Ratgeber
Im industriellen Internet of Things – kurz IIoT – übernehmen Gateways eine Schlüsselrolle: Sie fungieren als Brücke zwischen den Anlagen und Netzwerken. In der Industrie 4.0 ermöglichen IIoT-Gateways eine nahtlose Integration von Maschinendaten in übergeordnete Analyse- und Management-Systeme.
In unserem Ratgeber stellen wir Ihnen die wesentlichen Elemente dieser Hard- und Softwarelösungen vor, erklären deren Funktion und geben Tipps für die Beschaffung.
Ein IIoT-Gateway gehört zu den kritischen Komponenten in der Infrastruktur der Industrie 4.0. Es sammelt Daten von verschiedenen Sensoren und Maschinen in unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen. Das Gerät übersetzt diese Protokolle in ein standardisiertes Format, das von zentralen Datenverarbeitungssystemen verstanden wird.
Neben der reinen Übersetzung und Datenweiterleitung können IIoT-Gateways auch eine Verarbeitung und Analyse der Daten direkt am Rand des Netzwerks – das sogenannte Edge Computing – durchführen. Diese Maßnahme reduziert in vielen Fällen die zu sendende Datenmenge und verbessert durch schnellere Reaktionszeiten der Aktoren die Effizienz des Gesamtsystems.
Die Konnektivität erfolgt über verschiedene Kommunikationstechnologien wie USB, WLAN, Ethernet, Mobilfunk oder auch spezialisierte Industrieprotokolle, zum Beispiel CAN-Bus, Profibus und Modbus. Einige Systeme lassen sich per Fernüberwachung verwalten und warten, das ermöglicht die Aufspielung von Updates, die Anpassung der Konfigurationen und die Diagnose von Problemen.
Als besonders nützlich hat sich die Online-Verbindung zu einer Cloud-Plattform erwiesen. Diese Dienste bieten meist erhebliche Rechenleistung und fortschrittliche Analysewerkzeuge. Mit ihnen können Unternehmen komplexe Datenanalysen durchführen, die über die Kapazitäten der lokalen Gateways hinausgehen. Cloud-Plattformen bieten eine hohe Skalierbarkeit, sowohl in Bezug auf Speicherkapazität als auch auf Rechenleistung. Das ist besonders wichtig für Unternehmen, die wachsen oder deren Datenmengen sich schnell ändern.
Da IIoT-Gateways oft mit sensiblen Daten umgehen, spielen Sicherheitsfunktionen eine entscheidende Rolle. Sie umfassen Verschlüsselung, Authentifizierung und andere Sicherheitsmaßnahmen, um die Datenintegrität und den Schutz gegen Cyberangriffe zu gewährleisten.
Ein IIoT-Gateway besteht typischerweise aus mehreren Hard- und Softwarekomponenten. Sie arbeiten reibungslos zusammen und bilden damit eine effektive Brücke zwischen industriellen Geräten und Netzwerken.
Hardware
Die Hardware ist im Allgemeinen robust gebaut, um Industrie-Umgebungen standzuhalten. Das betrifft sowohl das Gehäuse als auch die Leiterplatten mit Prozessoren, Speicherbausteinen und Anschlüssen für die Verbindung mit Steuerungssystemen und Sensoren. Abhängig von der Anwendung lässt sich ein IIoT-Gateway über eine externe Stromquelle oder über Power over Ethernet betreiben. In einigen Fällen ist auch ein Batteriebetrieb möglich, besonders in schwer zugänglichen Umgebungen.
Als Teil der Hardware sind physische Schnittstellen für den flexiblen Betrieb eines Gateways unabdingbar. Sie erlauben die Datenübertragung innerhalb einer breiten Palette von Geräten und Netzwerken. Neben integrierten Antennen für die drahtlose Kommunikation über WLAN, Bluetooth, NFC, LTE und 5G sind IIoT-Gateways mit zahlreichen Buchsen ausgestattet. So werden Ethernet-Anschlüsse häufig für die Kommunikation mit dem übergeordneten Netzwerk oder dem Internet genutzt, während serielle Schnittstellen wie RS485 und RS232 die Anbindung an ältere Steuergeräte und Sensoren erlauben.
Digitale und analoge Ports sorgen für die direkte Interaktion mit Sensoren und Aktoren, USB-Anschlüsse für die lokale Konfiguration, Wartung oder den Anschluss von Peripheriegeräten.
