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Industrielle Datenübertragung mit LoRaWAN

Industrie 4.0 basiert zunehmend auf der Erfassung und Verarbeitung von Produktionsdaten. Anwendungen wie die vorausschauende Wartung oder Lösungen auf Basis von KI wären ohne Fertigungsdaten nicht umsetzbar.

Für die Erfassung von Daten stehen Sensorik und Hardware zur Verfügung, die moderne Messtechnik ist eine Schlüsseltechnologie für die digitale Produktion. Doch wie werden erhobene Daten übertragen und welche Technologien können dafür verwendet werden?

Abhängig vom Anwendungsfall gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Eine davon ist das Long Range Wide Area Network (LoRaWAN). Das LoRaWAN-Protokoll und die industrielle Datenübertragung waren Thema der 23. Sitzung der ExpertInnengruppe Forschung, Entwicklung und Innovation der Plattform Industrie 4.0.

IoT-Funksysteme und Einordnung LoRaWAN

Für die Datenübertragung in der Produktion eignen sich verschiedene Kommunikationsprotokolle. Funkbasierte Technologien bieten dabei den Vorteil, ohne eine aufwändige Verkabelung auszukommen. Bei der Suche nach der passenden Technologie entstehen wichtige Fragestellungen: Wie verlässlich ist die Datenübertragung? Wie viel Energie wird für diese benötigt? Werden ausreichend Daten sicher transportiert?

Grundsätzlich können Funkübertragungssysteme unterschiedlich klassifiziert werden: Personal Area Networks (PAN), basierend z.B. auf den Standards Zigbee oder Z-Wave, verfügen über eine geringe Bandbreite und Reichweite, für höhere Bandbreiten eignen sich Local Area Networks (LAN) oder Wide Area Networks (WAN). Zu letzteren zählen auch bekannte Mobilfunk-Standards wie LTE oder 5G.

Bei LoRa handelt es sich um ein Low Power Wide Area Network (LPWAN). Ein wichtiges LPWAN-Merkmal ist die Energiesparsamkeit der Technologie. Im Unterschied zu PAN ist die LPWAN-Reichweite aber deutlich höher, bei LoRa sind zwischen 15-20km möglich. Die Einsatzmöglichkeiten für LoRaWAN hängen stark vom Anwendungsfall ab.

Benötigte Komponenten und verfügbare Sensorik

Vereinfacht zusammengefasst besteht LoRaWAN aus vier Komponenten: einem Node (Server), einem Gateway, einem LoRa-Netzwerk-Server und einer IoT-Plattform, die Anwendungen und Sensoren visualisiert und verwaltet. Ein solches Netz können Unternehmen selbst bauen oder als „Managed Service“ (z.B. von Drei & SPL-Lele; siehe Link unten) in Anspruch nehmen.

Durch die hohe Verfügbarkeit an Sensoren ergeben sich viele Anwendungsmöglichkeiten. Es können z.B. Daten zur Umwelt (z.B. Luftqualität, Schneelast, Lärm) oder zum Ressourcenverbrauch (z.B. Wasser, Gas) eines Unternehmens erhoben werden. Auch das Messen bestimmter Auslastungen (z.B. Parkplätze, Schreibtische, Maschinen) oder des Zustands einer Anlage (z.B. Leckagen, Störungen) ist mit den erhältlichen Sensoren umsetzbar.

Die Vorteile von LoRaWAN können bei der Anwendung gezielt genutzt werden. So kann z.B. im Bereich des Asset Trackings der sehr geringe Energieverbrauch der Sensoren (Batterielebensdauer bis zu 10 Jahre) genutzt werden um Güter langfristig zu lokalisieren.

Anwendungsfall Logistik

Das Potenzial von LoRaWAN zeigt sich z.B. im Bereich der Logistik. Das niederösterreichische Unternehmen KELOG setzt die Technologie im Energie-Monitoring bei Strom- und Wärmezählern ein. Dadurch lässt sich der Energie- und Ressourcenverbrauch steuern, außerdem wird man bei Grenzwertüberschreitungen alarmiert. Auch bei der Temperaturmessung kommt LoRaWAN zum Einsatz, z.B. für die Schadensprävention bei der Lagerung von sensiblen Gütern wie Batterien.

Als weitere Einsatzmöglichkeiten von LoRaWAN sind bei KELOG z.B. ein Container/Abfallmonitoring sowie ein Laderampen- & Schleußenmonitoring geplant.

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Bei den Kölner Abfallwirtschaftsbetrieben ist LoRaWAN bereits im Einsatz.

Alternative mIoTy

Eine weitere Technologie im Long Range Bereich ist das Protokoll mIoTy. Dieses wurde vom Fraunhofer IIS entwickelt. Im Gegensatz zur proprietären LoRa-Technologie setzt mIoTy auf einen offenen Standard. Durch die Aufteilung der zu übermittelnden Daten in Sub-Pakete soll mIoTy zuverlässiger als existierende LPWAN-Netze funktionieren und (noch) weniger Strom verbrauchen.

Auch mIoTy ist bei Industrieanalgen bereits im Einsatz. Aktuell gibt es z.B. in Oberösterreich ein 580km² großes mIoTy-Pilotnetz, über welches Daten aus Ölfeldern erfasst werden. Städte und Gemeinden setzen die Technologie für ihre Infrastruktur ebenfalls ein. Der Flughafen München verwendet z.B. mIoTy für das Monitoring der zahlreichen dort im Einsatz befindlichen Wasserverbrauchszähler.

F&E in der Plattform Industrie 4.0

Wir bedanken uns bei Thomas Polzer und Stefan Paschek (FH Technikum Wien), Christopher Stranzl (Hutchison Drei Austria), Gernot Fitzko (Kelog Logistik) und Maximlian Roth (Fraunhofer IIS) für die Inputs und die aufschlussreichen Vorträge! An der FH Technikum Wien existieren mit dem Master-Studiengang IoT & intelligente Systeme sowie dem IoT Labor wichtige Einrichtungen im Zusammenhang mit industrieller Datenübertragung. Drei baut mit SPL TELE ein österreichweites LoRaWAN-Netz.

Darüber hinaus bedanken wir uns beim Team von Hutchison Drei Austria für das Hosting vor Ort und für die gemeinsame Organisation.

Bei den Veranstaltungen der Plattform Industrie 4.0 bringen wir unterschiedliche Akteure zu spezifischen Themen zusammen und fördern so den Austausch und das Lernen in der österreichischen Industrie. Unsere verschiedenen Formate sind für alle Mitglieder der Plattform Industrie 4.0 zugänglich. Sollte Ihr Unternehmen Mitglied, Sie aber nicht auf unseren Verteilern sein, melden Sie sich gerne bei michael.faelbl@plattformindustrie40.at.

Sollten Sie noch kein Mitglied sein, freuen wir uns ebenfalls über Ihre Kontaktaufnahme!

Michael Fälbl