Entscheidend in der Smart-Factory: Wie synchron ist die Zeit der smarten Systeme?

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Entscheidend in der Smart-Factory: Wie synchron ist die Zeit der smarten Systeme?

Eigentlich klingt es ganz einfach: In einer smarten Produktion arbeiten alle Maschinen vernetzt. Sensordaten werden zusammengeführt, um daraus die Steuerung der Maschinen abzuleiten und die Qualität zu kontrollieren. Doch wie aktuell sind die einzelnen Sensordaten? Warum werden Sensordaten erst zusammengeführt und dann ausgewertet und nicht direkt weiter verwertet? Fakt ist – werden bei der Auswertung Fehler gemacht, kann das teuer oder sogar gefährlich werden. Wie lässt sich das Problem lösen?

Das Problem ist nicht neu. Schon bei der Einführung der Eisenbahn wurde es offensichtlich: Wenn die Zeit in einem Netz nicht hinreichend genau und überall gleich definiert ist, führt das zu Missverständnissen und Fehlern. Damals verwendeten die vielen kleinen Staaten auf dem Gebiet Deutschlands ihre eigenen Ortszeiten. So gab es größere Uhrzeitdifferenzen zwischen Berlin und Köln, zwischen Dresden und Düsseldorf, zwischen München und Stuttgart. Wer mit der Bahn reiste, musste selbst bei kürzeren Fahrten seine Uhr auf die gültige Ortszeit umstellen – sonst hätte er möglicherweise seinen Anschlusszug oder seine Verabredung verpasst.

In einer Smart Factory sind schnelle Reaktionszeiten wichtig

In Netzwerken ist die Zeitdefinition von großer Bedeutung. Das hat sich von damals bis heute nicht geändert. Allerdings hat sich, je nach Anwendung, die Fehlertoleranz ganz wesentlich reduziert: Gilt bei der Deutschen Bahn heute ein Zug noch als pünktlich, wenn er weniger als sechs Minuten zu spät ankommt, zählen in IT- und Telekommunikationsnetzen Zeitdifferenzen von nur wenigen Millisekunden als akzeptabel. Das Mobilfunknetz der 5. Generation, das häufig als Voraussetzung für die Vernetzung von autonom fahrenden Autos angesehen wird, bietet Verzögerungszeiten, sogenannte Latenzen, von weniger als zehn Millisekunden. Damit sollen schnelle Reaktionen der computergesteuerten Fahrzeuge möglich werden, die Unfälle weitestgehend verhindern. Ähnliche Anforderungen gelten für Produktionsnetzwerke: Wenn eine Maschine auf das Ergebnis einer anderen angewiesen ist, wenn Fehlproduktionen schnell erkannt und unmittelbar korrigiert werden sollen, müssen die Laufzeiten der Daten in der Smart-Factory möglichst kurz sein – und deren Auswertung muss zeitlich präzise zusammenpassen.

Frank Schmidt-Küntzel, Business Owner Campus Networks Telefónica Deutschland

Vernetzungstechnologien von Ethernet bis 5G-Campusnetz

Doch diese Gleichzeitigkeit ist in einem Produktionsnetzwerk nicht so einfach herzustellen. Sensoren und Aktoren in den vielen Maschinen unterschiedlicher Hersteller können mit unterschiedlicher Netzwerktechnik ausgestattet sein. Ethernet, WLAN, private Mobilfunknetze als lokale Campuslösung oder das öffentliche Mobilfunknetz – eine ganze Reihe an verschiedenen Lösungen können Maschinen miteinander vernetzen.

5G-Campusnetze gewinnen im Bereich Produktion an Bedeutung: 5G kann als erste der drahtlosen Technologien Garantien für die unterschiedliche Qualität von Verbindungen übernehmen, und das dynamisch und selbst bei Bewegung. Dadurch können große Teile der Produktionstechnik ohne teure und unflexible kabelgebundene Vernetzung miteinander verbunden werden. „Und wenn ein Campusnetz erst einmal besteht, ergeben sich schnell weitere Anwendungsfälle“, weiß Frank Schmidt-Küntzel, Business Owner Campus Networks bei Telefónica Germany. „So lassen sich in einem Campusnetz relativ einfach Sensoren oder hochauflösende Kameras zur Diagnose für die Instandhaltung schneller und unkomplizierter nachrüsten. In der Logistik geht es eher um die nächste Generation autonom fahrender Transporter und Roboter, sogenannte AGV (Autonomous Guided Vehicles) und AMR (Autonomous Mobile Robots), sowie um die Automatisierung der Inventarisierung.“

