Wireless Network Design for Emerging IIoT Applications: Reference Framework and Use Cases

Abstract

Industrial Internet of Things (IIoT) applications, featured with data-centric innovations, are leveraging the observability, control, and analytics, as well as the safety of industrial operations. In IIoT deployments, wireless links are increasingly used in improving the operational connectivity for industrial data services, such as collecting massive process data, communicating with industrial robots, and tracking machines/parts/products on the factory floor and beyond. The wireless system design for IIoT applications is inherently a joint effort between operational technology (OT) engineers, information technology (IT) system architects, and wireless network planners. In this paper, we propose a new reference framework for the wireless system design in IIoT use cases. The framework presents a generic design process and identifies the key questions and tools of individual procedures. Specifically, we extract impact factors from distinct domains including industrial operations and environments, data service dynamics, and the IT infrastructure. We then map these factors into function clusters and discuss their respective impact on performance metrics and resource utilization strategies. Finally, discussions take place in four exemplary IIoT applications where we use the framework to identify the wireless network issues and deployment features in the continuous process monitoring, discrete system control, mobile applications, and spectrum harmonization, respectively. The goals of this work are twofold: 1) to assist OT engineers to better recognize wireless communication demands and challenges in their plants, 2) to help industrial IT specialists to come up with operative and efficient end-to-end wireless solutions to meet demanding needs in factory environments.

Signal Model for Spatial Position Sensors in Magnetic Tracking Systems

“…The development of information and communication technologies in industry, in particular in the concepts of Industry 4.0 [4] and IIoT [5], involves the solution of a wide range of tasks to create a new generation of means of interaction with the surrounding world.…”

IIoT: análise de aspectos tecnológicos, desafios e tendências para definições de diretrizes de implementação na indústria

“…A derivação dessa tecnologia aplicada diretamente na manufatura é denominada Industrial Internet of Things (IIoT) [10]. Como um subconjunto da IoT (Figura 2), a IoT Industrial (IIoT) abrange os domínios das tecnologias de comunicação máquina a máquina (M2M) e de comunicação industrial com aplicativos de automação [11].…”

“…IIoT é creditada por aumentar a visibilidade dos processos de produção e a transparência das decisões de controle. Também está participando ativamente das inovações em andamento dos sistemas ciber-físicos (CPSs) [10]. As práticas industriais empregam fortemente dados de domínio da tecnologia operacional (OT) em suas atividades de produção, como monitoramento de desempenho de ativos, otimização do fluxo de trabalho e gerenciamento de segurança da planta [10].…”

“…As tecnologias sem fio em aplicações industriais eram baseadas principalmente em soluções ad hoc, desenvolvidas individualmente para conectar peças móveis ou dispositivos de difícil acesso [11]. Porém, recentemente a Internet das Coisas Industrial (IIoT) fornece arquiteturas personalizadas e interfaces padronizadas na aquisição, transmissão e análise de dados para aplicações industriais [10]. Foram lançados os padrões projetados propositadamente para o setor (por exemplo, WirelessHART e ISA100.11a).…”

“…Nas implantações da IIoT, dispositivos sem fio são cada vez mais usados para melhorar a conectividade operacional dos serviços de dados industriais, como a coleta maciça de dados de processos, a comunicação com robôs industriais e o rastreamento de máquinas, peças, produtos no chão de fábrica [10]. Embora as tecnologias celulares, como as tecnologias 3/4/5G, prometam conectar dispositivos a longas distâncias, elas exigem suporte de infraestrutura e banda com propriedade licenciada.…”