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Industry 4.0 in a box

IoT is often associated with developer boards such as the Raspberry PI or Arduino. However, IoT has not only played an important role under the slogan "Industry 4.0", many industry companies are using IoT in their production lines since years.

To show the potential of the Azure IoT in connection with industry components, we have took a conveyor belt, a sorting unit and sensor technologies built-in in a small flightcase. All these industry components are communicating directly to an Azure IoT Hub.

See how we can analyze the generated data with Stream Analytics and building Power BI dashbaords with streaming data. We will also show how we can interact with the components via cloud 2 device messages if the analysis shows errors or disfunctionalities and how Cortana Analytics can help minimize errors.

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Industry 4.0 in a box

  1. 1. Industry 4.0 in a box Tillmann Eitelberg Oliver Engels
  2. 2. Our Partners
  3. 3. Über uns ...
  4. 4. Über uns ... • CEO of oh22data AG • PASS Regional Mentor Germany • President PASS Germany • Chapter Leader Frankfurt, Germany • Microsoft MVP • Microsoft PTSP • CEO of oh22information services GmbH • PASS Regional Mentor Germany • Vice-president PASS Germany • Chapter Leader Cologne/Bonn, Germany • Microsoft MVP Oliver Engels Tillmann Eitelberg @oengels @_Tillmann
  5. 5. Internet der Dinge
  6. 6. Internet der Dinge - Kernelemente in der IoT Architektur Things - Geräte, die drahtgebunden oder drahtlos mit einem weiteren Netzwerk verbunden werden können Network - verbindet mehrere Dinge Untereinander und mit der Cloud Cloud - Remote-Server konsolidiert, speichert und analysiert Daten sicher und zuverlässig
  7. 7. Internet der Dinge - Globale Infrastruktur, die es ermöglicht physische und virtuelle Gegenstände miteinander zu vernetzen - Gegenstände, die mit eingebetteten Prozessoren, Sensoren und Netzwerktechnik ausgerüstet - Verschiedene Kommunikationsprotokolle für unterschiedliche Anwendungszenarien - Im Alltag häufig Wearables (Fitnestracker) oder Smart Homes (Lampen, Thermostate)
  8. 8. Internet der Dinge
  9. 9. Internet der Dinge
  10. 10. Internet der Dinge – Ist-Zustand - Viele verschiedene Protokolle und Übertragungsstandards - Geräte sind häufig nicht untereinander kompatibel - Es existieren bisher nur wenige lokale Zentralen - Das Licht wird über die Cloud an und ausgestellt - Update (Software/Firmware) Funktionen fehlen häufig oder erfordern Spezialwissen - Keine (speziellen) Sicherheitsstandards - Standard Passwörter, keine Zertifikate - „Das Device gehört nicht mir“
  11. 11. Internet der Dinge – Was brauchen wir? - Gutes API Management, damit das Internet der Dinge nicht nur ein Ding ist - Interoperabilität zwischen Geräten - Einfache Konnektivität (Router/Gateways) - Zentrales Management der Geräte - Einfacher Zugriff auf die anfallenden Daten - Zeitnahe (direkte) Verarbeitung der Daten - Privacy by default – Datenschutz und Datensicherheit
  12. 12. Internet der Dinge
  13. 13. Development Boards
  14. 14. Arduino Uno • Microcontroller ATmega328p • 14 Digital I/O Pins, 6 Analog Input Pins • 32 KB Flash Memory • Eigene Arduino IDE • Addin für Visual Studio • Erweiterung über Shields • Entwicklung in C bzw. C++ ähnlicher Programmiersprache
  15. 15. Raspberry PI • Version 3 Model B • ARM 7100 Prozessor • Quad-Core mit 1,2 GHz • 1 GB Arbeitsspeicher • 4 USB Schnittstellen, LAN, Audio, HDMI • Erweiterung über Hat‘s • Unterstützt Windows IoT Core • Entwicklung in verschiedensten Programmiersprachen u.a. Python und C#
  16. 16. Cluster HAT for Raspberry Pi Zero • Erweiterungs Hat für einen Raspberry PI A+/B+/2/3 • Interface für den Aufbau eines Clusters mit 4 Raspberry PI Zeros • Raspberry PI Zero • 1GHz single-core CPU • 512 MB RAM • HDMI, USB • Zum testen, lernen oder simulieren von kleinee Cluster Umgebungen
  17. 17. Sensor Tag - Low Energy Sensor Tag - Evaluationsmodul von Texas Instrument - Knopfzelle als Batterie (1 Jahr Akkulaufzeit) - Enthält verschiedene Kommunikationsprotokolle wie WiFi, Bluetooth Low Energy, 6LoWPAN, ZigBee - Entwicklung und Steuerung zusammen mit iPhone oder Android
