IoT Plattform für die Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Kältetechnikindustrie

Eine Information von Ziehl-Abegg

Die digitale Transformation schreitet in allen Industriebereichen rasant voran. Bis 2025 werden rund 75 Mrd. internetfähige Geräte in Betrieb sein. Schon bis 2023 werden ca. 30 % des IoT-Marktes für intelligente Gebäude mit KI-Technologien ausgestattet sein. Menschen, Maschinen, Komponenten und Produkte werden direkt miteinander vernetzt. Die Datenverfügbarkeit in Echtzeit, komplexe Datenanalysen oder präskriptive Analysemöglichkeiten schaffen eine bessere Entscheidungsgrundlage für die eigene Geschäftstätigkeit.

Das Internet der Dinge (IoT), im industriellen Bereich IIoT genannt, ist keine rein technologische, sondern auch eine Geschäftsrevolution, die sich durch Technologien und datenbasierte Modelle entwickelt.

Vernetzte Systeme ermöglichen es, Informationen und Daten auszutauschen, zu sammeln, auszuwerten und intelligent aufeinander zu reagieren. Bisher wurden kaum Informationen gesammelt oder in unterschiedlichen IT-Systemen verfügbar gemacht. Meist wurden diese Informationen nur manuell ausgewertet. Anschließend wurden Anpassungen vorgenommen, um Verbesserungen herbeizuführen. Die Digitalisierung ändert diesen Ablauf nun grundlegend.

Es werden Maschinen, Komponenten und produzierte Güter mit Sensoren und intelligenten Komponenten (Systeme mit Rechenleistung) ausgerüstet und über das Internet miteinander verbunden (IoT). Sie kommunizieren nicht nur untereinander, sondern auch mit anderen Systemen in Produktion, Vertrieb, Entwicklung oder bei Kunden und Lieferanten.

Im nächsten Schritt der Automatisierung entstehen autonome Systeme. Maschinen und Komponenten können dann nicht nur mit Hilfe einer Zentralsteuerung Arbeitsschritte wiederholen, sondern sie können durch die Anwendung von KI selbständige Entscheidungen treffen. Aus Zentralsteuerung wird dann dezentrale Selbstoptimierung.

Die digitale Wertschöpfung mit smarten Geräten und Komponenten beruht auf folgenden Schritten:

1. Geräte verbinden
2. Daten sammeln
3. Daten analysieren
4. Intelligent entscheiden (Echtzeit- und kontextbezogene Informationen)
5. KI: Künstliche Intelligenz (kontinuierliche Verbesserung und autonome Systeme).

Die Datennutzung und der Mehrwert für den Kunden nehmen dabei Schritt für Schritt zu.

Baukasten für digitalen Mehrwert und neue Geschäftsmodelle

Für den Einstieg in die digitale Transformation und in das intelligente Gerätemanagement entwickelte Ziehl-Abegg die Cloud-basierte IIoT (Industrial Internet Of Things)-Plattform ZAbluegalaxy als SaaS-Anwendung (Software as a Service). Die Plattform ist speziell für Anwendungen in der Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Kältetechnik (HVAC/R) sowie der Aufzugsbranche zugeschnitten und bietet spezifische Mehrwerte gegenüber einer Standard-Cloudlösung.

Ziehl-Abegg besitzt über 100 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Ventilatoren, Regel- und Antriebstechnik. Nach der Entwicklung der intelligenten ECblue-Motorentechnologie ist dies nun der nächste konsequente Schritt zur weiteren Digitalisierung.

ZAbluegalaxy stellt alle erforderlichen Komponenten als externe Dienstleistung zur Verfügung. Die Anwendung basiert auf den Clouddiensten der Microsoft Azure-Plattform. Sie bietet ein Höchstmaß an Verfügbarkeit und Skalierbarkeit, inklusive proaktivem Konzept für Sicherheit, Compliance und Datenschutz.

Der Zugang erfolgt durch die Benutzeranmeldung über einen Webbrowser oder die ZAset App. Dabei wird das Single-Sign-On-Prinzip verwendet. Der Anwender erhält Zugriff auf alle Dienste in der Cloud, für die er autorisiert ist. Die Datenkommunikation erfolgt über eine hochsichere Ende-zu-Ende-Verschlüsselung.

