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Eine Diskussion über das industrielle Internet der Dinge – die Umsetzung einer IIoT-Lösung ist ohne Berücksichtigung einer Edge nicht möglich. Was aber bezeichnet der Begriff „Edge“ genau, und was unterscheidet „Edge Computing“ vom allgemeineren Konzept einer Datenverarbeitung „vor Ort“? Dieser Frage geht Dr. Christopher Anhalt, VP Product Marketing, Softing Industrial Automation GmbH, nach.
Edge Computing bezeichnet die dezentrale Verarbeitung von Daten, verwaltet und betrieben über eine zentrale Plattform. Unter „Verwaltung“ und „Betrieb“ sind unter anderem Deployment und Updates von Software-Komponenten zu verstehen, deren Konfiguration oder der Umgang mit Sicherheitszertifikaten. Geräte der Anlage oder auch Software-Komponenten, die autonom, unabhängig von einer zentralen Plattform betrieben werden, fallen nach dieser Definition nicht unter den Begriff „Edge“.
Effizienter Betrieb.
Produktionsstandorte einer Unternehmung unterscheiden sich oft nicht nur durch verbaute Geräte, sondern auch durch vor Ort verfügbares Wissen und Kompetenzen. Ein zentrales Management von vor Ort einzusetzenden Komponenten einer IIoT-Lösung reduziert Abhängigkeiten von den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten, und es reduziert die Notwendigkeit, an einzelnen Standorten lokal IT-Wissen aufzubauen. Die Einführung einer Industrial Edge verspricht also in vielen Fällen hohe Effizienzsteigerungen im Hinblick auf den Betrieb der Lösung. Sie mag sogar Voraussetzung für den standortübergreifenden Rollout einer Industrial-IoT-Lösung sein. Erreichbare Effizienzsteigerungen sind auch deswegen hoch, weil IIoT-Lösungen sich über ihre Lebenszeit hinweg dynamisch entwickeln, und häufige Anpassungen und Konfigurationsänderungen auf Edge-Ebene zu erwarten sind.
Standard-Hardware und –Tools.
Technologien zur Software-Virtualisierung, insbesondere Container-Technologien spielen eine große Rolle für Edge Computing. So werden Docker Container auf Edge-Ebene mittlerweile durch Standarddienste der meisten großen Cloud Services Provider unterstützt. Darüber hinaus gibt es in der IT verbreitete Werkzeuge zum zentralen Management von containerbasierten Softwarelösungen, z.B. Kubernetes, auch unabhängig von Cloud Services Providern. Eine Industrial Edge bietet insbesondere die Chance, Konnektivität als Softwarekomponente bereitzustellen und wie alle anderen Komponenten einer Industrial Edge auf Standard-Hardware zu betreiben. Die Notwendigkeit, für Konnektivität spezialisierte Hardware einzusetzen, wird reduziert oder entfällt ganz.
Funktionale Komponenten einer Industrial Edge.
Für manche IIoT-Anwendungen ist es ausreichend, Daten in einer zentralen Plattform zu sammeln und auszuwerten. Dann ist die Funktion der Industrial Edge auf Konnektivität reduziert. Konnektivität kann erweitert werden um eine Anreicherung der Schnittstelle hin zu OT und um semantische Information, etwa durch den Einsatz von OPC-UA-Informationsmodellen. Darüber hinaus erfordern viele IIoT-Anwendungen eine maschinennahe Verarbeitung von Daten etwa, weil die Menge der anfallenden Daten so groß ist, dass nicht alle Daten in eine zentrale (Cloud-)Plattform übertragen werden können, oder weil eine Anwendung kurze Latenz-Zeiten erfordert.
Neben diesen Anwendungs-Komponenten stellt eine Industrial Edge Funktionen bereit, die den effizienten Betrieb der Lösung über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg ermöglichen. Dazu gehören Monitoring, Logging, oder Dienste rund um IT Security.
Offene Architektur und Standards.
Anwender legen hohen Wert auf Flexibilität einer IIoT-Lösung, auf die möglichst einfache Integration von Komponenten unterschiedlicher Anbieter, und auf die Ausbaubarkeit der Lösung über ihre Lebenszeit hinweg. Auch wenn Anwender sich für den Einsatz einer großen Cloud-Plattform entscheiden, haben sie oft ein Interesse, ihre Abhängigkeiten vom ausgewählten Cloud Services Provider möglichst gering zu halten. Software-Architekturen für Industrial Edge sollen also offen sein und sie sollen auf verfügbare Standards zurückgreifen.
Effizienter Umgang mit Informationsmodellen und Semantik.
Spannend und derzeit kaum durch kommerziell verfügbare Produkte und standardisierte Ansätze beantwortet ist die Frage, wie auf Production-Asset- bzw. Edge-Ebene zur Verfügung stehende semantische Information (in der Regel durch OPC UA) effizient auf Cloud-Ebene für AI und Machine Learning genutzt werden kann. Dieses Thema ist Gegenstand aktueller Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.
In diesem Zusammenhang zu nennen ist eine Initiative zur einfachen Bereitstellung von OPC UA Informationsmodellen über eine cloudbasierte Datenbank. Im Rahmen einer Joint Working Group spezifizieren OPC Foundation und CESMII derzeit eine „OPC UA Cloud Library“. Die Informationsmodelle können auf Cloud- oder auf Edge-Ebene zum Einsatz kommen. Ziel ist es, die Integration von Komponenten unterschiedlicher Hersteller in einer IIoT-Lösung zu vereinfachen, und das volle Potenzial der OPC-UA-Standards nutzbar zu machen.
IIoT-Lösungen zwischen Shopfloor, Edge und Cloud.
Softing reagierte auf diese Technologie- und Markttrends und hat Container-Anwendungen für die Einbindung der Produktion in eine umfassende Industrie- 4.0-Umgebung mit den edgeConnector-Produkten aus seiner dataFeed-Familie entwickelt und auf den Markt gebracht. Die einzelnen Produkte greifen jeweils über Ethernet oder proprietäre SPS-Protokolle auf die Daten der Steuerungen verschiedener Hersteller zu. Für die Datenweitergabe und Integration verwenden diese immer OPC UA und MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) als wichtigste Kommunikationsprotokolle.
Zur Produktfamilie gehört Siemens edgeConnector, ein Software-Modul, das Prozess- und Maschinendaten über proprietäre Schnittstellen von Siemens-Steuerungen auslesen und über standardisierte Schnittstellen in Richtung IT bereitstellen kann. Als Docker Container lässt es sich einfach über eine zentrale Plattform managen. Mit edgeConnector 840D und edgeConnector Modbus stehen zwei weitere Docker Container zur Verfügung. Alle edgeConnector-Produkte weisen ein eingebautes Webinterface zur Konfiguration auf, sowie eine API zur Konfiguration über Anwendungen von Drittanbietern.
