Edge-Computing-Lösung als Multiservice-Plattform nutzen

Im Zeitalter der immer weiter ansteigenden Datenmengen hat sich das Edge-Computing als optimale und zukunftsweisende Lösung herauskristallisiert. Dabei werden an die entsprechenden Lösungen eine Reihe von Anforderungen gestellt, wie das Beispiel des Verpackungsmaschinenexperten Gerhard Schubert zeigt. Eine passende Lösung entwickelte das Team der Schubert System Elektronik, welche sich unter anderem durch eine service-orientierte Architektur auszeichnet.

Die Gerhard Schubert GmbH ist Experte für die Entwicklung von modularen Verpackungsmaschinen und eine treibende Kraft bei innovativen Technologien und Verpackungslösungen. Schon früh erkannte das Unternehmen, dass künftig die Vernetzung und das Erfassen der Daten jeder Maschine sowie deren Systemkomponenten einen mehrwertschöpfenden Nutzen für den Kunden bringen. Doch Datenerfassung und -speicherung allein reichen nicht aus. Beim Thema Big Data müssen große Datenmengen analysiert und lokal oder in der Cloud verarbeitet werden. Um dafür Kundenvertrauen aufzubauen, ist die Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten essenziell.

Damit nicht alle Daten zur Analyse in die Cloud transferiert werden müssen, hat sich in den letzten Jahren mehr und mehr das Edge-Computing etabliert. Hier werden Daten am Netzwerkrand – also an der Edge – vorverarbeitet und nur die relevanten Daten in die Cloud weitergeleitet. Eine entsprechende Lösung stand auch bei der Gerhard Schubert GmbH auf dem Plan. Dabei wurden als Anforderungen an die zu entwickelnde Edge-Computing-Lösung gestellt:

• Die Hard- und Softwarelösung muss in die bestehende HMI- und Steuerungsinfrastruktur integriert werden können.
• Aus Sicherheitsgründen darf es nur eine zentrale Schnittstelle zur Maschine geben (für Remote-Zugriffe von außen und Vor-Ort-Zugriffe).
• Alle wichtigen Maschineninformationen müssen autark auf dem System gesammelt und gespeichert werden.
• Das Security-Konzept gegen unerlaubte Zugriffe über die Geräteschnittstellen muss mehrfach abgesichert sein.
• Der Datenzugriff darf nur über ein soft- und hardwareseitiges Bestätigungskonzept erfolgen.
• Der Anlagenbetreiber hat zu 100 % die Hoheit über die Verbindung.
• Die Rechnerperformance muss für Auswertungen der Maschinendaten und Analyse-Applikationen ausgelegt sein
• Die Software-Applikationen müssen so realisiert werden, dass separate Verwaltung und Update-Fähigkeit möglich sind.
• Die Systemarchitektur muss getrennte Bereiche für die IT- und die Maschinenseite (OT) zur Trennung der Kommunikationsnetze und Applikationen aufweisen.
• Das Systemkonzept muss für künftige zu integrierende SaaS-Modelle oder eine Erweiterung der Funktionalität vorbereitet sein.

Zum damaligen Zeitpunkt war keine Edge-Computing-Lösung am Markt verfügbar, die diese Anforderungen umfassend erfüllte. Deshalb wurde im Jahr 2019 in Zusammenarbeit mit der Unternehmenstochter Schubert System Elektronik GmbH und dem Sicherheitsspezialisten genua GmbH der hochsichere Maschinen-Server GS.Gate entwickelt.

Die Aufgabe für Schubert System Elektronik bestand zum einen darin, diese Kundenanforderungen in einem Konzept umzusetzen und zum anderen, drei weitere wichtige Aspekte zu berücksichtigen: Transparenz, Flexibilität und Offenheit.

Transparenz im Edge Computing ist auch für den Anlagenbetreiber einer Verpackungsmaschine ein wichtiges Merkmal. Es dürfen nur Daten nach außen gegeben werden, mit denen der Anlagenbetreiber einverstanden ist. Dies schützt sein Know-how und seinen Wettbewerbsvorteil. Gleichzeitig wird Vertrauen in die Lösung aufgebaut. Bei einer Inbetriebnahme kann direkt geklärt werden, welche Daten zur Verfügung stehen müssen, damit eine durch den Hersteller unterstütze Wartung ermöglicht und somit die Verfügbarkeit der Anlage erhalten bzw. verbessert wird.

