Siemens und IoT: Die nahtlose Integration der physischen und virtuellen Welt

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TN Hinweis: Dieser Artikel stammt von der offiziellen Siemens-Website mit dem Titel „Bilder der Zukunft“. Siemens ist ein deutsches Konglomerat und einer der grĂ¶ĂŸten Akteure in der Technologie der Technokratie. Es ist fĂŒhrend in Smart Grid, Windkraftanlagen, Fabrikautomation und insbesondere bei der Schaffung des Internet der Dinge (IoT), in dem GerĂ€te autonom miteinander kommunizieren und interagieren. 

Ob in Fabriken, Schienen- und Verkehrsmanagementsystemen oder dezentralen Energieverteilungssystemen - der Trend geht zur Vernetzung einzelner GerÀte mit ganzen Systemen - ein Prozess, der auf der Integration der physischen Welt in die virtuelle Welt der Daten basiert. Das Ergebnis nennt Siemens das Web of Systems. WÀhrend dieses Prozesses kann Siemens seinen Kunden helfen, ihre vorhandenen GerÀte durch die Vorteile des digitalen Universums zu bereichern, ohne den Datenschutz oder das geistige Eigentum zu gefÀhrden oder zu beeintrÀchtigen.

Unser tĂ€gliches Leben wird mit immer mehr GerĂ€ten gefĂŒllt, mit denen Benutzer den Status eines Objekts ĂŒber das Internet oder die Cloud herausfinden können. Beispiele fĂŒr diesen Trend sind Fitness-Tracker-ArmbĂ€nder, Sensoren zur Überwachung des Feuchtigkeitsgehalts von Pflanzen und HĂ€user, die lernen, WĂ€rme und Beleuchtung an die Lebensgewohnheiten ihrer Bewohner anzupassen. WĂ€hrend sich dieser Prozess entwickelt, ist es realistisch zu erwarten, dass irgendwann jedes „Ding“ mit einer Internetadresse ausgestattet wird, wodurch sich ganz neue Möglichkeiten fĂŒr die Interaktion mit diesen „Dingen“ eröffnen.

Dieses Paradigma des Internet der Dinge (IoT) eröffnet Siemens enorme Chancen. Schließlich ist Siemens ein wichtiger Akteur bei der Kombination von Hard- und Software - zum Beispiel bei Automatisierungslösungen fĂŒr die Produktion, bei Schienen- und Verkehrsmanagementsystemen sowie bei der dezentralen Lieferung von elektrischem Strom.

Trotzdem sind Fabriken, Verkehrsnetze und Versorgungsnetze weitaus komplexer als Smartphones und TrackerarmbĂ€nder. Dies sind Beispiele fĂŒr reale und virtuelle Systeme, die miteinander verzahnt wurden und hĂ€ufig sogar kritische Infrastrukturen betreffen. Kunden in solchen kritischen Bereichen haben ganz andere Erwartungen an Sicherheit, ZuverlĂ€ssigkeit und Haltbarkeit als Kunden, die ein intelligentes Thermostat- oder Anlagenfeuchtesystem kaufen. DarĂŒber hinaus möchten diese Kunden ihre vorhandene AusrĂŒstung durch die Vorteile des sich entwickelnden digitalen Universums bereichern, ohne den Datenschutz oder das geistige Eigentum zu gefĂ€hrden oder zu beeintrĂ€chtigen. Aus diesem Grund hat Siemens das Konzept des Internet der Dinge fĂŒr industrielle Anwendungen zum Web of Systems ausgebaut. Dies bedeutet, dass Systeme digital sind, miteinander kommunizieren und autonom agieren können. Nach der Vision von Siemens werden die Elemente dieses Ökosystems in Zukunft mithilfe von Webtechnologien verwaltet, die standardisierte Protokolle und Sprachen verwenden, wie sie heute im Internet verwendet werden.

