Alles, was Sie über die Verbindung Ihrer Maschinen mit der Cloud wissen müssen

Zunächst müssen Sie verstehen, dass ich kein Fertigungsprofi bin.

Ich half jedoch bei der Gründung eines Softwareherstellers, also wollte ich alles wissen, was es über Fertigung, Fertigungssoftware usw. zu wissen gibt.

Mein Ziel bei dem Versuch, so viel über die Fertigung und die zugehörige Software zu lernen, ist es, unseren aktuellen (und zukünftigen) Kunden zu helfen, das Beste aus der Fertigungssoftware in ihren jeweiligen Werken herauszuholen, damit sie mit weniger (Kosten und manueller Arbeit) mehr produzieren können.

Bisher habe ich über Software in der Fertigung, verschiedene Typen, die in der Fertigung verwendet werden, Cloud Computing und viele andere Themen geschrieben.

Bevor Hersteller jedoch ihre Maschinen mit der Cloud verbinden und das Beste aus der Digitalisierung herausholen können, müssen sie die Optionen dafür, die Vor- und Nachteile der einzelnen Verbindungssysteme/Protokolle und die Gründe dafür verstehen.

Hier kommt dieser Artikel ins Spiel. Darin werde ich verschiedene Systeme/Protokolle für die Verbindung von Maschinen mit der Cloud erörtern, wie sie entstanden sind und welche Vor- und Nachteile sie haben.

Eine kurze Geschichte der Fertigungsmaschinen

Ich wusste nicht genau, wo ich anfangen sollte, um eine kurze Geschichte der Fertigungsmaschinen zu lernen. In solchen Situationen ist generative KI normalerweise ein guter Anfang. Also habe ich ChatGPT gebeten, mir einen kurzen Überblick über die Geschichte der Herstellung von Maschinen zu geben und wie wir dahin gekommen sind, wo wir heute sind. Das ist es, was es sich ausgedacht hat:
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• Die ersten Fertigungsmaschinen entstand Ende des 18. Jahrhunderts während der industriellen Revolution.
• Fühler begann während der 1960er-1970er Jahre, was eine frühzeitige Automatisierung und Steuerung ermöglicht.
• Als die Herstellungsprozesse immer komplexer wurden, Kommunikationsprotokolle mögen Modbus, S7, und PROFINET wurden entwickelt, um die Kommunikation von Maschine zu Maschine und von Maschine zu Cloud zu erleichtern.
• Die Notwendigkeit von Cloud-Integration und Internet der Dinge in den 2000er Jahren trieb die Erstellung von Protokollen voran wie OPC-UA und MQTT, um sicherzustellen, dass Maschinen wichtige Daten zur Echtzeitüberwachung, vorausschauenden Wartung und Optimierung an die Cloud senden können.
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Das war ein ausgezeichneter Start. Es gibt jedoch viel zu entpacken, also fangen wir an.
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1. OPC-UA (Vereinheitlichte Architektur für offene Plattformkommunikation)

• Beschreibung: OPC-UA ist ein Maschine-zu-Maschine-Kommunikationsprotokoll, das in der industriellen Automatisierung häufig für den Datenaustausch verwendet wird. Es ermöglicht Maschinen, Geräten und Systemen, Daten sicher und zuverlässig auf verschiedenen Plattformen auszutauschen.
• Profis:
  • Plattformunabhängig: Kann auf jedem Betriebssystem und jeder Hardware verwendet werden.
  • Interoperabilität: Die standardisierte Schnittstelle unterstützt die Integration zwischen verschiedenen Systemen, Geräten und Sensoren verschiedener Hersteller.
  • Sicherheit: Integrierte Verschlüsselungs-, Authentifizierungs- und Datenintegritätsfunktionen.
  • Skalierbarkeit: Kann für kleine bis große industrielle Anlagen verwendet werden.
• Nachteile:
  • Komplexität: OPC-UA ist komplexer zu konfigurieren und zu verwalten als einige andere Protokolle.
  • Ressourcenintensiv: Kann aufgrund seines umfangreichen Funktionsumfangs mehr Rechenleistung und Netzwerkressourcen verbrauchen.
• Anwendungsfälle: Wird in der Regel in den Bereichen Fertigung, Prozessautomatisierung und Energie verwendet, wo ein zuverlässiger Datenaustausch zwischen Systemen, Maschinen und Cloud-basierten Plattformen erforderlich ist.
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2. S7-Protokoll (Siemens Simatic S7)

