IIoT: Industrielles Internet der Dinge

Im Großen und Ganzen bezieht sich das Industrielle Internet der Dinge (IIoT – Industrial Internet of Things) auf den Einsatz intelligenter Sensoren und Aktoren in Maschinen und industriellen Prozessen, um Informationen über deren Funktionsweise zu erfassen und diese über ein Kommunikationsnetz zu übertragen – zur entsprechenden Verwaltung und Überwachung der Arbeitsabläufe.

Das IIoT kann als Unterkategorie des Internets der Dinge (IoT – Internet of Things) betrachtet werden und ist eine zentrale Säule der Industrie 4.0 (die als nächste Phase der industriellen Revolution gilt). Diese Technologien revolutionieren die Art und Weise, wie Fabriken gesteuert und Industrien organisiert werden.

Das IIoT kann viele der Anwendungsfälle und Vorteile des IoT teilen. In diesem Sinne nutzen IIoT-Lösungen in der Regel die folgenden technologischen Ebenen:

• Geräte (oder Sensoren): zuständig für die Erfassung der Daten, die Verbindung mit einem Netzwerk und das Senden der Daten.
• Gateway-Geräte: zuständig für die Anbindung der ersten Sensoren an das Netzwerk. Letztlich ist dies der Mechanismus, der die Daten in die Cloud überträgt.
• Cloud: die in den vorherigen Ebenen erfassten Daten werden an entfernte Server gesendet, wo sie gespeichert und verarbeitet werden.
• Analytik: die letzte Ebene der IoT-Technologie, in der Rohdaten in verwertbare Informationen umgewandelt werden, wodurch Entscheidungen unterstützt sowie Muster oder Trends erkannt werden können.

Das IIoT verbessert die Kommunikation zwischen Maschinen und liefert den Werksleitungen Daten, die sehr klar zeigen, wie alle Geräte und Prozesse als Ganzes funktionieren.

Durch die kontinuierliche Erfassung detaillierter Daten können Industrieunternehmen Energie, Wasser und andere eingesetzte Ressourcen überwachen und außerdem in Echtzeit erkennen, wann ihre Maschinen laufen und wie viel sie produzieren. Bediener können dann manuelle Anpassungen vornehmen oder Anlagen können sich automatisch justieren, um den Betrieb zu optimieren.

Anwendungen des IIoT

Das Industrial Internet Consortium (IIC), eine internationale Organisation zur Förderung des IoT im industriellen Umfeld, die die Entwicklung, Einführung und breite Nutzung vernetzter Maschinen und Geräte vorantreibt, nennt die am weitesten verbreiteten Anwendungsfelder, in denen diese Technologie Wirkung entfalten kann:

• Intelligente Lageranwendungen
• Prädiktive und remote Wartung von Maschinen
• Kontrolle von Fracht, Gütern und Transport
• Vernetzte Logistik
• Intelligente Messung jedes logistischen Prozesses
• Anwendungen in „intelligenten Städten“ (Smart Cities)
• Intelligente Landwirtschaft und Viehüberwachung
• Systeme der industriellen Sicherheit
• Optimierung des Energieverbrauchs
• Industrielle Heizung, Lüftung und Klimatisierung
• Überwachung von Fertigungsanlagen
• Asset-Tracking und intelligente Logistik
• Überwachung von Ozon, Gas und Temperatur in industriellen Umgebungen
• Sicherheit und Gesundheit der Mitarbeitenden
• Leistungsmanagement von Assets im Lager

Zusammengefasst wird das IIoT laut IIC Lager- und Logistikanlagen effizienter machen – durch Prozessüberwachung – und zugleich die Sicherheit in den Abläufen erhöhen, insbesondere bei komplexeren Tätigkeiten oder solchen, die sowohl für die Ware als auch für den Bediener ein Risiko darstellen können.

Unterschiede zwischen IIoT und Industrie 4.0

Es ist üblich, die Begriffe IIoT und Industrie 4.0 zu verwechseln. Obwohl beide Konzepte Hand in Hand gehen, wenn es darum geht, die globale Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen zu verbessern, stehen sie für unterschiedliche Ideen.

Industrie 4.0 setzt auf die Digitalisierung von Informationen, die Automatisierung von Prozessen, den Einsatz neuer Materialien sowie den Einsatz neuartiger Techniken bei der Ausführung von Aufgaben.

Das Industrielle Internet der Dinge hingegen verfolgt die Erfassung großer Datenmengen (Big Data) samt entsprechender Analytik, zielt auf die Vernetzung aller Geräte und Sensoren in der Industrie ab, fördert prädiktive Instandhaltung und erhöht die Prozesssicherheit durch Überwachung.

