Gateway

Starter Kit bietet einen direkten Weg zu Industrie 4.0-Lösungen

| Autor / Redakteur: Dr. Christopher Anhalt* / Ines Stotz

Zahlreiche Anwender aus der Automatisierungswelt stehen vor der Herausforderung, einen Einstieg in IIoT- und Industrie 4.0-Lösungen mit überschaubaren Kosten, Risiken und Projektlaufzeiten zu finden.
Zahlreiche Anwender aus der Automatisierungswelt stehen vor der Herausforderung, einen Einstieg in IIoT- und Industrie 4.0-Lösungen mit überschaubaren Kosten, Risiken und Projektlaufzeiten zu finden. (Bild: Softing)

Für Viele ist die Hürde bei der Implementierung von Industrie 4.0-Anwendungen hoch. Ein Starter Kit nimmt die Anwender bei der Realisierung mit einem Schritt-für-Schritt-Vorgehen an die Hand.

Die Begriffe IIoT (Industrial Internet of Things, industrielles Internet der Dinge) und Industrie 4.0 bezeichnen neue Lösungen für die industrielle Produktion, die sich durch die innovative Nutzung von Informationstechnologie (IT) auszeichnen. Inzwischen sind aus Ideen Konzepte für die Umsetzung entstanden und erste Anwendungen für eine effizientere und leistungsfähigere Gestaltung der Produktion kommen in der Praxis zum Einsatz.

Allerdings bedeutet das Ausschöpfen des IT-Innovationspotenzials für die Anwender aus der Automatisierungstechnik weiterhin eine große Herausforderung: Return-on-Invest-Abschätzungen sind schwierig, Innovationszyklen in der IT kurz und Standardisierungs-Initiativen nicht immer übersichtlich. An vielen Stellen fehlt auch Erfahrung mit Cloud-Computing und der Nutzung von Cloud-Diensten, welche als Basistechnologien für IIoT und Industrie 4.0 eine zentrale Rolle spielen.

KMUs auf dem Weg in die Zukunft

Betrachtet man Endkundensituationen genauer, kann man große Unterschiede beim Umgang mit den Herausforderungen der Zukunft feststellen. Auf der einen Seite stehen Firmen und Anwender, die sich frühzeitig mit den neuen technologischen Trends auseinandergesetzt und bereits erste Erfahrung bei der Integration von Produktionsumgebung (Operational Technology, OT) mit der Informationstechnologie gesammelt haben. Auf der anderen Seite sind Firmen zu finden, die sich bisher kaum mit den Themen der Zukunft beschäftigt haben und warten, bis Wege für eine Realisierung klarer zu erkennen sind. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen stehen oft noch ganz am Anfang und haben keine klare Vorstellung von einer Nutzung innovativer Technologien für ihre Zwecke. Diese Situation ist auch deshalb bedauerlich, weil der Einsatz von Cloud-Technologie finanzielle Einstiegshürden in innovative Lösungen eher senkt und damit auch für kleine und mittlere Unternehmen erreichbar macht.

Zahlreiche Anwender aus der Automatisierungswelt stehen also vor der Herausforderung, einen Einstieg in IIoT- und Industrie 4.0-Lösungen mit überschaubaren Kosten, Risiken und Projektlaufzeiten zu finden. Sie wünschen sich eine Lösung, die sie, abhängig von ihren Erfahrungen, einfach in potenziell unterschiedliche Richtungen anpassen und weiterentwickeln können. Da sie in der Regel nicht mit Cloud-Plattformen und der Einbindung der IT-Welt vertraut sind, ist die Auswahl der passenden Komponenten und die Festlegung der Schnittstellen eine schwierige Aufgabe. Sie sehen, dass die Entscheidung für einen Cloud-Anbieter strategischen Charakter hat und müssen gleichzeitig sicherstellen, dass die Gesamtarchitektur gut mit der aktuellen Produktionsumgebung kombinierbar ist.