• Beschreibung: Ein proprietäres Kommunikationsprotokoll, das von Siemens für seine SPS (Programmable Logic Controllers) entwickelt wurde. Wird für die Kommunikation zwischen Siemens-Steuergeräten und angeschlossenen Geräten verwendet.
• Profis:
  • Maßgeschneidert für Siemens-Geräte: Optimiert für die S7-SPS-Familie und ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung.
  • Zuverlässigkeit: Bewährt in industriellen Umgebungen mit einem starken Fokus auf Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz.
  • Einfache Bedienung mit Siemens-Systemen: Nahtlose Integration in das Siemens-Ökosystem von Automatisierungs- und Steuerungsprodukten.
• Nachteile:
  • Anbieterspezifisch: Nicht so flexibel, wenn es um die Arbeit mit Geräten geht, die nicht von Siemens stammen, was die Interoperabilität beeinträchtigt.
  • Eingeschränkte Flexibilität: Weniger geeignet für Umgebungen, die eine Integration mit Geräten mehrerer Anbieter erfordern.
• Anwendungsfälle: Weit verbreitet in industriellen Umgebungen, in denen Siemens-Geräte (z. B. SPS, HMIs) weit verbreitet sind.
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3. MQTT (Message Queuing-Telemetrietransport)

• Beschreibung: Ein schlankes Messaging-Protokoll, das für minimalen Bandbreiten- und Ressourcenverbrauch konzipiert ist und sich ideal für Geräte und Anwendungen des Internet der Dinge (IoT) eignet.
• Profis:
  • Leicht: Dank des minimalen Overheads eignet es sich perfekt für IoT- und Cloud-basierte Anwendungen, insbesondere dort, wo die Bandbreite begrenzt ist.
  • Skalierbarkeit: Kann von kleinen Systemen bis hin zu großen Netzwerken verbundener Geräte skaliert werden.
  • Modell veröffentlichen/abonnieren: Effiziente Nutzung von Ressourcen, da Geräte nur die Nachrichten empfangen, die sie abonniert haben.
• Nachteile:
  • Eingeschränkte QoS: Servicequalitätsstufen sind vorhanden, eignen sich aber möglicherweise nicht immer für wichtige Echtzeitdaten.
  • Sicherheitsbedenken: Es gibt zwar sichere Implementierungen, aber MQTT verfügt standardmäßig nicht über eine integrierte Verschlüsselung, sodass zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind.
• Anwendungsfälle: Ideal für die Verbindung kleiner IoT-Geräte, Sensoren und Aktoren mit der Cloud in Sektoren wie Landwirtschaft, Smart Homes und kleinen industriellen Anwendungen.
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4. Modbus

• Beschreibung: Ein einfaches, offenes Kommunikationsprotokoll, das für die industrielle Gerätekommunikation verwendet wird, insbesondere in SCADA-Systemen. Es gibt mehrere Varianten, darunter Modbus TCP (Ethernet-basiert) und Modbus RTU (serielle Kommunikation).
• Profis:
  • Schlichtheit: Einfach zu implementieren und wird von einer Vielzahl von Industrieanlagen unterstützt.
  • Interoperabilität: Als offenes Protokoll wird es von vielen Geräten und Herstellern unterstützt.
  • Preiswert: Keine Lizenzgebühren oder umfangreiche Konfiguration erforderlich.
• Nachteile:
  • Eingeschränkte Datenübertragung: Nicht für schnelle oder komplexe Datenstrukturen konzipiert.
  • Keine eingebaute Sicherheit: Es fehlen native Sicherheitsfunktionen, sodass zusätzliche Ebenen erforderlich sind, um eine sichere Kommunikation zu gewährleisten.
• Anwendungsfälle: Häufig in älteren Systemen oder kleineren Anlagen, häufig in Energieüberwachungs-, HLK- und Industriesteuerungen.
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5. PROFINET (Prozessfeldnetz)

