Kommunikationslösung für die Infrastruktur

LoRaWAN hat sich in der urbanen Infrastruktur und Smart Cities aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften durchgesetzt: Die Technologie erlaubt eine effiziente und sichere Datenübertragung über lange Distanzen mit geringem Energieverbrauch, weshalb sie sich für die Vernetzung von Sensoren und Geräten in städtischen Umgebungen eignet. Durch die Verwendung von LoRaWAN können Städte dadurch Kosten sparen, dass sie bestehende Infrastrukturen optimieren und die Effizienz städtischer Dienste verbessern. Wegen der geringen Datenrate und des niedrigen Stromverbrauchs im Batteriebetrieb sammeln Sensoren mehrere Jahre lang Daten ein und senden diese an den Server. Phoenix Contact hat das Potenzial der Technologie genutzt und bietet eine Lösung, die LoRaWAN näher an die Automatisierungstechnik bringt. Mit einer speziellen App, die den LoRaWAN-Netzwerkserver bereitstellt, können die Steuerungen PLCnext Control nun direkt in das LoRaWAN-Netzwerk integriert werden.

Netzwerkserver als Gehirn der gesamten LoRaWAN-Architektur

LoRaWAN arbeitet typischerweise mit einer sternförmigen Topologie und stützt sich auf ein Netzwerk von Gateways, die Signale von Endgeräten wie Sensoren und Aktoren empfangen. Diese Signale werden an einen zentralen Netzwerkserver weitergeleitet, der als Knotenpunkt dient und die Kommunikation zwischen Sensoren, Aktoren und Anwendungen auf den Endgeräten koordiniert. Die Signale werden dann verarbeitet und lassen sich zur Überwachung und Steuerung verschiedener Aspekte der städtischen Infrastruktur einsetzen, z.B. der Straßenbeleuchtung, Umweltüberwachung und Energieverwaltung. Die Datenübertragung erfolgt auf dem gesamten Weg vom Sensor/Aktor bis zum Netzwerkserver verschlüsselt, was die Technologie für den Betreiber zugriffssicher macht. Der Server in einem LoRaWAN-Netzwerk ist für die Netzwerkverwaltung, das Datenraten-Management, den Datenaustausch sowie die Sensorautorisierung und Sicherheit verantwortlich, um für eine effiziente und sichere Kommunikation zu sorgen. Dabei bildet der LoRaWAN-Netzwerkserver (LNS) das Gehirn der kompletten LoRaWAN-Architektur. Er lässt sich mit einer PLCnext App On-Premise auf Basis einer industriellen Steuerung aufsetzen. Das System wird also in die Infrastruktur des Unternehmens eingebunden und dort von der zuständigen IT-Abteilung gehandhabt.

Mehr Sicherheit durch On-Premise-Systeme

Bei On-Premise-Systemen handelt es sich um eine Art von IT-Infrastruktur, bei der die Hard- und Software eines Unternehmens vor Ort im eigenen Unternehmen gehostet werden. On-Premise-Systeme erlauben den Unternehmen die volle Kontrolle und Anpassungsfähigkeit ihrer IT-Infrastruktur. Sie ermöglichen eine optimierte Leistung, minimierte Netzwerklatenz und bieten Sicherheit für sensible Daten, da diese das Unternehmensgelände nicht verlassen. Langfristig können On-Premise-Systeme kosteneffizient sein, weil keine laufenden Abonnementgebühren anfallen. Der Offline-Zugriff trägt zur Betriebskontinuität bei. Anwender können selbst in abgelegenen Gebieten oder bei Netzwerkausfällen auf das System zugreifen. Darüber hinaus wird die Integration mit Legacy-Systemen erleichtert, was die Migration und den Datenaustausch der Systeme wesentlich vereinfacht. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass On-Premise-Systeme nicht immer die beste Option für jedes Unternehmen darstellen. Es gibt auch Alternativen – wie Software-as-a-Service (SaaS) -, die Anwendungen über das Internet auf Abonnementbasis bereitstellen. SaaS kann Vorteile wie geringere Vorabkosten, Skalierbarkeit und Zugriff von überall zur Verfügung stellen. Die Wahl zwischen On-Premise und SaaS hängt von den spezifischen Anforderungen und Ressourcen des jeweiligen Unternehmens ab.

