Von Cloud und Edge profitieren – auch ohne tiefes Software-Know-how

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Cloud- und Edge-Services bieten viel Potential für den effizienteren Betrieb automatisierter Anlagen. Wie können moderne Technologien Anbindung, Kommunikation, Betrieb, Verwaltung, Analyse und Wartung unterstützen?

Die leichte Anbindung zu Cloud-Computing hat für die Automatisierungsindustrie zahlreiche neue Möglichkeiten eröffnet wie Predictive Maintenance oder die Fernüberwachung von Anlagen. Dennoch schrecken Anlagenbetreiber zum Teil noch davor zurück, diese Möglichkeiten auch zu ergreifen: Um moderne Automatisierungskonzepte möglichst effizient und sicher ausnutzen zu können, ist im Umgang mit Software und Vernetzungsprotokollen ein Know-how vonnöten, das vielerorts in dieser Tiefe noch nicht vorhanden ist.

OPC UA wird etwa von immer mehr Unternehmen als eine Standardschnittstelle genutzt, um über eine Internetanbindung die Kommunikation interoperabel zwischen verschiedenen Datenquellen sicherzustellen - ob nun für Geräte in Produktionsstätten, fest eingebaute Prüfsysteme oder Datenbanken. Nun soll der Service-Techniker aus dem eigenen Haus, der überwiegend mit Industrial Ethernet und TCP/IP vertraut ist, die Anbindung an OPC UA sicherstellen, damit die Anlage von Ferndiagnose und Predictive Maintenance profitieren kann.

Eine klassische Methode in der Automatisierungsindustrie wäre, eine Konverter-Box einzusetzen, die Ethernet-Signale in ein für OPC UA geeignetes Format umsetzt. Damit ist das Internetanbindungsproblem gelöst, aber andere Fragen, die für einen Digitalisierungsprozess im Sinne der Industrie 4.0 nötig sind, beantwortet diese Lösung nicht: Was kann ich an Daten aus meiner Anlage herausholen? Will ich wirklich die Gesamtmenge an allen Daten, die jeder Sensor, jeder Aktuator oder jeder einzelne Antriebsstrang in meiner Anlage produziert, direkt in die Cloud stellen? Selbst wenn ich in der Cloud eine Plattform habe, die meine Daten dort verarbeiten kann - unterstützt diese Plattform die Auswertung von Daten bestimmter Automatisierungskomponenten überhaupt? Wie bekomme ich sie dazu, das zu verstehen? Verfüge ich überhaupt über die notwendige Bandbreite, um alle Informationen hoch- und herunterzuladen? Und was passiert mit meiner Anlage, wenn einmal kein Internet zur Verfügung steht?

Wo entstehen meine Daten und was stelle ich damit an?

Ob im Sensor, an der Schnittstelle oder im laufenden Prozess: In einer Anlage entstehen unzählige binäre Daten und Fix-Graphs. Will ein Anlagenbetreiber seine Maschinen nun an die Cloud anbinden, muss er erst einmal in der Lage sein, an alle diese Daten heranzukommen. Damit allein ist es allerdings nicht getan: Zum Einen entstehen auf diese Weise extreme Datenmengen, die auch eine hohe Bandbreite benötigen, die möglicherweise nicht zuverlässig zur Verfügung steht. Zum anderen kann eine Cloud-Plattform mit unzähligen binären Daten aus verschiedensten Quellen für sich alleine nichts anfangen. Man sollte also zunächst in der Lage sein, aus dem Datengemenge sinnvolle Informationen zu machen bzw. zu aggregieren.

Hier kommt das Edge Computing ins Spiel: An der direkten Schnittstelle zwischen der Anlage und dem Weg zur Cloud können die Daten bereits lokal gesammelt und vorverarbeitet werden. Der Anlagenbetreiber kann so die volle Kontrolle darüber behalten, was in seiner Anlage an Informationen entsteht, und diese dosiert an die Cloud-Plattform seiner Wahl weitergeben. Der Betreiber behält die Hoheit über seine Daten, während in der Cloud die Daten effizienter ausgewertet und genutzt werden können. Dadurch, dass die Vorverarbeitung lokal stattfindet, kann der Anlagenbetrieb auch ungestört weiterlaufen, selbst wenn zwischenzeitlich kein Zugang zum Internet vorhanden ist.

