Mit IoT-Vernetzung können Unternehmen ihren Strombedarf um bis zu 80 Prozent senken, sagen Branchenverbände. Um ein Internet of Things mit niedrigen CO2-Ausstoß und Betriebskosten zu ermöglichen, sind die neuen LPWAN-Mobilfunkstandards bewusst auf Energieeffizienz zugeschnitten. Doch für welche M2M-Projekte eignen sie sich?
Nach Berechnungen der Deutschen Energieagentur können in verschiedenen Unternehmensbereichen bis zu 75 Prozent Energie eingespart werden. Während in der Informationstechnologie gerade neueste IT-Technologie zu sparen hilft, verbessert sich die Energiebilanz der anderen Sektoren vor allem durch die bedarfsgerechte Bereitstellung von Ressourcen. (Bild: Wireless Logic mdex GmbH)
Auch ohne Krise war Energie für Unternehmen ein entscheidender Kostenfaktor. Die Deutsche Energie-Agentur (Dena) spricht von Preissteigerungen bei Strom, Erdgas und Heizöl für die Industrie um 160 bis 490 Prozent von 1999 bis 2014. In einer Erhebung der Stiftung Familienunternehmen geben 82 Prozent der befragten Unternehmen deswegen an, Investitionen in Energieeffizienz umsetzen zu wollen oder dies schon getan zu haben. Dabei ist Strom rund viermal so teuer wie Erdgas.
Rund 36 Prozent des Energieverbrauchs sämtlicher Bauwerke in Deutschland entfällt laut Dena auf Nichtwohngebäude. „Nicht immer lohnt sich der Aufwand für eine vollständige Restaurierung der Außenhülle oder sie ist technisch nicht umsetzbar“, sagt Dennis Paul, Bereichsleiter IoT-Projekte bei Wireless Logic MDEX. „Durch die Vernetzung von Gebäudefunktionen kann trotzdem erhebliches Energiesparpotenzial erschlossen werden, indem man Ressourcen und Funktionen bedarfsgerecht zur Verfügung stellt.“ Basis sind Maßnahmen, die auf den ersten Blick simpel wirken. Etwa die Heizung von großräumigen Werkhallen: Zwischen Hallenboden und Decke herrschen durch die aufsteigende Wärme Temperaturunterschiede von zehn Grad Celsius oder mehr. Diese Transmissionsverluste können durch die Installation von Industrieventilatoren zur Warmluftrückführung weitgehend vermieden werden. Die Heizkosten können so um rund 30 Prozent reduziert werden. Besonders kosten- und energieeffizient arbeiten vernetzte Ventilatoren, die Hallen über eine Einsatzsteuerung nur zu Betriebszeiten voll heizen. Diese Ventilatoren verkürzen die erforderliche Vorheizung und verlängern die Nachtabsenkungszeit. In einem ähnlichen Projekt konnte Volkswagen im Werk Emden bei einer Investition von 1,4 Mio. Euro rund eine Million pro Jahr einsparen. Der Stromverbrauch sank um 7,1GWh.
Bild: Wireless Logic mdex GmbH
Schätzungen zufolge könnten bis zu 15 Prozent der Gesamtkosten eines Unternehmens durch den mangelhaften Einsatz von Lichtquellen entstehen. Dies führt zum Konzept des Licht-Monitorings, das ein vernetztes Beleuchtungssystem an feste Zeitpläne, Schichten, Präsenzen oder Tageszeiten anpasst. Je nach Tageslichteinfall oder der Aktivität im Raum kann die Raumausleuchtung automatisch gedimmt werden. Darüber hinaus kann der Energieverbrauch jeder einzelnen Leuchte in einem Datenpool gesammelt über ein Dashboard ausgewertet werden. Präsenzsensoren zeigen auf, welche Bereiche im Betrieb unnötig beleuchtet werden. Durch den Austausch und die Neupositionierung energiesparender Neonröhren konnten die Würzburger Verkehrsbetriebe (WVV) den Stromverbrauch der betriebseigenen Tiefgarage erheblich verringern. Entscheidend war dabei der Einsatz von elektronischen Vorschaltgeräten mit 10 bis 20 Prozent geringerer Verlustleistung. Diese mit Sensoren vernetzten Vorschaltgeräte dimmen die Beleuchtung nach Bedarf in der Tiefgarage. So konnten die WVV 76 Prozent Stromkosten pro Jahr einsparen und die Lebensdauer der Lampen um das Dreifache erhöhen.