• Beschreibung: Ein Ethernet-basiertes Kommunikationsprotokoll, das für industrielle Automatisierungssysteme in Echtzeit entwickelt wurde und von Siemens entwickelt wurde. Es unterstützt die Kommunikation zwischen industriellen Steuerungen (z. B. SPS) und Geräten wie I/O-Blöcken, Robotern und Antrieben.
• Profis:
  • Kommunikation in Echtzeit: Optimiert für schnelle, deterministische Kommunikation, unverzichtbar in Echtzeitsteuerungssystemen.
  • Hoher Datendurchsatz: Geeignet für Anwendungen, die einen erheblichen Datenaustausch erfordern.
  • Skalierbarkeit: Kann sowohl für kleine Systeme als auch für große, verteilte Netzwerke verwendet werden.
• Nachteile:
  • Aufwändige Konfiguration: Die Einrichtung und Verwaltung von PROFINET-Netzwerken kann eine Herausforderung sein und erfordert spezielles Fachwissen.
  • Anbieterspezifisch: In erster Linie auf Siemens-Produkte ausgerichtet, was die Flexibilität in Umgebungen mit mehreren Anbietern einschränkt.
• Anwendungsfälle: Ideal für Anwendungen, die eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung erfordern, wie Robotik, Werkzeugmaschinen und Hochgeschwindigkeitsverpackungen.
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6. EtherNet/IP (Ethernet-Industrieprotokoll)

• Beschreibung: Ein Protokoll, das für die Echtzeitsteuerung in industriellen Automatisierungssystemen verwendet wird und die Standard-Ethernet-Technologie verwendet.
• Profis:
  • Standardisiertes Ethernet: Nutzt eine gut etablierte Ethernet-Infrastruktur, die die Integration in IT-Netzwerke erleichtert.
  • Steuerung in Echtzeit: Geeignet für industrielle Hochleistungsanwendungen, die ein präzises Timing und eine präzise Synchronisation erfordern.
  • Skalierbarkeit: Kann sowohl kleine als auch große Systeme mit minimalen Änderungen unterstützen.
• Nachteile:
  • Hohe Bandbreitenanforderungen: Ethernet/IP kann eine erhebliche Bandbreite beanspruchen, was in bestimmten Umgebungen eine Herausforderung sein kann.
  • Aufwendige Einrichtung: Kann schwieriger zu konfigurieren sein als einfachere Protokolle wie Modbus oder MQTT.
• Anwendungsfälle: Häufig in industriellen Automatisierungssystemen wie Automobilmontagelinien, wo Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und Echtzeitkommunikation unerlässlich sind.
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7. CoAP (Eingeschränktes Anwendungsprotokoll)

• Beschreibung: Ein schlankes webbasiertes Protokoll, das für Geräte mit eingeschränkten Einschränkungen entwickelt wurde. Es ähnelt MQTT, ist jedoch für Machine-to-Machine-Anwendungen optimiert.
• Profis:
  • Leicht: Ideal für Geräte mit begrenzter Leistung und Bandbreite.
  • Niedriger Overhead: Nutzt nur minimale Netzwerkressourcen und ist daher für IoT-Geräte geeignet.
  • Erholsames Design: Folgt einer REST-Architektur und erleichtert so die Integration in webbasierte Systeme.
• Nachteile:
  • Eingeschränkte Unterstützung: Nicht so weit verbreitet wie Protokolle wie MQTT oder OPC-UA.
  • Eingeschränkte Funktionen: Es fehlt die Robustheit etablierterer Industrieprotokolle.
• Anwendungsfälle: Wird in IoT-Anwendungen verwendet, bei denen Ressourcenbeschränkungen (z. B. batteriebetriebene Geräte) ein Problem darstellen, wie z. B. intelligente Sensoren oder Fernüberwachung.