Um etwa bei dem eingangs erwähnten Beispiel mit der Konverter-Box zu bleiben: Statt einfach nur mit einem Gerät eine Umwandlung vorzunehmen, können an dieser Stelle Anwendungen laufen, die sich um die Aggregierung und Vorauswertung der gesammelten Daten kümmern. Der Service-Techniker kann weiterhin bei seinem proprietären Thema bleiben und behält ohne zusätzliche Kosten Überblick und Kontrolle darüber, welche Daten er in welcher Form weiterleitet. Die vorhandene Hardware wird somit durch Software sinnvoll ergänzt.

Eine Toolchain, die vom Bauteil bis in die Cloud reicht

Will ein Anlagenbetreiber oder Geräteentwickler all diese Dinge selbst umsetzen, ist ein eigenes Software-Team unverzichtbar. Hilscher Automation beschäftigt beispielsweise ein Team von 25 Leuten, die intensiv mit der Softwareentwicklung beschäftigt sind – was nach eigener Einschätzung noch eine sehr kleine Mannschaft ist.

Um mit der gesamten Funktionstiefe klarzukommen, die von der Datenerfassung über die Vorverarbeitung am Geräte-Edge bis hin zur Anbindung an der Cloud reicht, ist eine effiziente Tool-Chain unumgänglich. Im Falle von Hilscher hat man sich in diesem Fall zu einer Kooperation mit Microsoft entschlossen. Dieses Unternehmen betreibt mit der Azure Cloud nicht nur einen industrietauglichen Clouddienst. Die quelloffene Entwicklungsumgebung Azure IoT SDK erlaubt es Anlagenbetreibern und Entwicklern, nahezu jedes Gerät an den Clouddienst anzubinden. In der Cloud selbst steht der Azure IoT Hub zur Verfügung, mit dem sich selbst Milliarden Geräte über verschiedene Geographien hinweg verwalten lassen.

Hinzu kommt die Azure IoT Edge, die an der Verbindung zwischen Anlage und Cloud sitzt. Hier können gezielt einzelne Geräteteile adressiert und speziell darauf zugeschnittene Applikationen ausgespielt werden, die sicher voneinander getrennt in Containern arbeiten. Der Quellcode hierfür liegt unter Open-Source-Lizenz auf GitHub-Repositorien bereit. Unter Mitwirkung einer großen Community ist es so für Eigenentwicklungen einfach, vorhandene Projekte einzusehen und an die eigenen Bedürfnisse anzupassen.

Zudem hat Microsoft Ende 2019 einen neuen Service im Preview gestartet, der die Anbindung neuer Geräte an eine Cloud-Plattform massiv vereinfachen soll: Azure Plug & Play. In diesem Dienst können Gerätehersteller Eigenschaftsbeschreibungen für ihre Bauteile oder Geräte hinterlegen. Wird ein solches „Azure Plug & Play-ready“-Gerät an einem geeigneten Gateway angeschlossen, wie ihn etwa Hilscher produziert, kann dieses anhand der hinterlegten Capability-Beschreibung selbsttätig alle nötigen Informationen aus der Cloud beziehen – ähnlich wie bei der Treiberinstallation an einem Windows-PC. Ein Anwender kann so schnell ein neues Gerät oder Bauteil anschließen, konfigurieren und Anwendungen auf die Edge-Plattform ziehen, ohne dass zusätzliche Software-Kenntnisse vonnöten sind.

Eine unübersichtliche Zahl an OT-IT-Konvergenzlösungen

Nicht jeder Anlagenbetreiber ist allerdings derzeit in der Lage oder bereit, viel Geld und Aufwand in eine eigene Software-Abteilung zu stecken. Gerade in der Automatisierungsbranche haben viele Bauteilehersteller diese Notwendigkeit erkannt und stellen eigene Edge- und Cloud-Plattformen bereit. Diese versprechen, den Betreibern Angelegenheiten wie Geräteerkennung und -Anbindung sowie die zugehörigen Applikationen für Datenaggegration, Gerätewartung etc. schnell und ohne tiefgreifendes Software-Know-how zu ermöglichen

Dies ist in der Regel auch der Fall, solange die angeschlossenen Geräte und Bauteile auch Bestandteil des unterstützten Ökosystems sind. Leider hat die Realität mittlerweile zu einer Vielzahl an unterschiedlichen möglichen Kombinationen an Software-Services, IoT-Plattformen und Manufacturing Execution Systems (MES) geführt, die zum Teil nur Geräte bestimmter Hersteller unterstützen (Bild 1).

Das stellt Anlagenbetreiber, die für ihre bereits im Betrieb befindliche Gerätekonfiguration die geeignetste Edge-Plattform mit passender Cloud-Anbindung finden möchten, vor große Schwierigkeiten, wenn sie keinen Alles-aus-einer-Hand-Ansatz verfolgen. Ist ein Sensor oder ein Aktuator in Betrieb, der von der gewählten MES-Plattform-Software-Kombination nicht unterstützt wird, ist es umso komplizierter, diesen Support eigenhändig nachzurüsten – insbesondere, wenn es sich um ein proprietäres, geschlossenes Angebot handelt.