Komplettpaket für eine durchgängige Gesamtlösung

Als Spezialist für den industriellen Datenaustausch und Anbieter für Lösungen zur Cloud-Integration traf Softing Industrial Data Intelligence bei Kundengesprächen oft auf den Wunsch nach Unterstützung bei der Komponentenauswahl für eine IIoT- und Industrie 4.0-Lösung. Deshalb machte sich Softing auf die Suche nach Partnern und brachte zusammen mit den Firmen Microsoft und Hewlett Packard Enterprise (HPE) das Industrial IoT Starter Kit auf den Markt.

Im Einzelnen bündelt dieses Paket das Gateway EL20 von HPE, das Microsoft-Betriebssystem Embedded Windows, das Softing-Produkt dataFEED OPC Suite sowie die beiden Software-Module OPC Proxy und OPC Publisher von Microsoft.

Das Industrial IoT Starter Kit unterstützt eine Vielzahl von Anwendungen und Cloud-Plattformen. In Kombination mit Microsofts Connected Factory, einem „IoT Solution Accelerator“ für Manufacturing IoT, steht ein passender Startpunkt für die schnelle Implementierung von Cloud-Anwendungen zur Verfügung. Durch die Nutzung des Interoperabilitätsstandards OPC UA bleibt die Architektur offen und flexibel erweiterbar.

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Industrial IoT Starter Kit – die Komponenten

EL20 ist ein robustes Gateway und speziell in industriellen Umgebungen einsetzbar. Es bietet große Rechenleistung und eignet sich für die Verarbeitung und Analyse von Datenströmen in Echtzeit. Die Anschlüsse eignen sich für die Einbindung von Geräten, wie sie etwa in IoT-Anwendungen zum Einsatz kommen.

dataFEED OPC Suite ist ein Software-Komplettpaket für die OPC-Kommunikation und Cloud-Anbindung. Es ermöglicht den Zugriff auf die Steuerungen führender Hersteller, eliminiert DCOM-Probleme und verbessert den Datenaustausch zwischen Steuerungen, OPC-Servern und OPC-Clients, unabhängig von der Verwendung von OPC UA (Unified Architecture) oder OPC Classic. Für die Weitergabe von Daten an IoT-Clouds lassen sich die Protokolle MQTT und REST einsetzen. Mit seiner großen Bandbreite an unterstützten Protokollen eignet sich die Suite insbesondere zur Einbindung von Bestandsanlagen in Industrie 4.0-Anwendungen. Data-Feed OPC Suite ist ein seit Jahren bewährtes Produkt, das weltweit bei über 10.000 Kunden produktiv im Einsatz ist.

OPC Proxy und OPC Publisher sind zwei Azure IoT Edge-Software-Komponenten. Sie laufen lokal auf dem Gateway EL20 und übernehmen die Anbindung an die zentrale Microsoft Azure-Plattform. Dazu tauschen sie als OPC UA-Client Daten mit dem OPC UA-Server in dataFEED OPC Suite aus und ermöglichen die bidirektionale Kommunikation mit IoT Hub, einer zentralen Komponente für die Anbindung von IoT-Geräten an Azure-Cloud-Anwendungen. OPC Proxy, OPC Publisher und Connected Factory stehen als Open-Source-Komponenten zur Verfügung.

Komplette Gateway-Lösung – offen und flexibel anpassbar

In ihrer Gesamtheit bilden die einzelnen Komponenten des Industrial IoT Starter Kits ein offenes und flexibel anpassbares Gateway, das für den Datenaustausch den OPC UA-Standard verwendet. Es ist auf die Umsetzung eines durchgängigen Datenaustauschs zwischen der Produktionsumgebung und Anwendungen in einer Microsoft Azure-Cloud angelegt.

Das Kit kann darüber hinaus aber auch für weitere Aufgaben eingesetzt werden, z. B. für die Einbindung lokaler Clients in der Anlage, darunter auch über den Standard OPC Classic, für den parallelen Betrieb weiterer Cloud-Anwendungen, die über die Protokolle MQTT und REST mit Produktionsdaten versorgt werden, bis hin zu einer Vorverarbeitung von Daten auf dem Gateway („Edge Analytics“).