Mit anderen Worten: IIoT ist eine von mehreren Lösungen für die Herausforderungen der Industrie 4.0, da es sich auf den Austausch von Daten und Informationen zwischen allen Geräten konzentriert, die in Fertigungsprozesse eingebunden sind. Industrie 4.0 dagegen definiert das neue Paradigma und die neuen Herausforderungen, denen sich Unternehmen hinsichtlich Prozessverbesserung, Automatisierung und Digitalisierung stellen müssen, um in einem zunehmend wettbewerbsintensiven, komplexen und effizienten Arbeitsumfeld konkurrenzfähig zu bleiben.

Vorteile des industriellen IoT

Die Einführung des IoT in der Industrie bringt dem Sektor zahlreiche Vorteile, um das Ziel jedes Logistikprozesses zu erreichen: die Rentabilität zu maximieren und gleichzeitig Betriebskosten zu senken. Zu den Vorteilen für die Industrie zählen unter anderem:

• Produktivitätssteigerung: Mit IIoT-Werkzeugen können Bediener Arbeitsabläufe schneller ausführen, ohne die Qualität des Endprodukts zu beeinträchtigen.
• Schnellere Verbesserungszyklen: Mitarbeitende in bestimmten Bereichen (z. B. Fertigungs- oder Qualitätsprozesse) können die Datenerfassung automatisieren und gewinnen dadurch mehr Zeit für Analysen und für die Entwicklung prozessorientierter Verbesserungsmaßnahmen.
• Erkennen von Geschäftschancen: IIoT-Technologie ermöglicht die Überwachung sämtlicher im Unternehmen entstehender Daten, die Bewertung von Prozessen im Hinblick auf den Markt und die Identifikation interessanter Geschäftsfelder.
• Präventive und prädiktive Wartung: Ein großer Vorteil des IIoT ist die Fähigkeit, Ereignisse wie Systemausfälle oder Störungen an Produktionsanlagen vorherzusehen. Durch intelligente Sensoren, die Daten übertragen, können Bauteile ausgetauscht oder Wartungen durchgeführt werden, bevor ein Fehler die gesamte Produktionskette beeinträchtigt.
• Qualitätssteigerung: Sensoren können Warnmeldungen auslösen, wenn sich kritische Qualitätsfaktoren in Produktionslinien destabilisieren. Bei der Herstellung von Lebensmitteln oder Impfstoffen beispielsweise, bei denen Temperatur und Feuchtigkeit entscheidend sind, können IIoT-Sensoren Veränderungen frühzeitig erkennen und rechtzeitiges Reagieren ermöglichen.
• Optimierung von Lieferketten: Mithilfe von RFID-Tags und anderen Sensoren lässt sich Inventar entlang der Lieferkette verfolgen, wodurch Abhängigkeiten präziser erkannt, Materialflüsse abgebildet und Durchlaufzeiten im Fertigungszyklus nachverfolgt werden können.
• Verbesserte Energieeffizienz: Die Integration des IoT stattet Logistiklager mit Sensorik aus, die hilft, den Energieverbrauch zu optimieren.
• Industrielle Sicherheit: Die Vernetzung von Geräten und Datenanalytik wird zu einem starken Verbündeten der Sicherheit in der Industrie. Prozesse werden mit Sensoren und Monitoren ausgestattet, um Unfälle in Anlagen zu verhindern.

Cybersicherheit im IIoT

Cybersicherheit für die im IIoT eingesetzten Geräte und Sensoren ist entscheidend, um den erfolgreichen Betrieb von Fertigungsprozessen sicherzustellen, da ein Ausfall in der Datenüberwachung und der (zunehmend autonomen) Entscheidungsfindung ein großflächiges Risiko für die Industrie darstellen könnte.

Es gibt zahlreiche Hürden und potenzielle Risiken für Unternehmen, die IIoT-basierte Steuerungssysteme implementieren. An erster Stelle steht die Sicherheit der übertragenen Informationen, da ein Dritter (Cyberkrimineller) diese abfangen und für Straftaten missbrauchen könnte.

Die Tatsache, dass mehrere Nutzer auf einen Dienst zugreifen können, schafft Unsicherheit bezüglich Identität und Standort. Zudem ist es möglich, dass mehrere autorisierte Nutzer gleichzeitig versuchen, einen bestimmten Parameter zu steuern, was Mechanismen zur Konfliktlösung und Koordination verschiedener Anfragen erfordert.