  18. 18. Development Boards • Arduino Uno • Arduino Leonardo • Intel Gallileo • Intel Edison • Raspberry PI • Beagle Bone • Tessel • Particle Photon • Wio Link • Wunder Bar • Sparkfun • Sparkfun • Thunderboard • Adafruit • RelayR • Seedstudio • Uno32 • Linino • LilyPad • A10 pcDuino • RedBearLab • teensy • Calliope
  19. 19. Betriebssysteme - Vielzahl an verschiedenen Betriebssystemen - Alleine https://www.raspberrypi.org listet 12 verschiedene Systeme - (Fast) jedes Deveopment- Board hat ein eigenes Betriebssystem - Für die Betriebssysteme werden in der Regel Flashcards verwendt - Müssen vom Anwender selber geflasht werden - Kleinere Einplatinencomputer (z.B. MXCHIP, Arduino) verfügen häufig nur über eine Firmware - Manuelles Firmware Update vor der Inbetriebnahme bei fast jedem Gerät https://etcher.io/
  20. 20. Raspberry PI mit Breadboard • Erweiterung über Hat‘s (fertige Komponente) • Erweiterung / Entwicklung mit Breadboards • Komponenten werden manuell mit Kabeln zusammen gesteckt • Pin Belegungen müssen bekannt sein • Widerstände müssen integriert werden
  21. 21. Development Boards - Machen viel Spaß in der Entwicklung - Umfangreiche How-To‘s und Beispielcodes verfügbar - Teilweise vollständige Beispielprojekte mit Bestelllisten verfügbar - Software zum Aufbau von Smart Home Anlagen verfügbar - Gehäuse für Schaltschränke - Spezial Platinen (Hat) die Breadboards ersetzen - Am Ende des Tages sind es aber Development Boards
  22. 22. Industrie 4.0
  23. 23. Industrie 4.0 - Marketingbegriff, entzieht sich teilweise einer wissenschaftlichen Präzisierung - Auch IIoT (Industrial Internet of Things) genannt - Übertragung des IoT Konzeptes in die Industrie - Strategische Anwendungsfelder sind Fabrikation aber auch Mobilität, Gesundheit, Klima und Energie - Schaffung intelligenter Wertschöpfungsketten
  24. 24. Industrie 4.0
  25. 25. Mit dem Internet of Things steuern die Werkstücke die Produktion
  26. 26. Mit IoT können Städte effizienter, technologisch fortschrittlicher und grüner gestaltet werden – Smart City
  27. 27. Smart City
  28. 28. Autonome Fahrzeuge sind Bestandteil einer IoT Infrastruktur
  29. 29. Industrie 4.0 - Einheitliche Kommunikationsstandards HTTPS, MMQT, AMQP, OPC UA, ... - M2M Kommunikation (Informationsaustausch zwischen Endgeräten) - Keine Bausätze sondern Industrie Komponenten die auch unter extremen Bedingungen funktionieren - Sicherheit, z.B. durch Authentifizierung von und an Endgeräten IUNO (Nationales Referenzprojekt zur IT-Sicherheit in Industrie 4.0) - Gezieltes Management/Monitoring einzelner Geräte - Zentrale Provisionierung und Aktualisierung von Geräten
  30. 30. IoT Koffer
  31. 31. IoT Koffer - Entwicklung eines Demokoffers zur Demonstration von IoT Szenarien - Einfaches Szenario, ohne das die Lösung selbst umständlich erklärt werden muss - Verwendung von Industrie Komponenten - Keine Raspberry-PI-Development-Einplatinen- Breadboard-Steck-Löt-Lösungen - Einbindung verschiedener Partner - Transportabel 
  32. 32. oh22 IoT Koffer
  33. 33. Förderband - Kleines Förderband zum Bewegen der Werkstücke - Stufenlose Geschwindigkeitsregulierung - Ansteuerung über die Beckhoff CX 5120
  34. 34. Sensoren / Sortieranlage - 3 verschiedene Sensoren - Helligkeitssensor - Induktionssensor - Ultraschallsensor - Sensoren kommunizieren mit der Beckhoff CX 5120 - Schwellenwerte der Sensoren können zentral eingestellt werden
  35. 35. Beckhoff - Embedded-PCs auf Basis der Intel®- Atom™-Multicore-Prozessoren - Microsoft Windows Embedded 7 oder Microsoft Windows 10 IoT Enterprise - Ethernet-Schnittstellen, USB, DVI - E-Bus Interface - Kleine Batterie als USV für kurzfristige Spannungsunterbrechungen - Programmierung via TwinCAT aus dem Visual Studio heraus - I/O via EtherCAT- und Busklemmen - Zusammen mit Siemens Simatic Anlagen die quasi Standards in der Automatisierungstechnik
  36. 36. Geutebrück Video Security - Bestehende Supply Chain Lösung - Zentrale Managementsoftware - POE Kamera - Kommunikation mit der Beckhoff Steuerung via OPC UA - Software kann im Stream Vor- und Zurückspulen und gezielt Ausschnitte speichern
  37. 37. Welotec WLAN/3G/LTE Router - WLAN, 3G/4G Router der Firma Welotec - 4 Port Switch - Integrierte Firewall - Kann 2 SIM Karten verwenden - Zentrales Gateway zur Außenwelt
  38. 38. Weitere Hardware - Meanwell Netzteile für die Hutschiene - 24V/2,5A - 12V/5A - PoE Ethernet Switch für die Hutschiene Hinweis: Hutschienen Komponenten pass nicht zwangsläufig in einen Standard Sicherungskasten, auf die Bauhöhe achten.