Diese VerknĂŒpfung von realer und virtueller Datenwelt bietet Siemens-Kunden zahlreiche Vorteile. Sie können jederzeit den aktuellen Status eines Systems und seiner Teile detailliert erfassen und analysieren. Dies wiederum bietet enorme Einsparungsmöglichkeiten durch vorausschauende Wartung sowie großes Optimierungspotenzial fĂŒr Systeme. Mit den heutigen Technologien aus der World Wide Web-Umgebung können Systeme hĂ€ufig schneller und wirtschaftlicher implementiert und in Betrieb genommen werden. Die Intelligenz eines Systems kann nach Bedarf zwischen realen Komponenten und virtuellen Systemen in der Cloud verteilt werden, was zu einer verbesserten Robustheit und einem besseren Schutz der Kundendaten fĂŒhrt. Schließlich wird es durch die VerĂ€nderung der digitalen Landschaft einfacher, Systeme mit neuen Funktionen oder Systemsoftware im laufenden Betrieb zu aktualisieren, Ă€hnlich wie Smartphones und andere GerĂ€te ĂŒber Apps aktualisiert werden.

Warum Smart Grids Verteiltransformatoren benötigen

Eines von vielen Beispielen, bei denen unser Web of Systems Vorteile bietet, sind Smart Grids. Bis vor wenigen Jahren waren die Stromnetze streng hierarchisch organisiert. Aber heute sind sie zu dezentralen Systemen geworden. Photovoltaikanlagen und andere erneuerbare Energiequellen speisen Strom ungeregelt und schwankend in das Netz ein, und zwar auf Spannungsebenen, die bisher nur fĂŒr Verbraucher und nicht fĂŒr Generatoren galten. Im schlimmsten Fall kann dies ein Gitter instabil machen.

Daher muss den Gittern die FĂ€higkeit gegeben werden, dieser sich wandelnden Umgebung entgegenzuwirken. Eine Komponente hierbei sind Verteilungstransformatoren, die sich unabhĂ€ngig und kooperativ anpassen können, um Spannungsschwankungen in ihren lokalen Bereichen auszugleichen. DafĂŒr benötigen sie jedoch ihre eigene Intelligenz und KommunikationsfĂ€higkeit - mit anderen Worten, sie mĂŒssen „intelligent“ und vernetzt sein. Und hier kommt ein wichtiger Unterschied zum typischen Szenario des Internets der Dinge zum Tragen. Das Internet der Dinge ist mit der Cloud verbunden, und in der Cloud werden die Daten - beispielsweise von den Sensoren des GerĂ€ts - hauptsĂ€chlich verarbeitet. Reaktionszeiten und ZuverlĂ€ssigkeit sind oft zweitrangig. Aber in einem Web of Systems haben die Dinge selbst Intelligenz. Sie können lokal, schnell und zuverlĂ€ssig reagieren und gleichzeitig die LeistungsfĂ€higkeit der Cloud zur Optimierung nutzen.

Wie man ein Geheimnis bewahrt

Um die Vision eines Web of Systems zu verwirklichen, muss die zugehörige Software in der Lage sein, die Daten zu verstehen, um daraus intelligente Schlussfolgerungen abzuleiten. Dies ist nur möglich, wenn Informationen, die die Bedeutung der Daten beschreiben, entweder bereits vorhanden sind oder daneben bereitgestellt werden. Menschliche Experten können auf diese Art von Herausforderung reagieren, da sie den Kontext verstehen, in den Daten eingebettet sind. Aber Software muss der Kontext explizit mitgeteilt werden. Zu diesem Kontext gehören jedoch wichtige Informationen ĂŒber das betreffende System und die damit verbundenen Prozesse, die in vielen FĂ€llen wertvolle GeschĂ€ftsgeheimnisse darstellen, die ein Betreiber nur sehr ungern ungefiltert in die Cloud liefern wĂŒrde. Vor diesem Hintergrund ist es besser, wenn Maschinen vor Ort selbst SchlĂŒsse ziehen können, damit der Kontext geschĂŒtzt bleibt. Beispielsweise können sie bei Verteilungstransformatoren unabhĂ€ngig beurteilen, ob ein kritischer Netzzustand ausgeglichen werden soll oder ob sie Hilfe von einer höheren Ebene benötigen, um ein hohes Maß an Datenschutz zu gewĂ€hrleisten, indem Geheimnisse auf lokale Systeme beschrĂ€nkt werden.

Obwohl diese Informationen lokalisiert sind, können sie dennoch zur Wertschöpfung genutzt werden - beispielsweise durch vorausschauende Wartung oder die Entwicklung neuer Dienste. Um diese und andere Daten aus Industrieanlagen, ZĂŒgen oder Gasturbinen nutzen zu können, setzt Siemens auf Sinalytics. Dies ist eine neue Plattform fĂŒr die industrielle Datenanalyse, die es ermöglicht, jedem Kunden neue digitale Dienste anzubieten. Sinalytics verarbeitet Daten von vielen verschiedenen verteilten Systemen und deren Sensoren in Echtzeit und unterstĂŒtzt auch die lokale Datenverarbeitung direkt in GerĂ€ten.

