Da Produktionsstätten, Versorgungsunternehmen und Infrastruktursysteme zunehmend neue digitale Technologien einführen, besteht ein wachsender Bedarf, die Lücke zwischen IT-Systemen auf dem Fabrikboden und den Maschinen-, Sensor- und Steuerungssystemen zu überbrücken. In dieser Hinsicht ist die industrielle Gateway-Lösung der wichtigste Baustein eines sicheren und erweiterbaren IIoT-Systems.
Dieser Artikel bietet eine eingehende Analyse einer Gateway-Lösung, ihrer Verbindung zu anderen Systemen, Modularität und Erweiterbarkeit sowie der Bedeutung dieser Funktionen für industrielle Anwendungen.
Die Industrial Gateway Lösung erklärt
Eine industrielle Gateway-Lösung kombiniert Hardware und einige proprietäre Software, um unterschiedliche industrielle Systeme mit Unternehmensnetzwerken sowie Cloud-Diensten zu verbinden. Im Gegensatz zu einem Standard-Büro-Router ist eine industrielle Gateway-Lösung für den Fabrikboden oder vor Ort sowie für robustere Umgebungen konzipiert und unterstützt verschiedene Kommunikationsprotokolle und Echtzeit-Datenverarbeitung.
In diesem Sinne sollten Sie sich ein industrielles Gateway als Edge-Computing-Gerät für die Gateway-Netzwerkinfrastruktur sowie für Paketformung und Priorisierung vorstellen.
Zu den wichtigsten Merkmalen gehören
• Robuste Konstruktion, die extremen Vibrationen und Staub standhält, sowie eine elektromagnetische Umgebung einschließlich robuster Verkabelung.
• Flexibilität in der Art und Weise, wie es verbunden istMobil-/NB-IoT, WLAN, Ethernet und mehr.
•Viele industrielle Gateways verwenden vierkernige Arm-basierte Prozessoren zur Verwaltung von Cybersicherheit, Protokollübersetzung und lokaler Analyse.
Primärkomponenten einer industriellen Gateway-Lösung
Es gibt viele Möglichkeiten, operative Technologie mit Informationstechnologie durch Industrial Gateways zu integrieren. Hier sind ein paar.
•Datenaggregation – Sammelt Daten von verschiedenen Sensoren, Messgeräten und industriellen Controllern an einem einzigen Standort.
•Protokoll – Modbus RTU/TCP, PROFINET, EtherCAT und OPC UA werden auf MQTT, HTTP oder andere cloudfreundliche Formate umgestellt.
•Randverarbeitung – Datenaggregation, Filterung und Kompression finden am Rand statt, was die Cloud-Computing-Last reduziert und Bandbreite spart.
• Sichere Kommunikation – Die Kombination aus Authentifizierung, Verschlüsselung und Firewalls gewährleistet die Sicherheit industrieller Netzwerke, insbesondere an der Grenze zwischen Betriebstechnologie und IT, oder wenn Netzwerke vom Internet getrennt sind.
•Datenspeicherung und Weiterleitung – Daten werden vorübergehend in Nordrichtung gespeichert, um Daten zu speichern, die sonst bei einem Verbindungsausfall verloren gehen würden, und die Übertragung erfolgt automatisch, wenn der Dienst wiederhergestellt wird.
•Geräteverwaltung – Die Außengeräte können fernüberwacht und aktualisiert werden, ohne dass ein Besuch auf der Baustelle erforderlich ist.
Schlüsseltechnologien, die zeitgenössischen industriellen Gateways zugrunde liegen
Jüngste technologische Entwicklungen bedeuten, dass heutige industrielle Gateways mehrere leistungsstarke Funktionen wie Edge Computing, Unterstützung mehrerer Protokolle und integrierte Sicherheit in einer robusten, feldreifen Form kombinieren können.
1) Multi-Protokoll-Unterstützung
Viele industrielle Kommunikationsprotokolle werden verwendet. Dazu gehören unter anderem Modbus RTU/TCP, PROFINET, EtherCAT, BACnet, DNP3, OPC UA und MQTT. Eine gute industrielle Gateway-Lösung verfügt über OT-seitige Protokollstacks, um sich mit einer SPS, einem Sensor oder einem Controller zu verbinden, sowie IT-seitige Stacks, um sich mit einem Cloud-Service oder Unternehmenssystem zu verbinden. Der Wert des Gateways liegt in seiner Protokollumwandlung.