Maschinentypen und Technologien, die für Cloud-Konnektivität verwendet werden
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Verschiedene Maschinentypen in der Industrie haben verschiedene Technologien eingeführt, um eine Verbindung zur Cloud herzustellen:
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1. Fertigungsroboter:
   • Benutzen OPC-UA oder PROFINET für den Datenaustausch in Echtzeit zwischen Robotern und Steuerungen.
   • Die Cloud-Integration kann erfolgen über MQTT oder weisen Sie OPC-UA-Clients an, Telemetriedaten an die Cloud zu senden.
2. PLC-Steuerungen (z. B. Siemens, Allen-Bradley):
   • S7-Protokoll für Siemens-Geräte, Ethernet/IP für Allen-Bradley-Steuerungen.
   • OPC-UA wird häufig für die Integration in Cloud-Systeme verwendet, um Fernüberwachung und Datenanalyse zu ermöglichen.
3. Industrielle IoT-Sensoren:
   • Benutzen MQTT, CoAP, oder Modbus für einfache Kommunikation mit der Cloud, insbesondere bei der Erfassung von Umgebungsdaten wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Vibration.
4. SCADA-Systeme:
   • In der Regel verwenden Modbus, OPC-UA, oder Ethernet/IP um Daten aus verteilten Systemen zu sammeln und sie zur Überwachung und Steuerung an Cloud-basierte Plattformen weiterzuleiten.
5. Intelligente Maschinen (z. B. CNC-Maschinen, 3D-Drucker):
   • OPC-UA, Ethernet/IP, und Modbus werden häufig verwendet, mit Cloud-Integration über OPC-UA-Clients oder MQTT-Broker.

Geschichte der Hauptprotokolle
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1. OPC-UA

• Geschichte: OPC (OLE for Process Control) wurde 1996 als Standard für den Datenaustausch zwischen industriellen Geräten unter Verwendung der OLE/COM-Technologie von Microsoft eingeführt. 2008 wurde OPC-UA als plattformunabhängiger, sichererer und skalierbarer Nachfolger des ursprünglichen OPC-Standards entwickelt.
• Adoption: OPC-UA hat sich zu einem entwickelt weit verbreiteter Standard, mit ca. 35-40% der Maschinen in modernen industriellen Umgebungen, in denen es in irgendeiner Form verwendet wird. Es kommt besonders häufig in Sektoren wie Fertigung, Energie und Prozessautomatisierung vor, in denen die Interoperabilität zwischen Geräten und Systemen von entscheidender Bedeutung ist.
• Industrietauglich: Fertigung, Prozessindustrie (wie Chemie, Öl und Gas) und Versorgungsunternehmen, wo mehrere Maschinentypen Daten sicher und effizient austauschen müssen. Es wird besonders bevorzugt in Umgebungen mit mehreren Anbietern.
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2. S7-Protokoll (Siemens Simatic S7)

• Geschichte: Das S7-Protokoll wurde Anfang der 1990er Jahre von Siemens für die Simatic-Reihe speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) eingeführt. Es wurde speziell für die Kommunikation zwischen Siemens-SPS und zugehörigen Geräten in der industriellen Automatisierung entwickelt.
• Adoption: S7 ist Dominant in Umgebungen, in denen Siemens-Steuerungen weit verbreitet sind, insbesondere in Europa. Es wird geschätzt, dass 20-25% der Maschinen Verwenden Sie in der industriellen Automatisierung das S7-Protokoll. Die Reichweite des Protokolls ist außerhalb des Siemens-Ökosystems begrenzt, aber in Siemens-lastigen Installationen ist es nach wie vor sehr stark ausgeprägt.
• Industrietauglich: Schwerverarbeitende Branchen wie die Automobilindustrie, der Maschinenbau und die diskrete Fertigung nutzen S7 in der Regel in großem Umfang, da Siemens-SPS häufig die Steuerungen der Wahl sind. Industrien nutzen standardmäßig Siemens-Geräte profitieren am meisten von S7 aufgrund seiner Hochgeschwindigkeitskommunikation und tiefen Integration.
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3. MQTT (Message Queuing-Telemetrietransport)