Eine wichtige Rolle übernehmen industrielle Feldbusschnittstellen. Dazu gehören beispielsweise CAN-Bus, Profibus und Modbus. In einigen modernen Gateways können auch Schnittstellen für Audio- oder Videosignale vorhanden sein, zum Beispiel für Überwachungszwecke.
Software und Protokolle
Das Betriebssystem und die Software des Gateways ermöglichen die Konfiguration, Verwaltung und das Update der Gateway-Funktionen. Sie können auch benutzerdefinierte IIoT-Anwendungen wie Datenvisualisierung und Weboberflächen unterstützen. Wesentlich sind Software-Routinen für die Protokollierung und Datenumwandlung. Nur sie ermöglichen die Verbindung zu verschiedenen Netzwerken und Geräten. Üblich sind Konvertierungen sowohl für industrielle Anwendungen wie Modbus oder Profibus als auch für Standard-Netzwerkprotokolle wie TCP/IP.
Viele IIoT-Gateways bieten Verarbeitungs- und Analysefunktionen direkt im Gerät. Integriert sind in der Regel auch Sicherheitsfunktionen. Dazu gehören Verschlüsselung, Firewall, sichere Boot-Vorgänge und andere Mechanismen zum Schutz vor Cyberangriffen und zur Gewährleistung der Datenintegrität.
Ein entscheidendes Kriterium ist die Kompatibilität mit den bereits vorhandenen industriellen Steuerungssystemen, Sensoren und Maschinen. Dazu gehört vor allem die Unterstützung relevanter Kommunikationsprotokolle und Schnittstellen. Die Hardware sollte zudem leistungsfähig genug sein, um die erforderliche Datenverarbeitung und -analyse durchführen zu können. Das umfasst ausreichenden Arbeitsspeicher und eine angemessene Prozessorleistung. Wichtige Sicherheitsmerkmale wie Verschlüsselung, Firewall, sicheres Booten und regelmäßige Sicherheitsupdates schützen das Netzwerk und die Daten vor Missbrauch.
Optimal sind Erweiterungsmöglichkeiten des IoT-Gateways. Sie erlauben die Integration zusätzlicher Module und Erweiterungssteckplätze oder die Fähigkeit zur automatischen Softwareaktualisierung. Für industrielle Umgebungen ist ein robustes Gehäuse zu empfehlen, es muss in der Lage sein, extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen, Feuchtigkeit, Staub und Vibrationen standzuhalten.
Was ist der Unterschied zwischen Industrie-Gateways und Smart-Home-Gateways?
Industrielle IoT-Gateways fungieren im Wesentlichen als Computer, über die sich Systeme miteinander verbinden und Daten an den Zentralrechner oder die Cloud senden können. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen Geräten und sind durchaus vergleichbar mit lokal betriebenen Smart-Home-Gateways. IIoT-Gateways sind allerdings mit leistungsstärkeren Prozessoren, großem Speicher und vor allem mit Software für spezifische Industrie-Anwendungen ausgestattet.
Was sind GPIO-Schnittstellen?
Die Abkürzung GPIO steht für General Purpose Input/Output, zu Deutsch etwa Ein- und Ausgänge für allgemeine Zwecke. Es handelt sich dabei um vielseitige digitale Kontakte, die zur Interaktion mit verschiedenen Arten von elektronischen Geräten verwendet werden können. Diese Schnittstellen ermöglichen es dem Gateway, direkt mit Sensoren, Aktoren und anderen Geräten zu kommunizieren.
GPIO-Pins lassen sich entweder als digitale Eingänge oder Ausgänge konfigurieren. Als Eingänge können sie Signale von Sensoren empfangen, als Ausgänge Aktoren ansteuern. Die Funktionen werden in der Regel durch Software auf dem Gateway definiert. GPIO-Schnittstellen sind allerdings für eher einfache Aufgaben geeignet, da sie nur mit geringer Geschwindigkeit arbeiten. Dennoch lassen sie sich in größere Automatisierungs- und Steuerungssysteme integrieren, zur Steuerung von Schaltfunktionen innerhalb eines komplexen Netzwerks beispielsweise.
Wie und wo lassen sich Industrial-IoT-Gateways montieren?
Die meisten aktuell im Handel verfügbaren IoT-Gateways sind für die einfache Montage auf DIN-Schienen ausgelegt. Die Anschlüsse sind so gestaltet, dass die Kabel in Schaltschränken strukturiert zu verlegen sind.