2) Edge Computing und lokale Analyse:
Moderne Gateways können eine bestimmte Menge an Verarbeitung auf dem Gerät durchführen, um die Datenmenge an die Cloud zu begrenzen. Dies geschieht durch Edge-Filtering, bei dem nur die signifikanten Daten gesendet werden (das heißt, der Wert hat sich über einen bestimmten Schwellenwert hinaus geändert). Dies kann die Menge der gesendeten Daten in mehreren Telemetrie-Anwendungsfällen um bis zu 90 % reduzieren. Edge Computing ermöglicht es, Warnungen für operative Kennzahlen auszulösen und Steuerungsmaßnahmen ohne Cloud durchzuführen.
3) Integration der Mobilfunkkonnektivität:
Für verteilte Anlagen wie Stromzähler oder entfernte Pumpstationen ist Mobilfunkkonnektivität oft die praktischste Lösung. Industrie-Gateways, die mit einem eingebetteten Mobilfunkmodem (4G LTE und zunehmend 5G) ausgestattet sind, bieten eine nützliche Weitstreckenverbindung ohne Festnetzinfrastruktur. Funktionen wie Dual-SIM-Standby und automatisches Failover zwischen Mobilfunk, Ethernet und WLAN verbessern die Zuverlässigkeit eines Gateways.
4) Cybersicherheitsfunktionen
Die zunehmende Vernetzung industrieller Netzwerke hat die Sicherheit von der Mainstream-Gestaltung in den Hintergrund gerückt. Eine industrielle Gateway-Lösung umfasst Hardware-Verschlüsselung, Firewall-Regeln, Zugriffskontrolllisten sowie VPN-Unterstützung. Fortschrittliche Lösungen integrieren zudem Netzwerksegmentierung und DPI, um kritische Steuernetzwerke von vertrauenswürdigeren externen Netzwerken zu trennen. Das Design von Gateways korreliert auch positiv mit den Segmentierungs- und DPI-Technologien, die eine Zero-Trust-Politik in industriellen Netzwerken integrieren, wobei jede Komponente für die Authentifizierung und Verschlüsselung von Daten verantwortlich ist.
Markttrends und Wachstumsfaktoren für industrielle Gateway-Lösungen
Die Nachfrage nach industriellen Gateway-Lösungen steigt rapide. Der Markt für industrielle IoT-Gateways wird beispielsweise auf 450 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 geschätzt und soll 2032 auf 647 Milliarden Dollar wachsen, bei einer jährlicher Wachstumsrate von 5,33 %. Der Markt für industrielle Kommunikationsgateways hat einen kleineren Umfang und wird voraussichtlich von 2,64 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 auf 4,35 Milliarden US-Dollar bis 2032 wachsen, bei einer jährlicher Wachstumsrate (CAGR) von 7,40 %.
Die folgenden Faktoren begünstigten das rasante Wachstum industrieller Gateway-Lösungen:
• Die Einführung von prädiktiven Wartungssystemen: Eine industrielle Gateway-Lösung ermöglicht es, den Zustand von Maschinen zu überwachen und Fehler vorherzusagen, wodurch ungeplante Ausfallzeiten eliminiert werden.
• Die Einführung von Industrie 4.0 und Smart Factories: In Fertigungsbetrieben, die ihren Betrieb digitalisiert haben, ist die Notwendigkeit, ältere Geräte mit neueren IT-Systemen zu verbinden, immer kritischer geworden. Gateways dienen als Automatisierungsverbindung in Brownfield-Projekten.
• Ausbau von Smart Grid- und AMI/AMR-Implementierungen: Advanced Metering Infrastructure (AMI) und automatisierte Zählerlesesysteme (AMR) werden von Versorgungsunternehmen in großem Maßstab eingesetzt. In diesen Netzwerken sind industrielle Gateway-Lösungen, die zelluläre Konnektivität mit Protokollübersetzung kombinieren (für DLMS/COSEM, Modbus und andere Utility-Protokolle), zentrale Netzwerkelemente.
• Edge-KI-Integration: Eine Reihe industrieller Gateways beinhaltet KI-Inferenz-Engines. Das bedeutet, dass diese Gateways Analysefunktionen wie Anomalieerkennung direkt am Gerät ausführen können und so die Übertragung von Video- oder Sensorströmen in die Cloud vermeiden.
