

Der neueste Trend bei der Geräteverwaltung geht dahin, kontextbezogene Funktionalitäten in traditionelle Geräteverwaltungslösungen einzubeziehen. Kontextbezogene Empfehlungssysteme (CARS) helfen Benutzern, Entscheidungen zur Arbeitsweise ihrer Geräte auf der Grundlage unterschiedlicher Szenarien zu treffen. Kontextbezogene Funktionsregeln können helfen, die Verwendungsweise eines Geräts in der realen Welt zu definieren. Ein Gerät, das in einem bestimmten Kontext eingesetzt wird – z. B. remote oder in einem Gebäude – kann konfiguriert werden, um bei ungünstigen Bedingungen hinsichtlich seines Status eine Warnung zu senden. Ein Beispiel dafür wäre ein verbundenes Fahrzeug, das bei schlechtem Wetter gefahren wird – eine Situation, die bei einem fahrerlosen Hubwagen, der an einer Fertigungsstrecke in einer Fabrik eingesetzt wird, nicht eintreffen kann. Ein weiteres Beispiel wäre ein Gerät, das Positionsinformationen zum Betrieb braucht. Wenn ein Gerät nicht in der Lage ist, GPS zu verwenden, warnt sein vordefinierter Status – in diesem Fall ein Status, für den GPS-Funktionalität erforderlich ist – den Benutzer, dass es nicht wie erwartet funktionieren kann. 

 Konnektivität und Netzwerke

Zu den Funktionen von Gerätekonnektivität und Netzwerkverwaltung gehören begrenzte Datennutzung, Einschränkung von Daten nach Bedarf, Bereitstellung von Nutzungsmessungen und Warnungen, Anpassung von Inhalten, Sicherung von Inhalten, Einschränkung des Zugriffs zu unternehmenskritischen Informationen und Zulassung benutzerdefinierter Funktionen auf der Grundlage von Rollen.

IoT-Geräte, IIoT-Geräte und Sensoren kommunizieren über ein Gateway, das es ihnen ermöglicht, Daten über ein Netzwerk auszutauschen, entweder von Gerät zu Gerät, oder vom Gerät zur Cloud. Ein Smartphone, ein tragbares Gerät, ein Fabrikroboter und ein Herzschrittmacher kommunizieren alle unterschiedlich. Das Gateway ermöglicht die Kommunikation zwischen Geräten, die unterschiedliche Protokolltypen verwenden. Ein Gateway reduziert auch die Reichweite, über die ein Sensor kommunizieren muss, weil es Sensordaten direkt an ein Gerät weiterleiten kann, das sich außerhalb der unmittelbaren Reichweite des Sensors befindet.

Das Konzept des Edge-Computing ist für IoT- und IIoT-Gateways von zentraler Bedeutung. IIoT-Systeme verarbeiten große Datenmengen aus vielen Quellen, die über entfernte Standorte verteilt sind. Mit Edge-Datenmodellierung werden kritische Daten in einem IIoT-System am Gateway vorverarbeitet und gefiltert. Auf diese Weise wird zur Vermeidung von Engpässen beigetragen.       

Sicherheit

Das vom Weltwirtschaftsforum entwickelte IIoT-Sicherheitsprotokoll zielt darauf ab, IIoT-Sicherheitsfragen anzugehen. Die North American Electric Reliability Corporation (NERC) legt Standards zur Cybersicherheit für Stromversorgungssysteme und Energieversorger in den USA fest, und das National Institute of Standards and Technology (NIST) liefert Richtlinien zur Sicherung industrieller Steuersysteme. Die Chemical Facility Anti-Terrorism Standards (CFATS) definieren Sicherheitsbestimmungen für risikoanfällige IIoT-Systeme, z. B. in Chemiewerken und Raffinerien. 

Was sind die häufigsten Optionen für IIoT-Konnektivität?

Netzwerke werden gewöhnlich im Hinblick auf ihre Abdeckung eingeteilt. Near Field Communication (NFC) ist ein Netzwerk mit niedriger Geschwindigkeit und einer Reichweite von einigen Zentimetern. Es wird gewöhnlich in kontaktlosen Zahlungssystemen eingesetzt. Fernnetze (WAN) decken große geographische Gebiete ab und schließen kleinere Netzwerke wie z. B. lokale Netzwerke (LAN) mit ein. Ein LAN deckt gewöhnlich ein Gebäude ab, z. B. einen Bürokomplex. Ein Fahrzeugnetzwerk (VAN) verbindet Rettungsfahrzeuge mit Kameras, Radar- und GPS-Systemen.

Netzwerke können auch im Hinblick auf ihre Konfigurationsart eingeteilt werden, z. B. in Maschen-, Leitungs-, Bus-, Stern- oder Baumkonfiguration. Vermaschte Netze sind bei IoT-Systemen beliebt, weil sie flexibel sind und die Verbindung von Knoten mit anderen Knoten ohne strenge hierarchische Regeln zulassen.

IIoT-Herausforderungen für Organisationen

Die gleichen Schwachstellen, die Computer-Hardware und -Software außerhalb von IIoT-Systemen betreffen, betreffen auch das IIoT. Hardwaredefekte, Firmware- und Softwarefehler, mangelnde Wartung, defekte Teile und die Verwendung von Geräten unter extremen Bedingungen können zu Geräteausfällen beitragen.

Trotz der Bemühungen zur Bekämpfung der Cyberkriminalität nimmt die Zahl der Cyberangriffe täglich zu. Kritiker argumentieren, dass IoT und IIoT besonders anfällig für Kriminelle sind. Ein Grund dafür liegt darin, dass auf intelligente Geräte remote zugegriffen wird und sie remote betrieben und verwaltet werden.

Für Arbeiter und Angestellte kann die großangelegte Automatisierung in manchen Branchen zu einem Verlust von Arbeitsplätzen führen.

Zynische Beobachter weisen darauf hin, dass Anbieter vom IIoT profitieren werden, um überflüssige Sicherheitsanwendungen zu entwickeln und an technologisch unbedarfte Unternehmensbesitzer zu verkaufen.

Zusammenfassung

Experten gehen davon aus, dass das IIoT weitere Verbreitung finden wird als das IoT. Der Grund dafür liegt darin, dass Herstellungsunternehmen sehr daran interessiert sind, ihren Reingewinn und ihre Rentabilität zu verbessern, die Arbeitskosten zu senken und die Produktivität zu steigern. Um das zu erreichen, müssen Organisationen in Software zu Verwaltung und Monitoring ihrer Netzwerke investieren.

 

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