Bei Bedarf können andere IIoT-Plattformen über eine REST-API eingebunden werden, was den Datenaustausch zwischen verschiedenen Cloudsystemen oder Building Management Systemen ermöglicht.

Mit der vorkonfigurierten Cloud-Anwendung lassen sich alle Geräte und Maschinen verbinden und übersichtlich verwalten. Die sensorgestützten Daten aus den vernetzten Geräten und Maschinen in Datenbanken gespeichert. Über die cloudbasierten Dienste erhält man umfangreiche Funktionen für Administration, Management und Monitoring der vernetzten Dinge. So werden umfangreiche Analysen möglich. Visualisierungen schaffen einen transparenten Überblick, um die Produktauslastung unter realen Bedingungen zu verstehen. Die daraus generierten Informationen bieten eine neue, viel umfangreichere Entscheidungshilfe als zuvor und ermöglichen qualitativ bessere Entscheidungen.

In Zukunft können auch Lösungen entwickelt werden, die mit intelligenten Algorithmen der KI zusätzlich auf abstrakterer Ebene automatisieren: Es werden Effizienzkriterien und verschiedene Aktionsrahmen definiert. Je nach Ausgangslage wird die Aktion ausgeführt, die effizienter wirkt. Der Gerätebetrieb wird optimiert und die Gesamteffizient gesteigert.

Die Plattform bildet die Basis für die Entwicklung und Integration weiterer Funktionen und deren Anpassung auf individuelle Gegebenheiten.

Die Vernetzung der Geräte und Maschinen

Die IoT-fähigen Geräte und Maschinen sind standardmäßig über MODBUS (Standard BUS-Protokoll) mit einem ZA Cloud-Gateway verbunden. Das ZA Cloud Gateway wiederum bildet die Schnittstelle zu ZAbluegalaxy. Hier ermöglicht ein IoT-Hub die sichere und zuverlässige Kommunikation zwischen der IoT-Anwendung (ZAbluegalaxy Software) und den von ihr verwalteten IoT-Geräten. Verwendet wird dazu das offene Nachrichtenprotokoll MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Es ermöglicht die Übertragung von Telemetriedaten zwischen den Geräten selbst bei hoher Verzögerung oder beschränkten Netzwerken.

Im Prinzip können alle IoT-fähigen Geräte mit BUS-Kommunikation mit dem ZA Cloud-Gateway verbunden werden. Auch individuelle Gateways sind durch Softwareanpassung oder durch eine Rest API-Schnittstelle verwendbar.

Verwendung eines ZA Cloud-Gateways mit ECblue-Geräten

Das ZA Cloud-Gateway ist bereits vorkonfiguriert für die Verbindung mit der Motorentechnologie ECblue.

Über den MODBUS werden relevante Sensorwerte wie Temperatur, Drehzahl, Eingangsspannung, Motortemperatur und Leistungsaufnahme übermittelt. Die neuen ECblue-Motoren sind mit einem Hochleistungs-Dreiachsen-MEMS-Beschleunigungssensor ausgerüstet. Mit den Sensordaten lassen sich auch Schwingungen erfassen und Vibrations- und Unwuchtzustände erkennen, die z. B. auf Verschmutzungen oder Defekte hinweisen können. ECblue-Geräte sind auch mit Rechenleistung ausgerüstet, um Daten dezentral zu verarbeiten (Edge Computing). Über integrierte Algorithmen, z. B. für vorausschauende Wartung, lassen sich schon dezentral Vorhersagen zu fälligen Wartungsarbeiten oder der Lebenserwartung berechnen (Edge Analytics). Ein ZA Cloud- Gateway kann über LAN, W-Lan oder USB LTEStick verbunden werden.

Zusätzlich erhält man mit ZAset Mobile und ZAset Desktop einen einfachen und schnellen Zugriff auf sämtliche Parameter und Funktionen der ECblue-Geräte (EC-Motoren, Frequenzumrichter und Regelgeräte).