Cloud- und Edge-Anbindung ohne spezielles Know-how

Um diese unübersichtliche Marktlage zu adressieren, hat sich bereits auf der Hannover Messe 2019 die Open Industry 4.0 Alliance formiert, der mittlerweile (Stand Januar 2020) 49 Unternehmen angehören. Als Vorbild dieses herstellerübergreifenden Bündnisses dienen die Feldbus-Organisationen, denen es gelungen ist, in der Industrie einheitliche Kommunikationsstandards zu etablieren. Ziel dieser Allianz ist, ein einheitliches Ökosystem zu schaffen, in dem die Geräte möglichst vieler unterschiedlicher Hersteller interoperabel zusammengebracht werden können. Dies erleichtert es Anbietern dieser Bauteile, die Zusammenarbeit und Kommunikation ihrer Produkte herstellerübergreifend zu harmonisieren. Endgeräteherstellern fällt es wiederum leichter, auf Basis des einheitlichen Ökosystems ohne zusätzliches Software-Knowhow Anlagen mit Anwendungen auszustatten, welche die Vorzüge von Edge- und Cloudfunktionalität voll ausschöpfen – weitgehend unabhängig von individuellen Herstellervorgaben.

Eine in diesem Sinne arbeitende industrielle IoT-Plattform muss einige Voraussetzungen erfüllen (Bild 2). Unabhängig vom Hersteller muss sie in der Lage sein, anhand einer einzigartigen ID angeschlossene Geräte selbsttätig zu erkennen. Die Hersteller dieser Geräte müssen passende Assets bereitstellen, so dass alle Bauteile automatisch konfiguriert und genutzt werden können. Auf diese Weise muss der Anlagenbetreiber selbst kein größeres Programmieraufwand mitbringen. Für diese Geräten laufen Anwendungen, sie sicher in Container gekapselt werden, um den laufenden Betrieb nicht zu gefährden und gleichzeitig Daten aus dem Betrieb zu aggregieren und vorzuverarbeiten. Ein einheitlicher, von allen Herstellern genutzter Message Bus muss dafür sorgen, dass diese Anwendungen sicher miteinander kommunizieren können. Entsprechende standardisierte Schnittstellen und Dienste stellen die sichere und einfach handhabbare Kommunikation zwischen Edge und Cloud sowie von Cloud zu Cloud sicher.

Die von der BMW Group und Microsoft betriebene Initiative Open Manufacturing Platform, die ebenfalls zur Hannover Messe 2019 startete, verfolgt ein ähnliches Ziel. Die auf der Microsoft Azure Industrial IoT Cloud aufsetzende Lösung strebt die Etablierung einer offenen Technologieplattform an, die von einer branchenübergreifenden Entwickler-Community profitiert. So will die Plattform die Entwicklung von Smart-Factory-Lösungen vorantreiben, die von der OMP-Community in der Automobil- und Fertigungsindustrie gemeinsam genutzt werden können. Ebenso sollen in der Plattform industrielle Datenmodelle standardisiert werden, um die Analyse von Informationen zu beschleunigen.

Die Zukunft des IIoT ist offen und herstellerübergreifend

Die Edge ist erheblich mehr als nur ein Torwächter zwischen der lokalen Datengenerierung und der Anbindung an eine Cloud-Plattform. Sie ist selbst auch eine Computing-Plattform, an der sich Intelligenzdaten von verschiedenen Herstellern miteinander kombinieren lassen.

So ist etwa der Sensorhersteller sicherlich mit seinem eigenen Bauteil besser vertraut als beispielsweise mit den Aktuatoren eines anderen Herstellers. Wenn er aber in der Lage ist, auf Edge-Ebene eine Möglichkeit für die Kommunikation bzw. einen sinnvollen Datenaustausch unter den einzelnen Bauteilen bereitzustellen, verschafft er damit seinen Kunden einen zusätzlichen Mehrwert – und gegenüber seinen Wettbewerbern einen Vorteil im Markt.

An dieser Stelle bekommt die intelligente Edge also sehr viel Bedeutung: Sie dient dazu, individuelle Probleme auf relativ einfachem Weg zu lösen.

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* Hans-Jürgen Hilscher ist Gründer und Geschäftsführer der Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH in Hattersheim.

* Oliver Niedung ist IoT Principal Solution Specialist bei Microsoft in München.

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