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11.10.2021

„Schlüssel zur kompromisslosen Vernetzung von IT und OT“

Beitrag von Felix Wildemann, Produktmanagement Industrie-PC, in der Computer&Automation

Quelle: Computer&Automation, 3 Fragen an… Edge Computing

Welche Rolle spielt Software für eine erfolgreiche Vernetzung von IT und OT? Und wie wird sie auf die Hardware abgestimmt. Felix Wildemann, Produktmanagement Industrie-PC, gibt einen Überblick.

Durch das Industrial Internet of Things fallen immer mehr Daten an, die es zu bewältigen gilt. Es gilt, dieser Datenkomplexität Herr zu werden. Welche Rolle spielt dabei Edge Computing?

Felix Wildemann: Die klassische Automation geht mit der Öffnung und Vernetzung nach außen sehr vorsichtig um, weil Sicherheit und Stabilität der Produktionsanlage bei der Vernetzung mit der IT infrage gestellt werden könnten. Bei der direkten Vernetzung beider Welten sind oft Kompromisse notwendig.

Edge Computing kann der Schlüssel zur Bewältigung der Datenkomplexität und zu einer kompromisslosen Vernetzung von IT und OT sein. Denn an der Edge werden Daten vorausgewählt, sortiert und aufbereitet, um die wirklich relevanten Prozessdaten zu filtern. Alle Edge-Funktionen können zwar auch direkt auf dem steuernden Industrie-PC ausgeführt werden, die gezielte Entkopplung und Vorverarbeitung relevanter Prozessdaten im Edge bringt jedoch entscheidende Vorteile. Das gilt vor allem im Brownfield-Szenario, also wenn ein Edge-Device in ein bestehendes Anlagenkonzept integriert wird: Mithilfe eines dedizierten, nachträglich installierten Edge-Device können IoT-Funktionen in die bestehende Applikation gebracht werden, ohne dass die Steuerungseinheit nachträglich in Soft- oder Hardware verändert werden muss. Aber auch im Greenfield-Szenario, also bei gänzlich neuen Anlagenkonzepten, lohnt sich die Einbettung einer zusätzlichen, dedizierten Edge in vielen Fällen.

An der Edge werden Sensordaten vorausgewählt, Softwareapplikationen abgearbeitet oder gar KI-Berechnung durchgeführt. Was sollten Anwender in Bezug auf die Edge-Software-Landschaft beherzigen? Welche Technologien sollen/müssen unbedingt berücksichtigt werden?

Felix Wildemann: Die Basis für ein ganzheitliches Edge-Konzept ist ein modularer Software-Baukasten, der die IT und OT optimal verbindet. Modularität kann hier wie ein App-Konzept verstanden werden – auf dem Edge-Device werden aus einer Vielzahl möglicher Funktionen die tatsächlich benötigten ausgewählt und ausgeführt. Dabei sind keine zusätzlichen Programmierkenntnisse nötig, weil Anwender auf fertige Bausteine zurückgreifen und diese einfach und schnell integrieren können.

Von grundlegender Bedeutung ist hierbei, dass das Edge-Device die Sprache der Maschine spricht, aber auch sichere, standardarisierte IT-Protokolle und Mechanismen mitbringt, die eine indirekte, sichere Kopplung der Maschine über das Edge-Device in die Cloud oder lokale Server ermöglicht. In diesem Zusammenhang sind internationale Standards für Schnittstellen und Protokolle wichtig, damit für ein ganzheitliches Edge-Konzept wirklich alle unterschiedlichen Anlagenteile zusammengeführt werden können.

Beckhoff stellt hierfür mit der Steuerungssoftware TwinCAT unterschiedlichste Bausteine und Protokolle zur Verfügung. So können über das TwinCAT-Protokoll ADS oder über OPC UA in der Edge maschinenseitig Daten erfasst werden, ohne dass eine Anpassung im TwinCAT-Programmcode des Steuerungsrechners notwendig ist. OT-seitig werden neben Standard-IT-Protokollen auch die Protokolle gängiger Cloud-Anbieter sowie Private-Cloud-Szenarien unterstützt.

Die Königsdisziplin im Edge ist dann die „echte Kopplung“ von Edge und Steuerung. Es reicht nicht aus, Daten der Steuerung zu sammeln und verfügbar zu machen. Die Software im Edge muss so ausgelegt sein, dass sie die Verfügbarkeit und Echtzeitfähigkeit der Steuerung nicht beeinträchtigt. Trotzdem müssen relevante, aufgearbeitete Prozessdaten auch in die Steuerung zurückgespielt werden können, um die Anlage rückwirkend zu optimieren sowie eine vorausschauende Wartung und minimierte Maschinenstillstandzeiten zu erreichen. Mit Beckhoff-Lösungen funktioniert dies uneingeschränkt, da mit TwinCAT für die Steuerung und für alle IoT-Aufgaben ein und dieselbe Software genutzt wird und sich TwinCAT durch den modularen Aufbau perfekt an die Anwendung anpassen lässt.

Um auf einem einzigen Gerät alle gewünschten Funktionen unterbringen zu können, eignen sich zusätzlich Container-Technologien, zum Beispiel Docker. Docker ermöglicht zum einen die Kanalisierung und Optimierung der Ausführung der Edge-Software, um Ressourcen zu sparen, zum anderen aber auch für die Integration systemfremder Apps und Funktionen direkt in das Edge-Device. So lassen sich auch kundenspezifische Funktionen in der Edge abbilden und parallel zu TwinCAT betreiben.

Mit den Aufgaben wachsen die Anforderungen an die Hardware. Auf was sollten Anwender bei der Auswahl der passenden Edge-Computing-Hardware achten?

Felix Wildemann: Eine Edge-Lösung funktioniert nur dann, wenn neben der Software auch die Hardware optimal an die Ansätze von IoT und Steuerung angelehnt ist. Hierfür ist ein skalierbares Portfolio extrem kompakter, modular aufgebauter und vielseitig montierbarer Industrie-PCs unterschiedlicher Leistungsklassen notwendig, die sich immer perfekt auf das jeweilige Edge-Szenario abstimmen lassen – je nach benötigter Rechenleistung, verfügbarem Bauraum und benötigten Schnittstellen.

Beckhoff verfolgt hierbei den Ansatz, dass die Industrie-PCs mit der Software TwinCAT gleichermaßen als Steuerungsrechner und auch als Edge-Device eingesetzt werden können. Das hat den unschlagbaren Vorteil, dass die Hardware die wichtigen Eigenschaften eines klassischen Industrie-PC wie Langzeitverfügbarkeit, Robustheit und Langlebigkeit mitbringt. Gleichzeitig ist die direkte Integration industrieller Bussysteme gegeben, sodass direkt an der Edge zusätzlich diverse Sensordaten im Feld neben den in der Steuerung verfügbaren Daten gesammelt werden können. Mit Microsoft Windows und TwinCAT/BSD® stehen zwei Betriebssysteme zur Verfügung, welche die Beckhoff-eigene Steuerungssoftware TwinCAT, aber auch alle IT-Protokolle und Docker-Funktionen unterstützen.

Somit können die Anwender auf das gesamte Industrie-PC-Portfolio von Beckhoff zurückgreifen, ohne auf die Auswahl spezifischer Hardware beschränkt zu sein. Nur die Modularität, Skalierbarkeit und Flexibilität des Portfolios ermöglicht letztendlich die Realisierung einer perfekt passenden, ganzheitlichen Steuerungs-, IoT- und Edge-Lösung.