Niels König, Abteilungsleiter Produktionsmesstechnik Fraunhofer IPT (Bild: Sarah Thelen)

In den meisten Fabriken werden allerdings, zumindest auf absehbare Zeit, unterschiedliche Vernetzungstechnologien kombiniert. Für die zeitliche Abstimmung der Daten, die in einer vernetzten Produktion gesammelt werden, bringt das eine zusätzliche Herausforderung: Zur spezifischen Latenz, der Übermittlungsverzögerung, in jedem einzelnen Netz einer bestimmten Technologie gesellt sich das Problem, dass die verschiedenen Netze nicht synchronisiert sind.

Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) beschäftigen sich Wissenschaftler und Techniker intensiv mit den Herausforderungen der Smart Factory, auch mit dem Zeitproblem. Hier ist mit dem 5G-Industry Campus Europe eine viel beachtete Installation entstanden, auf der die Möglichkeiten des 5G-Mobilfunkstandards für die industrielle Fertigung erforscht und erprobt werden. „Grundsätzlich bietet 5G mit seiner geringen Latenz sehr gute Voraussetzungen für den Einsatz in der Produktion“, sagt Niels König, Abteilungsleiter Produktionsmesstechnik. „Wenn beispielsweise in einem Fräswerkzeug etwas bricht, muss man sofort reagieren. 5G ermöglicht solch schnelle Reaktionen.“ Außer einer passenden Netzwerktechnik ermöglicht grundsätzlich auch Edge-Computing schnelle Reaktionen: Statt Daten an einen Server zu senden, dort zu analysieren und daraus resultierend Steuerungsbefehle an die Maschine zu senden – in einem Prozess, der zwangsläufig Zeit erfordert –, werden hierbei Daten gleich vor Ort erfasst, analysiert und zur Steuerung der Maschine verwendet.

Synchronisation erforderlich

Das ermöglicht zwar schnelle Reaktionen, doch das Problem unterschiedlicher Netzwerktechnologien nebeneinander zeitlich zu synchronisieren, lässt sich so nicht lösen. „Wenn wir beispielsweise den digitalen Zwilling einer Fabrik erstellen wollen, müssen wir die Daten aus unterschiedlichen Datenquellen wie beispielsweise Sensoren oder Werkzeugmaschinen zeitlich perfekt abstimmen, egal über welche Technologie die Daten übertragen wurden“, erklärt König. „Alle Daten müssen deshalb einen Zeitstempel bekommen, der sich auch wirklich an allen Quellen auf dieselbe Zeit bezieht.“ Die Lösung für die zeitliche Synchronisation: ein gemeinsames Netzwerk, über das allein die Uhrzeit an allen beteiligten Endpunkten festgelegt wird.

Das Schweizer Unternehmen u-blox hat dafür ein Modul entwickelt, über das ein Mobilfunknetz zur Synchronisation genutzt werden kann. „Ein LTE- oder 5G-Netz muss perfekt synchronisiert sein, damit es funktioniert und beispielsweise Telefongespräche von einer Basisstation an die nächste übergeben kann“, erklärt Ludger Böggering, Senior Principal Application Marketing bei u-blox. „Aufgrund des eigenen Chipsatzes haben wir vollen Zugriff auf alle Ebenen des Systems, sodass wir in der Lage sind, eine hochpräzise Zeitinformation bereitzustellen. Alle Geräte, die damit ausgestattet werden und Verbindung zum entsprechenden Mobilfunknetz haben, können so zeitlich perfekt abgestimmt werden.“ Der besondere Clou dieser Lösung: Mit dem entsprechenden Mobilfunknetz ist die Synchronisation sowohl lokal, also auf kurzen Entfernungen, sowie über große Entfernungen umsetzbar. Auf dem 5G-Industry Campus Europe am Fraunhofer IPT in Aachen sorgt das LTE-M-Netz von Telefónica dafür, dass die Maschinen und ihre Daten synchronisiert werden.