  39. 39. IoT Koffer
  40. 40. Anwender Software
  41. 41. Anwender Software - Ausgabe der aktuellen Sensor-Werte (Ist), sowie Konfiguration der Werte für die Sortierung (Min/Max) - Ausgabe der Werte für ein erkanntes Objekt - Status der jeweiligen Zylinder mit entsprechenden Werte - Steuerung des Förderbands An/Aus und Geschwindigkeit - Software Kommuniziert lokal via WLAN mit der Beckhoff Anlage
  42. 42. IoT Hub Communicator
  43. 43. IoT Hub Communicator - Steuerung des Förderbands An/Aus und Geschwindigkeit - Öffnen und schließen der Zylinder - Anzeige des letzten aussortierten fehlerhaften Werkstücks - Daten der einzelnen Sensoren werden Live in einem Chart dargestellt - Kommunikation mit der Anlage über den Azure IoTHub - Cloud to Device Messages
  44. 44. Microsoft Azure
  45. 45. Azure IoT Hub
  46. 46. Azure IoT Hub - PaaS Dienst - Bidrektionale Kommunikation zwischen IoT-Geräten - Device-to-Cloud - Cloud-to-Device (Verbindungen und Routen werden nur in ausgehender Richtung hergestellt) - Nachrichtenrouting zu anderen Azure Diensten - Abfragbarer Speicher für Gerätemetadaten - Authentifizierung pro Gerät - Sicher Kommunikation und Zugriffssteuerung via Sicherheitsschlüssel oder X.509-Zertifikaten - Integrierte Überwachung von Ereignissen - Gerätebibliotheken für die gängigsten Sprachen und Plattformen - kann auf Millionen von gleichzeitig verbundenen Geräten und Millionen von Ereignissen pro Sekunde skaliert werden
  47. 47. Demo
  48. 48. Azure IoT Hub Device Provisioning Service
  49. 49. Azure IoT Hub Device Provisioning Service - Bereitstellung ohne manuelles Eingreifen für einzelne IoT-Lösung - Keine werkseitige Hartcodierung von IoT Hub- Verbindungsinformationen - Herstellen der Verbindung von Geräten mit der IoT-Lösung ihrer Besitzer auf Basis der Verkaufstransaktionsdaten - Herstellen der Verbindung von Geräten mit einer bestimmten IoT-Lösung abhängig vom Anwendungsfall - Erneute Bereitstellung basierend auf einer Änderung im Gerät - Wechseln der Schlüssel, die vom Gerät verwendet werden, um eine Verbindung mit IoT Hub herzustellen
  50. 50. Azure IoT Edge
  51. 51. Azure IoT Edge - Zentrale Verwaltung von Geräten über die Cloud - Bereitstellung von IoT-Lösungen auf Edge-Ebene - Ausführung von AI Funktionen auf Edge-Ebene AI Toolkit für Azure IoT Edge - Ausführung von C# Modulen, Stream Analytics und Azure Functions - Offline Arbeiten mit sporadischer Konnektivität - Reduzierungen von Datenmengen durch Vorverarbeitung - Entwicklung in verschiedenen Programmiersprachen (C, Node.js, Java, Microsoft .NET und Python) - Ermöglicht Entscheidungen in Echtzeit
  52. 52. IoT Edge-Module sind Container, die Azure- Dienste oder eigenen Code ausführen
  53. 53. Azure IoT Edge
  54. 54. Stream Analytics
  55. 55. Stream Analytics - Echtzeit Datenanalyse - parallel Complex Event Processing (CEP)-Pipeline - SQL ähnliche Abfragesprache zur Analyse von Datenströmen - Daten können aus einem Strom (IoT/Event-Hub) oder aus Datenspeichern (z.B. Blob Storage) geladen werden - Als Aktion einer Analyse können verschiedene Aktionen ausgeführt werden, wie z.B. Ändern von Geräteeinstellungen oder Senden von Daten an Warteschlangen, Power BI-Dashboards oder Speicher - Verarbeitung von bis zu 1GB Daten pro Sekunde