• Geschichte: MQTT wurde 1999 von IBM und Arcom (heute Teil von Eurotech) als leichtes Protokoll für das Senden von Telemetriedaten von Fernsensoren in Situationen mit niedriger Bandbreite entwickelt. Es wurde so konzipiert, dass es einfach und effizient ist und sich daher ideal für frühe IoT-Geräte eignet.
• Adoption: MQTT hat aufgrund des Aufstiegs des IoT ein massives Wachstum verzeichnet. Es wird geschätzt, dass 15-20% der angeschlossenen Maschinen und IoT-Geräte verwenden MQTT für die Cloud-Kommunikation, insbesondere im Zusammenhang mit intelligenten Geräten und industriellen IoT-Anwendungen (IIoT).
• Industrietauglich: Das IoT- und IIoT-Sektoren profitieren am meisten von MQTT, insbesondere in Branchen wie Landwirtschaft, Transport und intelligentem Energiemanagement, in denen niedrige Bandbreiten- und Ressourcenbeschränkungen üblich sind. Es wird häufig für die einfache Cloud-Integration in industriellen Umgebungen verwendet, in denen eine groß angelegte Überwachung unerlässlich ist.
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4. Modbus

• Geschichte: Modbus wurde 1979 von Modicon (heute Teil von Schneider Electric) entwickelt und war eines der ersten Protokolle, das für die Kommunikation zwischen SPS und anderen Geräten entwickelt wurde. Ursprünglich ein serielles Kommunikationsprotokoll (Modbus RTU), wurde es später um Ethernet-basierte Varianten (Modbus TCP) erweitert.
• Adoption: Modbus ist aufgrund seiner Einfachheit nach wie vor beliebt und wird voraussichtlich verwendet in etwa 10-15% der Maschinen in industriellen Umgebungen. Es ist besonders in älteren Systemen und Umgebungen verbreitet, in denen eine einfache Kommunikation ausreicht.
• Industrietauglich: Modbus wird häufig verwendet in Legacy-Systeme, Energiemanagement und kleine industrielle Anlagen wie HVAC-, Wassermanagement- und SCADA-Systeme. Branchen mit begrenzten Budgets oder weniger komplexen Automatisierungsanforderungen bevorzugen Modbus häufig wegen seiner niedrigen Kosten und seiner einfachen Implementierung.
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5. PROFINET (Prozessfeldnetz)

• Geschichte: PROFINET wurde Anfang der 2000er Jahre von Siemens als Ethernet-basierter Nachfolger von PROFIBUS entwickelt, um dem Bedarf an schnellerer Echtzeitkommunikation in industriellen Netzwerken gerecht zu werden. Es wurde von PI (PROFIBUS & PROFINET International) als Industriestandard übernommen.
• Adoption: PROFINET ist zu einem wichtigen Protokoll in Europa und Branchen geworden, die auf Siemens-Produkte setzen, mit rund 15-20% der industriellen Systeme benutze es. Es hat sich in Produktionsumgebungen, die einen Datenaustausch in Echtzeit erfordern, weit verbreitet.
• Industrietauglich: PROFINET ist gut geeignet für Hochgeschwindigkeits-Automatisierungsanwendungen in Echtzeit, wie Robotik, Automobilbau und leistungsstarke Verpackungsanlagen. Es gedeiht in Umgebungen, in denen Geschwindigkeit und Echtzeitkontrolle unerlässlich sind.
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6. EtherNet/IP (Ethernet-Industrieprotokoll)

• Geschichte: EtherNet/IP wurde Ende der 1990er Jahre von Rockwell Automation und Allen-Bradley entwickelt und erweitert Standard-Ethernet für den Einsatz in der industriellen Echtzeitautomatisierung. Es verwendet TCP/IP und UDP zur Datenübertragung und ist in Nordamerika zu einem wichtigen Protokoll geworden.
• Adoption: Ethernet/IP ist weit verbreitet, mit 20-25% der Maschinen in nordamerikanischen Produktionsstätten, in denen es eingesetzt wird, insbesondere in Branchen, in denen Rockwell Automation- oder Allen-Bradley-Steuerungen eingesetzt werden.
• Industrietauglich: Ethernet/IP eignet sich gut für Branchen wie Automobil-, Lebensmittel und Getränke sowie Materialhandhabung. Es wird bevorzugt in Umgebungen verwendet, in denen Rockwell/Allen-Bradley-Ausrüstung ist der Standard, oft in der diskreten Fertigungs- und Prozessindustrie.
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7. CoAP (Eingeschränktes Anwendungsprotokoll)