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Die Vernetzung von Gebäuden, Anlagen und Endgeräten mit der Leitstelle ermöglicht es, über maschinelles Lernen Nutzungsprofile, Bedarfszeitpunkte und Laufwege zu optimieren. Darüber hinaus können erforderliche Wartungen prognostiziert und damit Personal- und Materialeinsätze optimiert werden. „Der Kern energiesparender Maßnahmen ist die bedarfsgerechte Nutzung von Ressourcen“, sagt Dennis Paul. „Dazu gehört die zeitlich passende Bereitstellung von energieintensiven Ressourcen und entsprechende Prognosemodelle. Eine umfassende Unternehmensvernetzung über Mobilfunk ermöglicht die Anbindung der relevanten Maschinen, Anlagen und Gebäude.“ Mittlerweile existieren mit 4G, 5G und verschiedenen LPWAN-Technologien zahlreiche Mobilfunkstandards zum Aufbau von industriellen IoT-Umgebungen. „Es spielt keine Rolle, ob es sich um eine Anlage auf freiem Feld oder ein Endgerät handelt, das tief im Gebäudekern verborgen ist“, so Dennis Paul. „Für jede erforderliche Datenmenge, Latenzanforderung oder Innenraumpenetration gibt es maßgeschneiderte Konnektivität.“
Die neueste Technologie ist 5G, die in der High-Band-Frequenz mit 3,6GHz Übertragungsraten von mehr als 1GBit/s ermöglicht und im Vergleich zu 4G mindestens doppelt so hohe Datenmengen übertragen kann. Trotz der in diesem Frequenzbereich geringen Reichweite zwischen 300 und 1.000 Metern pro Funkzelle ist diese Technologie gerade für Firmennetzwerke sinnvoll einsetzbar. Insbesondere für zeitkritische Steuerung von Produktionsanlagen, autonomen Werksverkehr oder Transportsystemen ergibt 5G jedoch genau dort wegen der geringen Latenzen von unter einer Millisekunde im High-Band Sinn. 4G als ursprünglich für Verbraucher konzipierte Mobilfunktechnologie erreicht dagegen Übertragungsraten von höchstens 500MBit/s bei Latenzen zwischen 15 und 80ms. Die meisten IoT-Anwendungen lassen sich heute problemlos über 4G realisieren. Allerdings ist 4G nicht für industrielle Zwecke optimiert und nicht sehr energieeffizient. Speziell für die Kommunikation zwischen Maschinen und Anlagen sind die neuen LPWAN-Technologien ausgerichtet. Dabei hatten die Standardisierungsgremien industrielle Anwendungsszenarien und den Stromverbrauch im Blick. Die LPWAN-Standards LTE-M und NB-IoT sind Teil des 4G-Netzes, haben daher die größte Netzabdeckung und sind auf Energieeffizienz getrimmt. Die Batterie-Laufzeit etwa in vernetzten Sensoren kann bis zu zehn Jahre betragen. Grund sind ihr erweiterter diskontinuierlicher Empfang (eDRX), der Geräte zwischen dem Empfang von Daten über längere Zeiträume abschaltet. Zusätzlich kann der Power Saving Mode (PSM) das Funkmodul komplett herunterfahren. Beim erneuten Einschalten muss sich das Gerät jedoch nicht wieder mit dem Netzwerk verbinden. NB-IoT eignet sich jedoch nur für sporadische Übertragung kleiner Datenmengen bis etwa fünf Megabyte pro Monat, bei der Latenzen zwischen 1,6 und 10 Sekunden tolerierbar sind. Die maximale Datenübertragungsrate von NB-IoT beträgt nur ca. 128kBit/s. Das reicht aber, um Silo-Füllstände, Temperaturen oder Verbrauchsdaten zu übertragen. Aufgrund der hohen Durchdringung in Innenräumen und geringen Störanfälligkeit eignet sich NB-IoT besonders für Smart Metering, der Parkplatzüberwachung und das Gebäudemanagement. Außerdem können pro Funkzelle bis zu 50.000 Sensoren oder Endgeräte angesprochen werden. Da bei NB-IoT kein Handover zwischen den Funkzellen stattfindet, ist es nur für den stationären Einsatz geeignet.
