Offline Maschinen und Cloud Datenhaltung: So wird die Datenlücke geschlossen

16.01.2023

Immer mehr Unternehmen investieren in Internet of Things (IoT)-Systeme und verzeichnen dabei ansteigend Erfolge [1]. In der Industrie wird IoT zunehmend bei der Wartungs- und Instandhaltung von vernetzten Maschinen und Anlagen eingesetzt.

Ein großer Mehrwert, der dadurch entsteht, ist die Erhebung und Analyse der erfassten Betriebs- und Maschinendaten [2]. Anhand der Datenauswertungen und darauf basierenden Maßnahmen können bei Wartungs- und Instandhaltungskosten Einsparpotenziale von bis zu 40% erreicht werden [3].

 

Fehlende Vernetzung der Maschinen behindert die Datenanalyse und Störungserkennung

 

Hat die Maschine jedoch keine Verbindung zum Internet oder zu einer Zwischenkomponente, die mit der Datenzentrale dauerhaft verbunden ist, kann kein Datenaustausch stattfinden. Dadurch wird die Verfügbarkeit und der Zugriff auf die Betriebs- und Maschinendaten, mit denen eine Auswertung oder eine Instandhaltung durchgeführt werden soll, erschwert. Die Gründe, warum die Maschine keine Verbindung hat, kann vielfältig sein:

 

  • Störanfälligkeit bei wichtigen Arbeitsprozessen (bspw. bei automatischen Updates)
  • Sicherheitsbedenken – Maschinen dürfen nicht vernetzt werden (z.B. zum Schutz vor Hackerangriffe aus der Ferne)
  • Infrastrukturelle Gründe – Maschinen können nicht vernetzt werden (Kein Internetausbau oder Mobilfunkempfang in der Umgebung)
  • Legacy Systeme – Maschinen bieten nicht die technische Möglichkeit zur Vernetzung

 

Allerdings müssen auch diese Maschinen regelmäßig gewartet werden. Dafür sollen Betriebs- und Maschinendaten übertragen und zentral zur Verfügung gestellt werden, sodass eine Analyse und daraus resultierende Optimierungsmaßnahmen wie das Auf-/ oder Rückspielen von Software-Updates durchgeführt werden können. Durch die Abtrennung vom Internet entsteht eine Lücke zwischen den Maschinen und der Cloud.

 

Schließung der Lücke zwischen Offline Maschinen und Cloud

 

Offline Maintenance Lifecycle
Offline Maintenance Lifecycle System – Eigene Darstellung

Der „Offline Maintenance Lifecycle“ ist ein Vorgang, welcher die Wartung und Instandhaltung digitalisiert und eine Kommunikationsbrücke von den Maschinen zur Cloud schafft.

In Form einer Thesis wurde das System prototypisch umgesetzt. Die Schließung der Lücke lässt sich in drei Herausforderungen eingliedern:

  • Auswahl eines Übertragungsmediums
  • Steuerung auf dem Übertragungsmedium
  • Sicherheit in der Kommunikation

 

Auswahl eines Übertragungsmediums

Für die Schließung dieser Lücke muss ein klar vom Internet abtrennbares Übertragungsmedium definiert werden. Da am Ort der Maschine eine Internetverbindung ausgeschlossen ist, bedarf es eines portablen Übertragungsmediums, das von einer zugewiesenen Person an die Maschine mitgeführt wird. Für die Auswahl wurden mehrere Eigenschaften betrachtet. Grundsätzlich ist es möglich, ein Übertragungsmedium zu entwickeln, dass ausschließlich für den Zweck der Datenübertragung gedacht ist. Eine weitere Möglichkeit ist die Auswahl einer Kategorie von Übertragungsmedien, die sich bereits bei der Nutzergruppe im Einsatz befindet. Darunter zählen Notebooks, Tablets, Smartphones und Smartwatches. Die Geräte werden nicht nur nach technischen Aspekten bewertet, sondern auch nach Bedienkomfort und Portabilität.
Die Entscheidung fällt auf das Smartphone. Die physischen Eigenschaften des Smartphones bieten einen Kompromiss aus einer übersichtlichen und komfortablen Bedienung von Anwendungen und der Portabilität in der Mitführung eines Servicetechnikers. Ein weiterer Entscheidungsgrund ist die Möglichkeit, das bereits von Servicetechnikern genutzte Smartphone neben der Telefonie [4] zusätzlich durch eine Anwendung zu einem Wartungswerkzeug zu erweitern, sodass kein zusätzliches Gerät verwendet werden muss.

 

Steuerung auf dem Übertragungsmedium

Für die Ausführung von verschiedenen Aktionen wie der Datenaustausch wird eine Steuerung auf dem Übertragungsmedium erfordert. Die Steuerung ist eine Anwendung, die auf dem Übertragungsmedium aufgerufen wird. Mit dem Smartphone bedeutet das eine Entwicklung einer mobilen Applikation.

Das Ergebnis der Entwicklung ist eine Applikation, die auf über 90% der Smartphones auf dem Markt lauffähig ist. Diese ist kompatibel mit den Betriebssystemen Android und iOS. Ermöglicht wurde dies durch die Nutzung des Cross Platform Frameworks React native.