Hochpräzise

„Das System aus Maschine, unseren Mobilfunkmodulen und dem Mobilfunknetz von Telefónica funktioniert nicht nur auf einem überschaubaren Campus, sondern kann beispielsweise auch Energieerzeuger und -verbraucher synchronisieren“, sagt Böggering. Die hochpräzise Zeitsynchronisation kann auch zum Aufdecken von Leckagen in einem Rohrleitungssystem eingesetzt werden: Hochempfindliche Mikrofone zum Beispiel können im Abstand von vielleicht einem Kilometer das Wasserrauschen an unterirdisch verlegten Rohren abhören. Je präziser die beiden Mikrofone miteinander synchronisiert sind, desto genauer lässt sich die Stelle der Leckage ermitteln. „Hierbei kommt es auf wenige Zentimeter an – denn man will ja nicht die Straße auf zehn Meter Länge aufreißen, nur weil ein kleines Loch geflickt werden muss“, erklärt Böggering. Die Technik von u-blox in Verbindung mit dem Telefónica-Netz ermöglicht eine Synchronisation bis auf Mikrosekunden genau.

„Im Rahmen des EU-Projekt 5G-SMART, in dem wir mit mehreren Partner Lösungen von 5G für industrielle Anwendungen entwickeln, kam bei uns die Frage auf, wie wir die Daten eines 5G-Sensors für die Prozessüberwachung beim Fräsen mit den Positionsdaten der Fräsmaschine, die über Ethernet vernetzt ist, fusionieren können. Es war naheliegend, die Lösung von u-blox in den Sensor zu integrieren und gleichzeitig ein kompaktes Stand-alone-System für die Maschine zu entwickeln. Obwohl dies zunächst als Workaround gedacht war, haben wir schnell erkannt, dass diese Lösung überall sinnvoll ist, wo eine Synchronisationslösung zum Beispiel über GPS nicht zur Verfügung steht oder im Falle von Time Sensitive Networking (TSN) zu aufwendig ist. Die Lösung funktioniert überall dort, wo man LTE-M Empfang hat. Durch den sehr genauen Zeitstempel können wir selbst in Fällen mit höherer Latenz wie im öffentlichen 4G- und 5G-Netz quasi-echtzeitfähige Anwendungen umsetzen. Das ist eine drastische Erhöhung des Nutzwerts öffentlicher Netze für industrielle Anwendungen“, gibt sich Niels König überzeugt. „Wir stehen für Anfragen gerne bereit und sind gespannt, welche neuen Applikationen noch von der Synchronisation profitieren können.“

Weitere Informationen
Fraunhofer IPT: 5G-Comet – Control over Time Sensitive Network

ITS Weltkongress – Mobilitätslabor zum Ausprobieren

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ITS Weltkongress – Mobilitätslabor zum Ausprobieren

Wie sieht unsere Mobilität in Zukunft aus? Auf diese Frage will der „ITS – Weltkongress für intelligente Verkehrssysteme“ in Hamburg vom 11. bis 15. Oktober Antworten geben. Zwei Grundpfeiler stehen dabei schon fest: Unsere Mobilität wird nachhaltig und vernetzt sein. Deshalb nimmt Telefónica Deutschland auch an der Messe teil.

Verkehr, Logistik und IT – sie gehören heute eng zusammen. Denn vor allem Digitalisierung und Vernetzung machen es möglich, Mobilität besser zu organisieren, sie effizienter und einfacher zu machen. Ziel muss es sein, Mobilität nachhaltig zu gestalten. Darin liegt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit: Wir wollen und müssen unser Klima schützen. Gleichzeitig wollen wir unseren Wohlstand erhalten, den wir in unserer arbeitsteiligen Wirtschaft erarbeiten, die wiederum auf Mobilität und Lieferfähigkeit angewiesen ist. Wie sehr die Themen zusammenhängen, führt die aktuelle Wirtschaftslage vor Augen: Logistik und Lieferketten funktionieren zurzeit in vielen Bereichen nicht richtig, Lieferketten sind unterbrochen. Die Ursache liegt nicht nur in knappen Produktions-, sondern auch an nicht ausreichenden Fracht- und Transportkapazitäten. Moderne Mobilitätskonzepte vernetzen unterschiedliche Verkehrsträger, denn im Verbund werden Straßen-, Schienen-, Luft- und Schiffsverkehr weniger störanfällig.