Industrielle Gateway-Lösungen und ihre Verwendung
Welche Anwendungen bieten industrielle Gateway-Lösungen in verschiedenen Branchen an?
1) Intelligente Fertigung
Gateways verbinden programmierbare Logiksteuerungen (SPS), computergesteuerte CNC-Maschinen, Robotergeräte und Visionssysteme, entweder auf der Werkstattfläche oder in der Cloud. Gateway-Lösungen bieten die Möglichkeit, Logik- und Protokollumwandlungen durchzuführen (zum Beispiel PROFINET zu MQTT), die Daten auf dem Werkstattboden zu konsolidieren und bei der Gestaltung von Echtzeit-Datendashboards zu helfen, die von Vorgesetzten in ihren Betriebsabläufen verwendet werden.
2) Netze und Umspannwerke
In elektrischen Verteilungsnetzen konsolidieren Gateways Daten von entfernten Endgeräten (RTUs), Schutzrelais und intelligenten Messgeräten. Sie wandeln IEC 61850, DNP3 oder Modbus in ein sicheres Cloud-Protokoll für die kontrollierte Fernüberwachung verteilter Energiequellen um.
3) Wasser- und Abwassermanagement
Entfernte Pumpstationen, Kläranlagen und Mobilfunkgateways integrieren sich mit seriellen (RS-485 Modbus RTU) Schnittstellen zu SCADA-Systemen und melden Durchfluss-, Druck- und Chemikalienniveaus.
4) Smart Cities
Verkehrsampelsteuerungen sowie Umwelt- und Lärmsensoren sind Beispiele für Geräte, die die verteilte Natur städtischer Ressourcen steuern. Ein industrielles Gateway mit 4G und 5G kann Feldgeräte mit städtischen Managementsystemen verbinden.
5) Standorte für erneuerbare Energien
Entfernte industrielle Solar- und Windparks können industrielle Gateways nutzen, um harten Feldbedingungen standzuhalten. Sie können Felddaten problemlos über Mobilfunknetze übertragen.
Zusammenfassung
Eine industrielle Gateway-Lösung integriert Industrieausrüstung mit IT-Systemen unter Verwendung von Datenaggregation und Protokolltransformation, Edge Computing und sicheren Verbindungen. Es bildet die Grundlage für Automatisierung und Smart Grids und ermöglicht ein größeres Ökosystem für industrielle Automatisierung und prädiktive Wartung. Mit der Entwicklung von 5G- und Zero-Trust-Konstrukten wird die Bedeutung des Gateways immer größer. Für Ingenieure und Beschaffungsfachleute ist Wissen über Edge Processing, Protokollunterstützung, industrielle Robustheit und das sichere industrielle Umfeld unerlässlich, um effektive und widerstandsfähige industrielle IoT-Systeme bereitzustellen.
Häufig gestellte Fragen
F: Was ist der größte Unterschied zwischen einem Standard-Router und einem industriellen Gateway?
A: Ein Standard-Router sendet IP-Pakete, während industrielle Gateways Protokolle (wie Modbus in MQTT) umwandeln, die Verarbeitung am Edge durchführen und robust für extreme Bedingungen gebaut sind.
F: Ist es möglich, ein industrielles Gateway auf älteren Systemen zu verwenden, wenn sie nur serielle Anschlüsse haben?
A: Absolut. Industrie-Gateways verfügen sowohl über RS-232- als auch RS-485-Schnittstellen für ältere SPSEN, Messgeräte, Controller und Ähnliches.
F: Würde ich bei einem industriellen Gateway zusätzliche Sicherheitsprodukte benötigen?
A: In der Regel nicht. Industrie-Gateways verfügen standardmäßig über Firewalls, integrierte VPN-Systeme mit IPsec/OpenVPN, Hardware-Verschlüsselung und Zugriffskontrolle.
F: Welche Mobilfunkoptionen stehen zur Verfügung?
A: Die meisten Gateways bieten 4G LTE, 5G und NB-IoT an. Mehrere Gateways verfügen über Dual-SIM-Standby, und Failover auf Mobilfunk, Ethernet und WLAN ist integriert.
F: Wie groß ist die maximale Reduzierung der übertragenen Datenmenge dank Edge-Filtering?
A: In mehreren Telemetrieanwendungen kann allein das Senden von Änderungen, die den definierten Schwellenwert überschreiten, die gesendete Daten um bis zu 90 % reduzieren.