• Geschichte: CoAP wurde in den frühen 2010er Jahren von der IETF als spezialisiertes Webübertragungsprotokoll für eingeschränkte Geräte entwickelt. Es wurde für den Einsatz in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen entwickelt, insbesondere für IoT-Anwendungen.
• Adoption: Obwohl CoAP im Vergleich zu MQTT immer noch eine relativ kleine Nische ist, wird es verwendet in rund 5% der IoT- und Industriesysteme wo Ressourcenbeschränkungen entscheidend sind.
• Industrietauglich: CoAP ist ideal für batteriebetriebene IoT-Sensoren, Fernüberwachung und intelligente Gebäudesysteme. Branchen wie intelligente Landwirtschaft, Logistik und Versorgung profitieren Sie von seinem leichten und RESTful-Design.

Verteilung der Akzeptanz und Branchenpräferenzen

• Herstellung: OPC-UA ist das Standardprotokoll für große, komplexe Produktionsanlagen, die Interoperabilität zwischen Geräten und Anbietern benötigen, während PROFINET und Ethernet/IP in Umgebungen von Siemens und Rockwell dominieren.
• Energie und Versorgung: Modbus und OPC-UA sind hier aufgrund ihrer Einfachheit und Interoperabilität zwischen verschiedenen Geräteanbietern beliebt.
• IoT/IIoT: MQTT und CoAP glänzen in IoT-intensiven Branchen wie Landwirtschaft, Transport und intelligenten Städten und bieten eine einfache Kommunikation mit der Cloud.
• Legacy-Systeme: Modbus wird aufgrund seiner langen Geschichte immer noch häufig in älteren Systemen und Branchen wie der Wasserwirtschaft und grundlegenden SCADA-Systemen eingesetzt.

Der Prozess, bei dem Maschinen Daten (wie Temperatur, Vibrationssignale usw.) an die Cloud oder andere Überwachungssysteme senden, umfasst in der Regel mehrere Schritte. Diese Schritte variieren je nach verwendetem Protokoll geringfügig, der allgemeine Ablauf bleibt jedoch ähnlich:
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1. Datenerfassung (Erfassung auf Maschinenebene)

• Maschinen (z. B. Industrieroboter, Sensoren oder SPS) erfassen kontinuierlich Daten zu wichtigen Leistungskennzahlen wie Temperatur, Vibration, Druck und anderen Signalen über Sensoren.
• Sensoren, die an eine Maschine oder SPS (Programmable Logic Controller) angeschlossen sind, messen diese Parameter in Echtzeit und leiten die Daten zur weiteren Verarbeitung an die Steuerung oder das Gateway weiter.
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2. Lokale Verarbeitung (optional)

• In einigen Fällen werden die gesammelten Daten lokal von einer SPS, einem Edge-Gerät oder einem Gateway verarbeitet, was das Filtern, Aggregieren oder Treffen von Entscheidungen in Echtzeit auf der Grundlage voreingestellter Schwellenwerte beinhalten kann (z. B. wenn die Temperatur einen kritischen Grenzwert überschreitet, eine Warnung senden).
• Zu diesem Zeitpunkt beteiligte Protokolle:
  • S7-Protokoll (Siemens-SPS): Wenn Siemens-SPS verwendet werden, wird das S7-Protokoll häufig für die Kommunikation zwischen Maschine, Steuerung und anderen Geräten verwendet.
  • Modbus: In älteren oder einfacheren Systemen kann Modbus (RTU oder TCP) für die Kommunikation zwischen den Sensoren und SPS verwendet werden.
  • PROFINET und Ethernet/IP: Diese werden für die Hochgeschwindigkeitskommunikation in Echtzeit zwischen Maschinen, Robotern oder Steuerungen und Sensoren verwendet, insbesondere in industriellen Umgebungen, die einen deterministischen, zeitsensitiven Datenaustausch erfordern.
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3. Datenübertragung in die Cloud oder in ein zentrales System