Hohe Flexibilität ermöglicht eine einfache Systemanpassung an unterschiedliche Einflüsse. Zu nennen ist das Reagieren auf verschiedene IT-Umfelder und Policies, um eine einfache Integration der Anlage beim Betreiber zu ermöglichen. Damit einher gehen auch die Skalierbarkeit und Plattformunabhängigkeit der Lösung. Das System kann auf Hardware-Ebene schnell auf unterschiedliche Leistungsanforderungen angepasst werden. Dies verbessert Zuverlässigkeit und Effizienz. Es ist sichergestellt, dass nicht zu viele Leistungsreserven aufgebaut werden (kostenintensiv), aber auch nicht zu wenige zur Verfügung stehen (Verfügbarkeit des Systems und Stabilität unter Laufzeit).

Des Weiteren benötigen Hersteller ein offenes System, damit die eigenen Software-Entwicklungsumgebungen, die Infrastruktur oder Versionen und Libraries größtenteils weiter genutzt werden können.

Diese Aufgabe war nicht auf Basis einer monolithischen Software-Architektur lösbar. Stattdessen musste ein Konzept entwickelt werden, welches eine optimale Verbindung der unterschiedlichen Anforderungen auf einer Edge-Computing-Plattform ermöglicht und zugleich für einen breiteren Markt zugänglich ist. Auf Softwareebene entschied man sich für eine service-orientierte Architektur auf Basis der Container-Technologie von Docker: Die Docker-Engine wurde auf einem minimalisiertem, gehärtetem und auf die Hardware optimierten Embedded-Linux-System umgesetzt.

Im Gegensatz zu einer monolithischen Architektur, die zwar schnell sichtbare Ergebnisse liefern kann, sind der Aufwand einer service-orientierten Architektur sowie das Management der einzelnen Services ressourcenintensiver. Die Vorteile bei der mehrfachen Verwendung, der schnellen Bereitstellung (Deployment) und der gezielten Wartung einzelner Services überwiegen aber. Ebenso lassen sich mit Continuous Delivery und einer tiefen Testautomatisierung ein hoher Qualitätsstandard der Software und Services erreichen. Die Bündelung von Applikationen in logische Anlagenfunktionen ermöglicht die schnelle Entwicklung und Integration neuer Funktionen. Die service-orientierte Architektur wird konsequent im Front- sowie Back-End der Software umgesetzt und bedingt damit ein effizientes sowie flexibles Management über das gesamte System. Durch die definierten Software-Schnittstellen zwischen den einzelnen Services lassen sich der Datenfluss jederzeit transparent darstellt und einzelne Services gezielt anpassen oder abschalten, beispielsweise um kritische Daten im System zu belassen.

Die geforderten Funktionen innerhalb des Edge-Computers wurden auf einzelne Services verteilt und jeweils als Container realisiert.

Um die Maschinendaten von der Steuerungsebene einzusammeln, wurde ein Datensammler inklusive Datenbank und Funktionalität zur Datenanalyse entwickelt. Die Daten werden via OPC UA eingelesen, verarbeitetet und für die lokale Nutzung zugänglich gemacht. Ein Teil der verdichteten Daten wird für den Transfer in die Cloud zur Verfügung gestellt. Der Datensammler kann einfach auf neue Protokolle, wie MQTT, umprogrammiert werden. In einem anderen Container wurde eine Fernwartungsanbindung realisiert. Diese ermöglicht den Remote-Zugriff über eine gesicherte Datenkommunikation via VPN.

Ein weiterer Service umfasst die Cloud-Anbindung, welche die Verbindung zur Kunden-Cloud ermöglicht, aber schon für verschiedene weitere Connectoren (AWS, Azure usw.) vorbereitet ist. Zur Konfiguration des Systems und zur Anzeige eines lokalen Dashboards wurde ein Container als Webserver realisiert.

Durch diese modulare Architektur lassen sich künftige Anforderungen optimal umsetzen. Die Container-Technologie macht es möglich, auch Lösungen von Drittanbietern auf Docker-Basis einfach zu integrieren und die Community zu nutzen. Der Edge-Server ist zukünftig als Anlagenserver nutzbar. Dies ermöglicht zum Beispiel, die heutigen rechnerbasierten HMI als Client auszuführen. Mittelfristig soll das Edge-Computing mit der Prime Edge weitere zentrale Aufgaben in der Anlage übernehmen. Ein Beispiel stellt die lokale Integration von Condition Monitoring oder Predictive Maintenance auf Basis von KI-Auswertungen dar.
Die Prime Edge kann hardwareunabhängig auf allen Prime-Cube-Produkten realisiert werden und bietet eine Plattform für smartes Edge-Computing.

Autor: Alexander Matt, Product Manager Prime Cube
erschienen im Digital Factory Journal, Ausgabe 2-2022