NB-IoT und LTE-M im Direktvergleich. (Bild: Wireless Logic mdex GmbH)
Für mobile Anwendungen mit höherem Datendurchsatz kommt eher LTE-M infrage. Diese LPWAN-Technologie bietet eine Datenrate bis zu 1MBit/s bei Latenzen zwischen 10 und 15 Millisekunden. Ähnlich wie NB-IoT nutzt LTE-WAN die Energiespar-Technologien eDRX und PSM. Damit ist LTE-M fast so sparsam wie NB-IoT und hat eine ähnliche Gebäudepenetration. In Zukunft soll LTE-M auch Sprachübertragung (VoLTE) unterstützen. Damit eignet sich der Standard auch für Anwendungen wie Aufzug-Notrufsysteme, bei denen die Innenraumdurchdringung und Datenübertragung nahe der Echtzeit gefragt sind.
Für viele dieser Anwendungen kommen SIM-Chips auf Plastikkarten zum Einsatz, die etwa bei Betreiber- und Tarifwechseln manuell ausgetauscht werden müssen. Mit der eUICC-Technologie von eSIM-Chips ist es jedoch möglich, diese Wartung durch Servicekräfte zu vermeiden. Die 6x5mm großen eSIMs werden auf den Platinen der Endgeräte fest verbaut, sind resistent gegen Feuchtigkeit und Vibrationen und so zur Vernetzung in der Fertigung, Lagerlogistik und für mobile Anwendungen geeignet. Da die Datenverbindungen Over-the-Air eingespielt und verwaltet werden, könnte auch ein Betreiberwechsel ohne physischen Aufwand durchgeführt werden. Für den Fall, dass ein Mobilfunkanbieter das nicht unterstützt, könnte ein virtuelles Mobilfunk-Netzwerk wie Conexa interessant sein, das mehrere Netzstandards und Betreiber in einem Vertrag einschließt.
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1988 gründen Andreas Melkus, Theodor Kusejko und Marianne Kusejko Sigmatek und bringen eine Steuerung für den Maschinenbau und die Robotik auf den Markt. 35 Jahre später umfasst das Produktspektrum neben Steuerung und I/Os auch Visualisierung, Antriebstechnik und Safety.‣ weiterlesen
Ein neues Software-Framework soll Unternehmen die Abnahme bzw. Auditierung von KI- Anwendungen erleichtern. Das Framework erarbeiten das Fraunhofer IPA und das Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb IFF der Universität Stuttgart gemeinsam im Forschungsprojekt ’AIQualify’ der Forschungsgemeinschaft Qualität.‣ weiterlesen
Mit Gavin Moore hat der Cloud- und Daten-Spezialist NetApp einen neuen Vice President sowie CTO für die Regionen EMEA und LATAM. Er berichtet an Giovanna Sangiorgi.‣ weiterlesen
Gestiegene Preise belasten die deutsche Industrie weiterhin. Und auch beim Thema Fachkräfte ist keine Entspannung in Sicht. Hier kommt die autonome Instandhaltung ins Spiel. Was es mit diesem Konzept auf sich hat und wie Industrieunternehmen es für sich nutzen können, erklärt der Anbieter der Connected-Worker-Plattform Augmentir. ‣ weiterlesen
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KI-Use Cases in der Smart Factory setzen meist individuelle Projektierungen voraus. Jetzt hat MES-Hersteller MPDV die AI Suite vorgestellt. Darin sind acht KI-Standardanwendungen für die Fertigungs-IT Hydra und Fedra enthalten, mit denen sich etwa Ausschuss reduzieren, Rüstzeiten optimieren oder die Produktqualität prognostizieren lassen.‣ weiterlesen
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An zwei Terminen im Oktober können sich Interessierte auf den Proxia XI Days über den Einsatz und die damit verbundenen Möglichkeiten von Manufacturing Execution Systems informieren.‣ weiterlesen
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