Darüber hinaus führt die zunehmende Komplexität der Abläufe zu einem Bedarf an speziell geschultem Personal, der frühzeitig berücksichtigt werden muss.

Die Sicherheit und Integrität von Daten kann durch die Nutzung von Protokollen angegriffen werden, die für den Betrieb über nicht vertrauenswürdige Netze geschaffen wurden – was Datenverschlüsselung und Nutzerauthentifizierung erforderlich macht.

Für Probleme wie Verzögerungen und Datenverluste wurden Lösungen vorgeschlagen, bei denen die Priorität für die Übermittlung von Daten erhöht wird, die als kritisch eingestuft werden.

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz einer Infrastruktur namens Fog Computing (Nebel-Computing), bei der Server so nah wie möglich am Einsatzort von Sensoren und Aktoren platziert werden – im Gegensatz zum klassischen Cloud Computing. Diese Lösung hilft auch bei Skalierbarkeitsproblemen, wenn die Zahl der verbundenen Geräte steigt.

Um die Zuverlässigkeit des Steuerungssystems zu gewährleisten, kann es in einigen Fällen sinnvoll sein, Redundanz bei Servern, Controllern, Sensoren und sogar Netzwerken vorzusehen. Ein unabhängiges lokales Steuerungssystem kann in Notfällen aktiviert werden oder wenn die Kommunikationslatenz das zulässige Maximum überschreitet.

Die Schaffung eines IIoT-Standards ist grundlegend, damit Geräte unterschiedlicher Hersteller miteinander kommunizieren können – über die Auswahl desselben Informationsprotokolls hinaus. Leider scheint eine solche Definition aufgrund der Vielfalt an Herstellern und Nutzern mit sehr unterschiedlichen Vorstellungen und Anforderungen nicht in naher Zukunft zu liegen.

Auch die Kompatibilität mit aktuell betriebenen Geräten ist eine Herausforderung. Der Einsatz virtueller Maschinen kann ausreichen, doch in der Regel erfordert jeder Fall eine spezifische Lösung, die bis hin zum vollständigen Austausch eines veralteten Systems reichen kann.

Bewährte Verfahren

International anerkannte Best Practices zum Schutz von IIoT-Infrastrukturen umfassen unter anderem folgende Maßnahmen:

• Alle IIoT-Geräte innerhalb des internen industriellen Betriebsnetzes autorisieren, unter Verwendung geeigneter Methoden wie digitaler Signaturen oder digitaler Zertifikate/PKI.
• Sichere Kommunikationskanäle für die Datenübertragung zwischen IIoT-Geräten definieren, z. B. durch die Implementierung von Whitelists für Zugriffskontrolle.
• Spezifische Sicherheitsanforderungen für Dienstleister entwerfen und implementieren. Audits sollten vor der Auswahl einer IIoT-Lösung sowie regelmäßig über den gesamten Lebenszyklus des Systems hinweg durchgeführt werden.
• Mehrfaktor- oder kombinierte Authentifizierung implementieren, um Identitätsmissbrauch beim Zugriff zu verhindern.
• Kommunikationskanäle im Zusammenhang mit sensiblen Daten (Konfigurationen, personenbezogene Daten, Aktionen zur Gerätesteuerung usw.) verschlüsseln, wo dies möglich ist, ohne Verfügbarkeit und Leistung zu beeinträchtigen.
• Bekannte Sicherheitsprotokolle implementieren, die auf Standards und technischen Empfehlungen basieren und sich als sicher erwiesen haben oder frühere Sicherheitsprobleme beheben.
• Bediener von IIoT-Geräten schulen, insbesondere im Hinblick auf die eingesetzten Schutztechnologien für die Geräte und das Ökosystem, in dem sie betrieben werden.

Im Allgemeinen stellt das Internet der Dinge im industriellen Umfeld einen Fortschritt dar, der die Vernetzung kritischer Infrastrukturen innerhalb von Werken oder Industrieanlagen mit sich bringt.

Diese Veränderung bedeutet zugleich sowohl eine Verbesserung für Unternehmen als auch ein Sicherheitsrisiko. Daher muss mit der Integration autonomer Geräte in die Industrie deren Cybersicherheit erhöht werden – durch den Einsatz zuverlässiger Protokolle, digitaler Zertifikate oder Mehrfaktor-Authentifizierung sowie in allen Fällen durch einen stärkeren und kontinuierlichen Aufwand für die Überwachung und Auditierung der installierten IT-Infrastruktur.