• Sobald die Daten lokal erfasst und (falls erforderlich) verarbeitet wurden, werden die Daten im nächsten Schritt zur weiteren Analyse und Langzeitspeicherung an ein zentrales Überwachungssystem, ein SCADA-System (Supervisory Control and Data Acquisition) oder die Cloud übertragen.
• Bei der Übertragung werden die Daten in der Regel mithilfe eines der Kommunikationsprotokolle an einen Server oder Broker übertragen.
• Protokolle für die Datenübertragung:
  • OPC-UA:
    • Spielt eine Schlüsselrolle, wenn Interoperabilität zwischen verschiedenen Geräten erforderlich ist. Die Maschine (oder SPS) kapselt Daten wie Temperatur oder Vibration in ein OPC-UA-Standardformat ein und überträgt sie an einen externen OPC-UA-Client oder Cloud-Dienst.
    • OPC-UA ermöglicht es Maschinen verschiedener Hersteller, Daten sicher mit einer Cloud-basierten Plattform oder einem SCADA-System auszutauschen.
  • MQTT:
    • Wird für die einfache Übertragung von Daten in die Cloud mit geringem Overhead verwendet. Die Maschine oder das Edge-Gerät veröffentlicht Daten (z. B. Temperatur- oder Vibrationswerte) an einen MQTT-Broker, der die Daten dann an die Cloud oder an andere abonnierte Geräte weiterleitet.
    • Ideal für IoT- und industrielle IoT-Anwendungen (IIoT), bei denen die Bandbreite begrenzt ist oder Leistungsbeschränkungen bestehen.
  • Modbus:
    • Obwohl Modbus normalerweise nicht für die direkte Cloud-Integration verwendet wird, kann es in Verbindung mit einem Gateway verwendet werden, das Modbus-Signale in ein Cloud-kompatibles Format (z. B. OPC-UA oder MQTT) konvertiert. Das Gateway sendet dann die Daten an die Cloud.
  • PROFINET und Ethernet/IP:
    • Diese werden in der Regel für die schnelle, lokale Kommunikation zwischen Geräten verwendet, können jedoch Teil einer Hybridlösung sein, bei der die Daten über ein Edge-Gateway, das Cloud-Protokolle wie OPC-UA oder MQTT unterstützt, auf eine cloudbasierte Plattform übertragen werden.

4. Edge-Gateway (optional)

• In vielen industriellen Umgebungen wird ein Edge-Gateway verwendet, um die Lücke zwischen den Protokollen auf Maschinenebene (z. B. S7, PROFINET, Modbus) und Cloud-nativen Protokollen (z. B. MQTT, OPC-UA) zu schließen.
• Das Gateway verarbeitet Daten lokal und führt in einigen Fällen Aktionen wie Filterung oder Vorverarbeitung durch, bevor sie an die Cloud gesendet werden.
• Rollen in verschiedenen Protokollen:
  • OPC-UA: Einige Gateways agieren als OPC-UA-Server oder -Clients, die Daten von mehreren Computern aggregieren und sicher an eine Cloud-Plattform übertragen.
  • MQTT: Gateways veröffentlichen häufig Daten an MQTT-Broker für Cloud-Anwendungen, die große Mengen an Maschinendaten verarbeiten.
  • Konvertierung von Modbus zu OPC-UA/MQTT: Gateways konvertieren häufig ältere Modbus-Signale in moderne OPC-UA- oder MQTT-Formate für die Cloud-Übertragung.