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Einsatzbereich auch in großen Industriekomplexen

Aufgrund des offenen Linux-Betriebssystems der PLCnext Technology lassen sich unterschiedliche Technologien vereinen. So kann das LoRaWAN-Netzwerk in der Automatisierungstechnik neben einem Steuerungsprogramm koexistieren oder ebenfalls eingebunden werden. Dadurch ist LoRaWAN nicht nur in städtischen Umgebungen nutzbar, sondern ebenso in der Industrie. Die Technologie lässt sich z.B. in einem großen Industriekomplex installieren, wo die Produktionsanlagen auf weiten Flächen verteilt sind. Die LoRaWAN-Sensoren werden strategisch eingebaut und erfassen dann die verschiedenen Messwerte, wie Temperatur, Druck, Energieverbrauch oder Feuchtigkeit, und senden diese an den LoRaWAN-Netzwerkserver auf der Steuerung. Dort lassen sich die Daten verarbeiten oder an Systeme von Drittanbietern weiterleiten. Auf diese Weise können abgelegene Messstellen, die keine andere Möglichkeit zur Integration der Daten in das vorhandene Netzwerk bieten, ausgelesen werden.

Bereitstellung des Netzwerkservers als Container auf der Steuerung

Zur Installation lokaler, privater LoRaWAN-Netze und direkten Verarbeitung der Informationen auf einer PLCnext Control wird der LoRaWAN-Netzwerkserver von Chirpstack als PLCnext App direkt auf der Steuerung bereitgestellt. Chirpstack – ein LoRaWAN-Netzwerkserver als Open Source mit eingebautem Application Server – unterstützt die aktuellen LoRaWAN-Spezifikationen und wird kontinuierlich weiterentwickelt. Die App lässt sich entweder direkt über den PLCnext Store von Phoenix Contact auf der PLCnext Control installieren oder alternativ durch einen Offline-Download im Web-Based Management (WBM) der Steuerung einrichten. Dies wird durch die PLCnext Technology ermöglicht, die das Aufsetzen einer Container-Umgebung auf der Steuerung erlaubt. Container verwenden den Kernel des Host-Betriebssystems und benötigen deshalb weniger Ressourcen als virtuelle Maschinen, was zu einer besseren Hardware-Auslastung und somit zu mehr Effizienz führt. Durch ihre kompakte Größe können Container sekundenschnell gestartet werden, sodass eine zügige Verfügbarmachung von Anwendungen sichergestellt ist. Diese Eigenschaft begünstigt außerdem eine einfache Skalierbarkeit der Container, um den wechselnden Anforderungen gerecht zu werden. Ferner isolieren Container Anwendungsprozesse voneinander. Das erhöht die Sicherheit und verhindert Konflikte zwischen unterschiedlichen Diensten. Das heißt der LoRaWAN-Netzwerkserver wird nach der Installation einmal gestartet und der Application Server mit Webinterface des LNS ist dann über die IP-Adresse der Steuerung erreichbar. Mittels des vorhandenen MQTT Brokers des Chirpstack-Netzwerkservers lassen sich die Daten der LoRaWAN Devices auslesen. Durch Bibliotheken oder andere Apps, die im PLCnext Store erhältlich sind, können die MQTT-Nachrichten eingesammelt und weiterverarbeitet werden. Dies ermöglicht den Nutzern der PLCnext Technology die Einbindung von LoRaWAN-Sensoren/Aktoren in ihre Steuerungsumgebung, z.B. eine IEC61131- oder Node-RED-Applikation. Generell bleibt es dem Nutzer überlassen, wie er die Daten weiterverarbeitet. Soll dies nicht direkt auf Steuerung ausgeführt werden, lassen sich die Daten über Integrationen im Application Server an unternehmenseigene Leitsysteme oder Systeme von Drittanbietern übertragen. Einmal aufgesetzt, ist das LoRaWAN-Netzwerk flexibel erweiterbar, damit zusätzliche LoRaWAN-Geräte jeglicher Art in das bestehende System eingebunden werden können.

Integration von IoT-Technologie

Konkretisiert als PLCnext App für SPS-Systeme von Phoenix Contact erlaubt die On-Premise-Lösung den Unternehmen die volle Kontrolle und Anpassungsfähigkeit ihrer IT-Infrastruktur. Sie zeichnet sich durch eine optimierte Leistung, minimierte Netzwerklatenz und Sicherheit für sensible Daten aus und macht die Integration von IoT-Technologie auf Basis industrieller Steuerungen möglich. In Kombination mit dem PLCnext Store eröffnen sich zahlreiche Optionen zur Verarbeitung der erfassten Daten. Insgesamt zeigt sich, dass die Einbindung von LoRaWAN in städtische Infrastrukturen und industrielle Anwendungen erhebliche Vorteile bieten kann und das Potenzial hat, die Art der Datenaufnahme und -nutzung grundlegend zu verändern.

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