Architektur
Für das Verständnis einer IoT-Plattform hilft eine systematische Zuordnung der einzelnen Funktionsebenen.
Cyber-Physisches System CPS
Dem Wesen nach verstehen wir unter einem CPS ein real-physisches System, wie z.B. eine Produktionsmaschine, ein Produkt oder auch eine intelligente Komponente, dass ein datenbasierte Abbildung auf einem Datenspeicher besitzt. Mit dieser Abbildung im „Cyber-Space" sind i.d.R. Dienste verknüpft, mit denen das physische System selbst, aber auch andere Systeme miteinander interagieren.
Architektur-Prinzip
Referenzmodell für eine IoT-Plattform: Die einzelnen Funktionsbereiche werden in zwei Gruppen eingeteilt:
- Kernbereiche (dunkler Hintergrund), die den Datenfluss und die Verarbeitung von Daten beinhalten
- Querschnittsbereiche (heller Hintergrund), die Geschäftsmodelle und --prozesse berücksichtigen.
Die Elemente
(1) Geräte
Die Geräte bilden die physischen Systemkomponenten in einer IoT-Lösung ab. Hier lassen sich unterschiedliche Arten (Devices, Assets, Sensoren, Aktoren, Maschinen, ...) zuordnen.
Eine Vernetzungskomponente muss vorhanden sein (LAN, WLAN, OPC-UA, ...).
(2) Geräteverbindung, Vernetzung und Kommunikation
Für den Datentransport sind Kommunikationsverbindungen zur Dateninfrastruktur erforderlich. Das ISO/OSI-Referenzmodell beschreibt die verschiedenen Schichten und den Transportmechanismus.
Unterschiedliche Geräte werden i.d.R. mit verschiedenen Standards an die IoT-Plattform angebunden sein. Als Standard haben sich heute etabliert:
- OPC-UA (OPC Unified Architecture)
- MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)
- DDS (Data Distribution Service)
- CoAP (Constrained Application Protocol)
(3) Dateninfrastruktur
Die von den Geräten und externen Quellen zur Verfügung gestellten Daten müssen i.d.R. gespeichert werden, um z.B. einer Datenanalyse zur Verfügung zu stehen. Diese Daten werden mit sogenannten Datenbank-Systemen (-Servern) gespeichert. Es gibt zwei Datenbankentypen:
- Relationale Datenbanken / SQL
- Nicht-relationale Datenbanken / NoSQL
In der Regel werden beide Typen parallel für die verschiedenen Aufgaben in einer IoT-Plattform eingesetzt.
(4) Informationssysteme und externe Datenquellen
Neben den Daten, die direkt von den Geräten kommen (digitaler Schatten), werden auch Daten verarbeitet, die aus ganz unterschiedlichen Quellen stammen: dem digitalen Zwilling (Solldaten, Stücklisten, ...):
- aus dem ERP-System oder
- dem MES-System oder auch
- aus externen Datenquellen, wie das World Wide Web,
zur Verfügung stehen.
(5) Analytic Services
Sollen Daten verstanden werden, dann spätestens ist eine Datenanalyse erforderlich. Weitergehend zählen auch Aufgaben der Vorhersage (Predictive) in den Bereich der Data Analytics. Eng verknüpft ist dieser Bereich auch mit den Verfahren der BI (Business Intelligence) und der Big Data Analytics (Sammlung von Daten aus verschiedenen Quellen, Aufbereitung, Analyse (Klassifikation, Regression, Machine Learning,...) , Präsentation).
(6) Developer Services
Auf dieser Ebene lassen sich individuelle Anpassungen und Erweiterungen an der IoT-Plattform vornehmen. Typische Bereiche für individuelle Anpassungen sind:
Reporting, Dashboards, Mobile Applikationen, Big Data Analysen, Regelsysteme, OEE Analyzer, Cloud-2-Cloud-Verbindungen
(7) Sicherheit und Qualität
In diesem Querschnittsbereich werden unterschiedliche Aufgaben zusammengefasst. Sie wirken auf alle Bereiche der IoT-Plattform. Neben der eigentlichen IT-Sicherheit steht die Verwaltung von Benutzern und Systemzugängen im Vordergrund. Der andere Bereich bezieht sich auf die Qualität der Daten, damit diese in den verschiedenen Bereichen verwendet werden können.
(8) Smart IoT-Services
Mit den Smart IoT-Services werden Schnittstellen zu den verschiedenen Nutzern realisiert. Es werden zwei verschiedene Nutzerrollen unterschieden:
- Menschen (Kunden, Mitarbeiter, Management, ...)
- Maschinen (Machine Interface, API)
Eine sehr wichtige Umsetzung von Smart Services für den Menschen sind die „Dashboard" für Smart Devices.
(9) Geschäftsprozesse
Die realisierten IoT-Services können je nach Ausprägung Einfluss auf die Geschäftsprozesse des Anbieters oder des Kunden haben, siehe z.B. i40-Szenarien 1.
(10) Geschäftsmodelle
Das Geschäftsmodell steht mit der Geschäftsidee am Anfang jeder Entwicklung einer i40-Lösung. Neue Geschäftsmodelle ergeben sich oft durch den Paradigmenwechsel unter dem i40-Aspekt.