5. Cloud-Aufnahme und -Verarbeitung

• Sobald die Daten die Cloud erreichen, können sie weiterverarbeitet, gespeichert und analysiert werden. Die Cloud-Infrastruktur (z. B. AWS IoT, Azure IoT, Google Cloud IoT) nimmt in der Regel die eingehenden Daten auf, löst Warnmeldungen aus oder führt Echtzeitanalysen zum Maschinenzustand und zur Leistung durch.
• Protokollrolle in der Cloud-Verbindung:
  • OPC-UA: Cloud-Systeme können direkt mit den OPC-UA-Servern oder -Clients am Edge kommunizieren, um Echtzeit- oder historische Daten zu empfangen. Die eingebauten Sicherheitsfunktionen stellen sicher, dass die Daten sicher übertragen werden.
  • MQTT: Das Publish-Subscribe-Modell von MQTT eignet sich hervorragend für Cloud-Anwendungen, bei denen eine große Anzahl von Maschinen Daten in unterschiedlichen Intervallen sendet. Der MQTT-Broker verwaltet die Verteilung von Daten zwischen Geräten und Cloud-Diensten.

6. Datenvisualisierung, Analyse und Speicherung

• In der Cloud werden die Daten über Dashboards, SCADA-Systeme oder spezielle IoT-Plattformen visualisiert. Fortschrittliche Analysetools können eingesetzt werden, um Trends zu erkennen, Maschinenausfälle zu identifizieren oder den Wartungsbedarf vorherzusagen.
• Historische Daten können auch für Compliance-Zwecke oder zukünftige Analysen gespeichert werden.
• Protokolle wie OPC-UA eignen sich gut für die Integration mit SCADA-Systemen, während MQTT wird häufig für Cloud-basierte IoT-Plattformen verwendet, bei denen Skalierbarkeit und Flexibilität unerlässlich sind.
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Beispiel: Maschine sendet Schwingungsdaten mit OPC-UA

1. Ein Schwingungssensor an einer Maschine misst den Schwingungspegel.
2. Der Sensor sendet diese Daten an eine SPS mit PROFINET für die Überwachung in Echtzeit.
3. Die SPS aggregiert diese Daten und leitet sie an einen weiter OPC-UA-Server läuft auf einem Edge-Gateway.
4. Der OPC-UA-Server konvertiert die Daten in ein standardisiertes Format und überträgt sie in die Cloud.
5. In der Cloud verwendet eine Anwendung diese Daten, um die Schwingungsmuster zu visualisieren, Warnmeldungen zu senden, wenn Schwellenwerte überschritten werden, und historische Daten zur Analyse zu speichern.
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Beispiel: Maschine sendet Temperaturdaten mit MQTT

1. Ein Temperatursensor misst die Temperatur einer Maschine.
2. Die Daten werden an ein lokales Edge-Gerät gesendet, das die Daten verarbeitet und für die Übertragung verpackt.
3. Das Edge-Gerät veröffentlicht die Daten auf einem MQTT-Broker.
4. Der Broker leitet die Daten an einen Cloud-Dienst weiter, der das Thema Temperatur abonniert hat.
5. In der Cloud werden die Temperaturdaten gespeichert, visualisiert und auf Trends oder potenzielle Probleme hin analysiert.
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Wie jedes Protokoll eine Rolle spielt:

• OPC-UA: Fungiert als Standardprotokoll, wenn Interoperabilität, Sicherheit und strukturierte Datenmodelle benötigt werden. Es ist ideal für größere Industrieumgebungen mit Systemen mehrerer Anbieter.
• S7-Protokoll: Wird in der Regel in Siemens-basierten Infrastrukturen verwendet, um Daten zwischen Maschinen und Steuerungen zu senden. Daten werden häufig über ein Gateway weitergeleitet, um über andere Protokolle auf die Cloud zugreifen zu können.
• MQTT: Bietet Maschinen, insbesondere in IoT- oder IIoT-Setups, eine effiziente und einfache Möglichkeit, Telemetriedaten wie Temperatur- oder Vibrationssignale an die Cloud zu senden.
• Modbus: Wird in einfacheren Systemen häufig auf Maschinenebene verwendet; für die Kommunikation mit Cloud-Diensten sind Gateways erforderlich.
• PROFINET und Ethernet/IP: Sorgen Sie für eine schnelle, zuverlässige Kommunikation für Echtzeitanwendungen, die in der Regel zwischen Maschinen und Steuerungen verwendet werden, bevor Daten über ein sekundäres Protokoll (z. B. OPC-UA oder MQTT) an die Cloud übertragen werden.

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