Der Weg zu sich selbst stabilisierenden Gittern

Ein weiterer Vorteil des Web-of-Systems-Ansatzes besteht darin, dass er die TĂŒr zu einem Plattformansatz öffnet, bei dem Funktionen wie Apps verteilt und installiert und auf die gleiche Weise ausgefĂŒhrt werden können. Zum Beispiel können auf einfache Weise Services verteilt werden, die das Systemumfeld nicht nur fĂŒr Siemens, sondern auch fĂŒr seine Kunden und sogar fĂŒr die eigenen Kunden attraktiver machen. In einer solchen Umgebung könnte ein Verteiltransformator beispielsweise Anwendungen fĂŒr ein energieeffizientes Management der Straßenbeleuchtung in der Nachbarschaft ausfĂŒhren. Wenn ein Update fĂ€llig ist oder eine neue Funktion benötigt wird, kann die Software remote hochgeladen werden.

Der Smart Distribution Transformator - eine Neuentwicklung von Siemens - wird bereits in der Praxis zur Spannungsregelung im Niederspannungsnetz eingesetzt und ist damit ein wesentlicher Bestandteil eines zukĂŒnftigen Systems, das als intelligenter Umspannwerksknoten (ISSN) bezeichnet wird. Mit seiner Rechenleistung und optionalen Kommunikationsanbindung bietet das iSSN die Möglichkeit, weit mehr als nur Haushalte mit der richtigen Spannung zu versorgen. Dadurch kann das Stromnetz zusĂ€tzliche Einspeisungen oder Lasten bewĂ€ltigen, ohne dass massive Infrastrukturerweiterungen erforderlich sind.

Dieses iSSN wird derzeit im Rahmen des Web of Systems-Projekts weiterentwickelt. Die Webverbindung erleichtert beispielsweise die Inbetriebnahme, Wartung und Aktualisierung erheblich. Und jede dieser Unterstationen wird eine FĂŒlle von Daten liefern, die es ermöglichen, potenziell destabilisierende Netzbedingungen zu identifizieren, und somit ein wichtiges zusĂ€tzliches Instrument fĂŒr die vorausschauende Planung von Stromnetzen darstellen.

Ein Verteilungstransformator ergibt jedoch nicht von alleine ein Web of Systems. Die anderen Komponenten des Stromnetzes - ZĂ€hler, GebĂ€udeverteilungssysteme, Photovoltaikanlagen, Elektroautos - mĂŒssen ebenfalls mit Sensoren, lokaler Intelligenz und KommunikationsfĂ€higkeit ausgestattet sein. Das ist schon der Fall. FĂŒr Siemens bedeutet dies neue Möglichkeiten in nahezu allen Branchen, in denen das Unternehmen tĂ€tig ist.

Webs von Systemen, die bereits betriebsbereit sind

Siemens nutzt Webs of Systems bereits zur Implementierung von Lösungen, die frĂŒher viel Engineering- oder Installationsarbeit erfordern. Ein Beispiel ist das Elektrobus-Ladesystem, das Siemens in mehreren europĂ€ischen StĂ€dten installiert hat. Hier kommuniziert von der Buselektronik ĂŒber die Schnellladestation bis zum Management-Backend-System alles ĂŒber das Web, um den Ladevorgang zu koordinieren und zu optimieren. Ein weiteres Beispiel ist die Optimierung von Wasserverteilungsnetzen mit einem Sensornetz, das Leckagen erkennt und den Energieverbrauch der Pumpen minimiert. Ein wichtiger Punkt dabei ist, dass die Datenintegration im Kontext bestehender Steuerungssysteme stattfindet. Siemens untersucht Ă€hnliche Situationen in vielen anderen bestehenden Anlagen. Der Grund dafĂŒr liegt auf der Hand: Kunden wĂŒnschen sich die ZuverlĂ€ssigkeit und FlexibilitĂ€t, die die fortschrittlichen digitalen Systeme auszeichnen. Das Web of Systems kann der wesentliche SchlĂŒssel zur Erschließung dieser Vorteile sein.

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