Der ITS Weltkongress 2021 kommt nach Hamburg (Bild: its-mobility.de)

Vordenker, Entwickler, Entrepreneure und Entscheider aus den Bereichen Verkehr, Logistik und IT treffen sich deshalb vom 11. bis 15. Oktober 2021 im Congress Center Hamburg. Erwartet werden hier zum „ITS – Weltkongress für intelligente Verkehrssysteme“ rund 15.000 Besucherinnen und Besucher sowie 400 Fachaussteller aus mehr als 130 Ländern. Zahlreiche innovative Projekte zeigen in den Messehallen, wie sich unsere Mobilität entwickelt. Auf Teststrecken und Demogeländen werden autonomes und vernetztes Fahren, nachhaltige Sharing- und Pooling-Lösungen sowie smarte Logistiklösungen erlebbar. Und am Publikumstag, am 14. Oktober 2021, kann sich auch die breite Öffentlichkeit über diese Themen informieren und selbst ausprobieren.

Telefónica Deutschland als einer der führenden Anbieter von digitaler Vernetzung per Mobilfunk und Festnetz zeigt auf dem Kongress in Halle 5B, Stand 5142, einen Teil seines Angebots für die moderne Mobilität:

Mit Edge Computing und 5G zu autonom fahrenden Autos

– Vernetztes Edge-Computing in Multi-Operator-Netzen

Kollisionswarnung erfordert extrem schnelle Reaktion. Damit alle Verkehrsteilnehmer von entsprechenden Systemen profitieren können, müssen sie unmittelbar miteinander kommunizieren können. In der Entwicklung autonom fahrender Autos spielt die Kommunikation Fahrzeug zu beliebigen Verkehrsteilnehmern (Vehicle to X, V2X) eine große Rolle. Moderne 5G-Mobilfunknetze bieten hierfür die technische Grundlage. Telefónica zeigt auf dem ITS-Weltkongress, wie diese Kommunikation funktioniert und wie sie auch für andere Services wie Verkehrspriorisierung, smarte Fahrradwege und Fußgängerschutz realisiert werden können.

5G Campusnetze, eine Komplettlösung von Telefónica

– 5G-Campusnetze

Private Netze nach 5G-Standard ermöglichen größtmögliche Freiheit für die Definition von digitalen Services, deren Qualität und Vorrang im Netz – ein echter Vorteil zum Beispiel für die Steuerung von Werksverkehren oder Fabriktransporten auf Unternehmensgeländen. Telefónica als einer der weltweit führenden Anbieter zeigt zusammen mit dem Netzwerkspezialisten Ericsson die gesamte Bandbreite zu Betrieb und Management derartiger 5G-Campusnetze.

Virtuelle und erweitere Realität (Virtual Reality, VR, und Augmented Reality, AR) können manche physische Mobilität überflüssig und damit besonders umweltfreundlich machen: Entsprechende Datenbrillen ermöglichen es, Experten auch über große Distanzen beispielsweise bei Operationen oder Wartungsarbeiten einzubinden. Moderne 5G-Netze bringen die dafür nötigen Eigenschaften mit sich, die beispielsweise auch in einem Campusnetz für die Steuerung einer Produktionsanlage genutzt werden können.

Außerdem erläutert Telefónica die Zusammenarbeit mit einem Partner, mit dem das Unternehmen in Hamburg ein 5G-Lab aufsetzt. Hier können Anwendungsszenarien für die Digitalisierung in öffentlichen und privaten 5G-Netzen entwickelt und ausprobiert werden.

Cyber-Sicherheit

Mit der Vernetzung steigen die Anforderungen an die Sicherheit. Das gilt insbesondere bei Anwendungen, die bei ihrer ursprünglichen Entwicklung nicht für die moderne Vernetzung etwa per 5G entwickelt wurde. Roboter für die Produktion wurden früher typischerweise per Kabel vernetzt. Doch moderne Campusnetze können den Nutzen der intelligenten Maschinen noch einmal steigern. Damit diese aber auch bei mobilem Einsatz sicher betrieben werden können, braucht es Sicherheitsexpertise wie die von Alias Robotics, einem jungen Unternehmen aus dem Telefónica Technologie-Hub Wayra. Damit werden Roboter in puncto Sicherheit auf das Niveau gebracht, auf dem Telefónica seine Netze betreibt.