  56. 56. Stream Analytics – Tumbling Window SELECT IOTHUB.ConnectionDeviceId AS ConnectionDeviceId , AVG(HUMIDITY) AS Humidity , AVG(PRESSURE) AS Pressure , AVG(TEMPERATURE) AS Temperature INTO PowerBI FROM RaspberryPI TIMESTAMP BY eventprocessedutctime GROUP BY IOTHUB.ConnectionDeviceId , TumblingWindow(second, 5)
  57. 57. Stream Analytics
  58. 58. Azure Stream Analytics on IoT Edge (Preview)
  59. 59. Demo
  60. 60. Power BI
  61. 61. Power BI - Real-time Dashboards können Daten ich Echtzeit anzeigen - Es werden Push Datasets, Streaming Dataset oder PubNub Streaming Datasets unterstützt - Daten können über Power BI Rest API, Streaming Dataset UI oder Azure Stream Analytics beladen werden - Dataset haben verschiedene Datenraten und Speicherzeiten
  62. 62. Power BI https://docs.microsoft.com/en-us/power-bi/service-real-time-streaming
  63. 63. Power BI
  64. 64. Demo
  65. 65. Our Partners
  66. 66. Links • https://azure.microsoft.com/en-us/services/iot-hub/ • https://www.arduino.cc/ • https://www.raspberrypi.org/ • https://www.seeedstudio.com • https://shop.pimoroni.de/ • https://www.best4automation.com • https://github.com/Azure/iot-edge • https://nodered.org/ • https://hub.docker.com/r/nodered/node-red-docker/
  67. 67. Links (IoT Edge for Docker) • https://hub.docker.com/r/microsoft/azureiotedge-hub/ • https://hub.docker.com/r/microsoft/azureiotedge-agent/ • https://hub.docker.com/r/microsoft/azureiotedge-azure-stream-analytics/ • https://hub.docker.com/r/microsoft/azureiotedge-simulated-temperature-sensor/ • https://hub.docker.com/r/microsoft/azureiotedge-functions-binding/ • https://hub.docker.com/r/microsoft/azureiotedge-modbus-tcp/ • https://hub.docker.com/r/microsoft/iot-edge-opc-publisher/ • https://hub.docker.com/r/microsoft/iot-gateway-opc-ua-proxy/ • https://hub.docker.com/r/microsoft/iot-edge-opc-proxy/ • https://hub.docker.com/r/microsoft/iot-gateway-opc-ua/ • https://hub.docker.com/r/microsoft/iot-hub-c-raspberrypi-build/
  68. 68. Internet der Dinge - Industrie-Raspberry Pi 3 "netPI RTE 3« - Hutschienen Gehäuse - Für IoT und Industrie 4.0 Edge Automationsprojekte - 4x1.2Ghz,1GB RAM, 8GB FLASH, 4xUSB 2.0, HDMI, Wifi, RTC, ... https://www.amazon.de/dp/B0756XD2CN/ref=cm_sw_em_r_mt_dp_RU21zbD0TNPNR
  69. 69. Internet der Dinge - Revolution PI RevPi Core - Hutschienen Gehäuse - Für IoT und Industrie 4.0 Edge Automationsprojekte https://www.amazon.de/KUNBUS-RevPi-Core/dp/B06WP9RLD5
  70. 70. Azure IoT Suite https://www.azureiotsuite.com/
  71. 71. Azure IoT Suite Remote Monitoring https://github.com/Azure/azure-iot-pcs-remote-monitoring-dotnet
  72. 72. Azure IoT Suite Remote Monitoring https://github.com/Azure/azure-iot-pcs-remote-monitoring-dotnet
  73. 73. Node-RED - Entwicklungstool für die Verdrahtung von IoT Devices, API und Online Services - Ursprünglich von IBM entwickelt - Open Source unter Apache License 2.0 - Browser-based Editor - Viele Out-Of-The-Box Flows - Umfangreiche Erweiterung auch für Azure und Cognitive Services - Projekt unter https://nodered.org/ - Source Code unter https://github.com/node-red - Docker Container unter https://hub.docker.com/r/nodered/node- red-docker/
  74. 74. Node-RED

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