 

Smartphone Applikation
Entwickelte Smartphone Applikation – Eigene Darstellung

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Für die Kommunikation mit der Maschine wurden verschiedene Standards und Protokolle betrachtet und verglichen. Dabei wurde die maximale Übertragungsgeschwindigkeit priorisiert, sodass die Funkübertragung von großen Datenmengen wie zum Beispiel bei einem Software Update schnellstmöglich durchgeführt wird. Bei der Kommunikation mit der Maschine erwies sich WLAN als leistungsstärkstes Funkübertragungsverfahren. WLAN wurde für die prototypische Umsetzung eingesetzt.

 

Als Substitut zur Maschine wurde ein Raspberry Pi-Einplatinencomputer bereitgestellt. Der Raspberry Pi wird sowohl in der Medizintechnik [5] als auch in der Industrie verwendet und ermöglicht mit dessen Einsatz bei Maschinen eine PC-basierte Steuerung und die Konnektivität mit anderen Systemen [6]. Über einen QR-Code Leser im Smartphone kann eine WLAN-Verbindung zu diesem aufgebaut werden. Mithilfe eines Servers auf dem Raspberry Pi können Dateien über eine REST-Schnittstelle ausgetauscht werden, ohne am Internet angebunden zu sein.

App Navigationsweg zur Maschine
Maschinenverbindung in der Applikation – Eigene Darstellung

Für den Datenaustausch mit einem Datenrepositorium wurde der von doubleSlash entwickelte Business Filemanager (BFM) verwendet. Bei der Internetkommunikation mit dem BFM-Datenrepositorium wird die CMIS-Schnittstelle angesprochen. Die Smartphone Applikation und das Datenrepositorium kommunizieren über einen Proxyserver, der mit der Laufzeitumgebung „node.js“ entwickelt wurde. Der Proxyserver wickelt CMIS-Anfragen separiert vom Smartphone ab. Dies führt zur Auslagerung der Rechenlast. Zusätzlich wird die Speichergröße der Smartphone Applikation reduziert.

 

App Navigationsweg zum Datenrepositorium
Verbindung zum Datenrepositorium in der Applikation – Eigene Darstellung

Sicherheit in der Kommunikation

Um unerwünschten Zugriff auf eine Maschine zu vermeiden, reicht eine Abtrennung zum Internet nicht aus, denn es kann auch zu einem unerwünschten Zugriff in der Nähe der jeweiligen Maschine kommen. Alle kommunizierenden Komponenten innerhalb des Systems benötigen ein Sicherheitskonzept, um einen Zugriff nicht autorisierter Personen zu vermeiden. Für die Authentifikation bei dem Datenrepositorium wurde das bestehende Identity Access Management (IAM) verwendet. Die WLAN-Kommunikation wird durch die Eingabe des Passwortschlüssels abgesichert. Um auf die Funktionen des BFM-Datenrepositoriums zuzugreifen, ist eine Anmeldung bei einem Benutzerkonto erforderlich. Damit ist die Kommunikation innerhalb des Systems nur autorisiert möglich.

 

Fazit

Die Lücke zwischen den unvernetzten Maschinen und der Datenzentrale wird mit folgendem System geschlossen:

Ergebnis
Ergebnis als Systemüberblick – Eigene Darstellung

Mit diesem System wird neben der digitalisierten Wartungs- und Instandhaltung eine Datenintegration der abgetrennten Maschinen ermöglicht. Dazu wurde ein geeignetes Übertragungsmedium festgelegt. Die Steuerung auf dem Übertragungsmedium wurde in Form einer Smartphone Anwendung entwickelt, die einen Datenaustausch sowohl auf der Seite der Maschine als auch auf der des Datenrepositoriums realisiert. Dabei wurde sichergestellt, dass eine Authentifikation des Übertragungsmediums bei der Maschine und bei dem Datenrepositorium stattfindet.

Durch den Offline Maintenance Lifecycle werden folgende Use Cases für Offline Maschinen ermöglicht:

  • Digitale Wartungs- und Instandhaltung
  • Zentralisierung der erfassten Betriebs- und Maschinendaten
  • Aufspielen von Software-Updates, Konfigurationen, Protokolle, …
  • Auswertung und (Fehler-) Analyse anhand der zentralisierten Daten
  • Datengestützte Entscheidungen bei der Entwicklung neuer Software
  • Optimierte Wartungsplanung

Anhand dieses Systems können Maßnahmen aus der IoT angewendet werden. Ein Beispiel dafür ist die vorausschauende Wartung. Durch die Auswertung der erfassten Betriebs- und Maschinendaten und das daraus resultierende Wissen über eintreffende Ereignisse, wie zum Beispiel der nächste Wartungsbedarf, wird die Planung optimiert. Dadurch können Kosten für Wartungs- und Instandhaltung erheblich reduziert werden.

Mehrwerte durch Datenintegration dürfen nicht unterschätzt werden. So lernen Unternehmen ihre Produkte besser kennen. Zusätzlich werden dadurch Maßnahmen zur Produkt- und Prozessoptimierung abgeleitet.

Die Gründe für die vom Internet abgetrennten Maschinen sind nachvollziehbar. Der Offlinebetrieb muss nicht den Verlust der möglichen Potenziale bedeuten. Der Offline Maintenance Lifecycle belegt dies in Form einer Lösung.

 

Mehr über den Business Filemanager connect erfahren

 


Quellen:

 

 

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