Nachhaltigkeit

Wie sehr moderne Telekommunikation auch heute schon zur Verbesserung der Nachhaltigkeit von Mobilität beitragen kann, zeigt Telefónica mit seinem Partner Geotab. Der führende Anbieter von Telematiklösungen ermöglicht mit der Vernetzung über Telefónica nicht nur intelligentes Flottenmanagement und damit die Optimierung von Mobilität. Die Systeme liefern auch die Informationen, die nötig sind, um CO2-freie Mobilität mit Elektrofahrzeugen so zu planen, dass sie auch den Praxistest besteht.

Besuchen Sie Telefónica auf dem ITS-Weltkongress für Mobilität vom 11. bis 15. Oktober 2021 in Congress Center Hamburg, Halle B5, Stand 5142, und informieren Sie sich über den Nutzen moderner Telekommunikation für die Mobilität von heute und morgen.

Noch einfacher ins Internet der Dinge

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Noch einfacher ins Internet der Dinge

Telefónica in Deutschland macht den Einstieg ins Internet der Dinge noch einfacher und bietet unter seiner starken Marke o2 Business den neuen Tarif „o2 Business Easy IoT“: 10 Euro für zehn Jahre Konnektivität mit Datenvolumen je nach Nutzungsgebiet.

Das Internet der Dinge ist in unserem Alltag längst so präsent wie das Internet an sich: Mit dem Smartphone hat fast jede und jeder ein IoT-Gerät immer dabei. Es hat viele Sensoren, ein Ortungssystem, bietet mit NFC, Bluetooth, WLAN und Mobilfunk unterschiedliche Verbindungstechnologien an. Mit seinen vielfältigen Möglichkeiten gehört es gewiss zu den besonders flexiblen und leistungsstarken Geräten im Internet der Dinge.

Dass derartige Hightech-Instrumente vernetzt arbeiten und so Funktion, Komfort und Sicherheit ermöglichen, überrascht nicht mehr und ist Alltagserfahrung geworden. Doch die Bandbreite von Anwendungen, in denen das Internet der Dinge Funktion, Komfort und Sicherheit ermöglichen, ist unbegrenzt, weil sie bis hin zu den vermeintlich einfachsten und banalsten Dingen reichen kann. Ist der Abfalleimer im Park voll und muss geleert werden? Reicht das Wasser in der Regentonne, um die Gemüsebeete zu gießen? Wo ist das teure E-Bike abgestellt? Und wo treibt sich meine Katze gerade herum? Einfache Fragen – Antworten zu bekommen, ist nicht in jedem Fall so einfach. Aber sie bieten die Möglichkeit für neue Services und neue Geschäftsmodelle.

Smart Farming: einer von vielen Anwendungsmöglichkeiten des IoT

Werden die Gegenstände oder die Haustiere mit dem Internet der Dinge verbunden, lassen sich die Fragen leicht beantworten. Dann kann schon ein Blick aufs Smartphone reichen und schon ist alles geklärt. Das bringt echten Nutzen für den Endverbraucher – und eröffnet neue Geschäftschancen für pfiffige Unternehmer: Verbinden sie ihre Produkte mit dem Internet der Dinge, können sie zum echten Lösungsanbieter für neue digitale Mehrwertdienste werden. Produzenten von Abfallbehältern können ihre Kunden, zum Beispiel Parkverwaltungen und Straßenreinigungsämter, bei ihrer Arbeit entlasten, weil diese durch smarte Müllsammler keine unnötigen Entleerungsfahrten mehr machen und so Zeit sparen. Oder der E-Bike-Hersteller kann seinen Kunden nicht nur ein Fahrrad verkaufen, sondern gleichzeitig einen effektiven Diebstahlschutz. Und auch Produzenten von Regentonnen erweitern ihr Produkt zum Service: Statt nur der Möglichkeit, Regenwasser aufzufangen, bieten sie ihren Kunden zusätzlich Information zur Bewässerungsplanung. Davon können auch Gartenbetriebe profitieren, beispielsweise wenn sie sich über eine vernetzte Füllstandsanzeige ihres Regenwassertanks einfach automatisch informieren lassen.