ZAset ermöglicht eine schnellere Inbetriebnahme und Programmierung sowie Software Updates der ECblue-Geräte. Die ZAset App ist für Android und IOS erhältlich.

Neue Geschäftsprozesse

Durch IIoT verändern sich Geschäftsprozesse, die Art der Kommunikation von Unternehmen verändert sich grundlegend. Die sensorgestützten Daten werden nicht nur zur Optimierung bestehender Funktionen und Abläufe genutzt (z. B. Änderung von Wartungsintervallen durch vorausschauende Wartung), sondern es können auch neue Geschäftsmodelle entwickelt und neue Wertschöpfungsmöglichkeiten eröffnet werden. Eine durchgängige digitale Wertschöpfungskette schafft klare Vorteile.

So kann ein Hersteller durch die Nutzung der sensorgestützten Daten in Forschung und Entwicklung eine kontinuierliche Verbesserung seiner Produkte erreichen und Entwicklungszeiten verkürzen z. B. durch die Realisierung von digitalen Zwillingen und Rückkopplungsschleifen.

Installateure, OEMs und Betreiber können Betriebsdaten in Echtzeit visualisieren und auswerten und so ihre Anlagen effizienter betreiben. Dadurch werden Optimierungspotenziale erkennbar, die zu einer höheren Verfügbarkeit, einer optimierten Nutzung der Geräte, Maschinen und Anlagen sowie zu einer effizienteren Instandhaltung führen.

Intelligente Geräte, wie z. B. die ECblue-Motoren, interagieren mit ZAbluegalaxy. Eine Fernüberwachung kann automatisch Warnungen und Aktionen wie Ferndiagnosen, Wartungsanforderungen und Benachrichtigung des Servicepersonals auslösen.

Durch die automatisierte Echtzeitüberwachung des Betriebsverhaltens der Geräte, Maschinen und Prozesse und kontextbezogene Informationen ist eine vorausschauende und optimierte Wartung und Störungsbeseitigung möglich. Stillstandszeiten können verkürzt, Wartungs- und Servicepersonal effektiver eingeplant werden. Betriebs- und Reparaturkosten sowie das Risiko von unvorhergesehenen Schäden sinken. Das Wissen über kritische Daten führt so zu einer erhöhten Anlageneffizienz und einer Verbesserung der Produktionsergebnisse.

Mit Azure Time Insights steht ein vollständig verwalteter Analyse-, Speicher- und Visualisierungsdienst zur Verfügung, mit dem alle Ereignisse gleichzeitig untersucht und analysiert werden können. Mit IoT-Echtzeitdaten und historischen IoT-Daten können so interaktive Analysen durchgeführt werden, um bessere (intelligente) Entscheidungen treffen zu können.

Datenschutz und Datenhoheit

Die Daten bleiben stets im Besitz des jeweiligen Geräte- und Maschinenbesitzers.

Die ZAbluegalaxy Plattform basiert auf Microsoft Azure, implementiert in der europäischen Public Cloud. Durch den weltweit größten Cloudanbieter und IoT-Marktführer sind umfangreiche Sicherheitsvorkehrungen und Sicherheitsmaßnahmen realisiert.

Die Datenübertragung zwischen der Cloud und den Gateways erfolgt verschlüsselt. Der Mindeststandard ist eine TLS-Verschlüsselung (https und SSL-Verschlüsselung). Dabei haben ausschließlich am IoT-Hub registrierte Gateways Zugang und können Daten senden und empfangen. Die Speicherung der Daten erfolgt auf verschlüsselten Medien.

Ziehl-Abegg verwendet eine eigene sichere Hardware- und Gateway-Architektur und zieht bei Bedarf zusätzliche Security Experten für embedded Software Systeme hinzu.

Ziehl-Abegg bietet außerdem eine sehr sichere Verschlüsselung für die Bluetooth Kommunikation. Die Verbindung zwischen ZAset mobile und den EC-Motoren und Frequenzumrichtern ist zusätzlich durch Abfrage der Seriennummer und einer PIN geschützt.