Das Internet der Dinge sprengt unsere derzeitige Vorstellungswelt: Die fortschreitende Miniaturisierung von Technik, Niedrigenergie-Technologien und überall verfügbare Vernetzung liefern die Grundlage für nahezu unbegrenztes Wachstum des Internets der Dinge.

Technik und Infrastruktur sind also vorhanden. Und an Entwicklerideen und Anwendungsfantasien mangelt es auch nicht. Unternehmer, die das ungeahntes Geschäftspotenzial nutzen wollen, müssen sich zwei Fragen stellen: Wie viel kostet denn die Verbindung zum IoT? Und wie lässt sich das einfach kontrollieren?

o2 Business gibt darauf eine einfache Antwort: o2 Business Easy IoT. Dabei handelt es sich um einen neuen Prepaid-Tarif für das Internet der Dinge. Preis und Leistung sind ganz einfach zu beschreiben: Für eine Laufzeit von zehn Jahren fallen Kosten von 10 Euro an. Dafür gibt es eine SIM-Karte, die einfach in das Mobilfunkmodul eines beliebigen IoT-Geräts gesteckt wird und die bei Gebrauch in Deutschland in den zehn Jahren ein Datenvolumen von 1500 Megabyte bereitstellt. Bei europaweiter (EU27 plus Großbritannien) Nutzung liegt zum selben Preis das Datenvolumen bei 1000 Megabyte, bei weltweiter Nutzung stehen 750 Megabyte über die zehn Jahre zur Verfügung.

o2_Business_Easy_IoT-Tarifoptionen

Damit vereinfacht o2 Business den Einstieg ins Internet der Dinge und öffnet das Tor zu neuen und neuartigen Anwendungen, die sogar weltweit genutzt werden können: Reisegepäck, das nicht mehr verlorengehen kann, Mülltonnen, die nie wieder überlaufen – oder unsinnigerweise bei minimaler Füllung geleert werden, Vorratsbehälter, die nie mehr überraschend leer sind. Überall, wo in geringen Datenmengen nützliche Informationen übertragen werden können, ist der neue Tarif ein Gewinn: Der Anbieter oder Hersteller bezahlt einmal, bestückt sein Produkt mit der SIM-Karte – und schon kann sein Kunde das Gerät über zehn Jahre mit neuen Services nutzen. Er tritt so als Komplettanbieter auf, der mit seinem Produkt auch gleich die erforderliche Konnektivität ermöglicht.

Mit der Telefónica Kite Plattform schöpfen Sie das Potential Ihrer IoT-Anwendung voll aus.

Dabei profitieren auch die Nutzer des neuen Tarifs o2 Business Easy IoT von der leistungsstarken Infrastruktur von Telefónica: Das moderne Mobilfunknetz bietet Konnektivität per 2G, 4G, Narrowband-IoT und 5G. Damit werden IoT-Anwendungen massenhaft (massive Machine Type Communication, mMTC) und höchst energieeffizient möglich. Und zur Administration der Konnektivität steht Nutzern des neuen IoT-Tarifs von o2 Business die IoT-Plattform Telefónica Kite Essential zur Verfügung. Damit lassen sich SIM-Karten zuordnen, aktivieren und deaktivieren sowie der Datenverkehr kann einfach zentral kontrolliert werden.

Das Internet ist für uns längst zur täglichen unverzichtbaren Informationsquelle geworden. Mit unserem neuen Tarif o2 Business Easy IoT machen wir es einfach, auch die Dinge ins Internet einzubeziehen und intelligent zu nutzen“, sagt Sven Koltermann, Leiter IoT Competence Center bei Telefónica Deutschland. „Nicht Technik und Konnektivität sollen der Anwendung Grenzen setzen, sondern nur unsere Fantasie. Wir bereiten den Weg von der Welt der Dinge zur smarten Welt.

Für anspruchsvolle IoT-Anwendungen, die genauere Beobachtung und Auswertung erfordern oder bei denen es sich um geschäfts- oder echtzeitkritische Informationen handelt, bleibt der Tarif Telefónica IoT Connect die richtige Wahl.