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Schnelle Inbetriebnahme in drei Schritten

Das Starter Kit zeichnet sich nicht nur als komplette Gateway-Lösung aus. Es macht darüber hinaus einen sehr einfachen Einstieg in eine sichere und industriell einsetzbare IIoT- und Industrie 4.0-Lösung möglich. So steht eine erste betriebsbereite Anwendung, die die Produktionsumgebung sicher mit einer Cloud-basierten Anwendung verbindet, typischerweise bereits nach weniger als einem Tag Verfügung.

Dazu genügen drei Schritte: Diese sind am Beispiel Microsoft Azure und Connected Factory im Einzelnen gut dokumentiert und lassen sich deshalb schnell und einfach abschließen.

Zuerst wird in der Azure-Cloud die Connected Factory-Anwendung installiert. Dies erfordert lediglich Grundkenntnisse über Microsoft Azure und die Einrichtung von Diensten.

Zweitens wird das Kit mit der Cloud-Plattform verbunden. Hier spielt auch die Umsetzung der Anforderungen an die IT-Sicherheit eine Rolle, so dass Wissen über die IT-Systemverwaltung und den Umgang mit Zertifikaten notwendig ist.

Drittens erfolgt die Einbindung einer realen Steuerung, unterstützt durch die intelligenten Assistenten der dataFEED OPC Suite.

In der Praxis liegt bei diesem Schritt die größte Hürde darin, ein schlecht oder gar nicht dokumentiertes Steuerungsprogramm zu verstehen und die passenden Daten für die Auswertung in der Cloud auszuwählen. Ein Vorteil ist dabei, dass für diese Einbindung keine Änderungen des Steuerungsprogramms oder des Automatisierungsnetzes notwendig werden. Soll in das Pilotprojekt noch keine Steuerung eingebunden werden (etwa für Demo-Zwecke, oder zum Test erster Cloud-Funktionen), kann alternativ dazu ein auf dem Starter Kit bereits vorinstallierter OPC UA-Server mit simulierten Steuerungswerten als Datenquelle konfiguriert werden.

Vom Pilotprojekt zur leistungsfähigen Lösung

Die Erfahrung zeigt, dass diese ersten Schritte am besten mit einem kleinen Projektteam, bestehend aus Automatisierungs- und IT-Experten, durchgeführt werden. Hier trägt jeder mit seinem jeweiligen Know-how zum schnellen Erfolg bei und eine betriebsbereite Lösung steht am schnellsten zur Verfügung. Die Implementierung setzt kundenspezifische Anforderungen um und erlaubt erste Erkenntnisse über die Auswertung der Daten aus den Automatisierungsnetzen und die notwendige Anpassung der (Connected Factory)-Anwendung. Auch wenn die dafür notwendigen Aufwände stark von den jeweiligen Anforderungen abhängen, haben Projekte gezeigt, dass sich mit dem Industrial IoT Starter Kit mit einem Aufwand von zehn bis zwanzig Manntagen bereits praktisch einsetzbare und an individuelle Anforderungen angepasste Lösungen realisieren lassen. Diese berechnen z. B. kundenspezifische Leistungskennzahlen oder führen Zeitreihenanalysen mithilfe von Cloud-Diensten durch.

Die Betriebskosten werden insbesondere von den laufenden Kosten für die Nutzung der Cloud-Dienste bestimmt und hängen vor allem vom übertragenen Datenvolumen und von der Auswahl der genutzten Dienste ab. Kleinere Projekte auf der Basis des Starter Kits und zwei bis fünf angeschlossenen Steuerungen generieren in der Regel mehrere Millionen Nachrichten pro Tag. Dieses Datenvolumen wird im Fall von Azure durch ein IoT Hub-S2-Dienstabonnement abgedeckt.

Veranschlagt man für ein erstes Pilotprojekt also die Anschaffung eines Starter Kits, Dienstleistungen für projektspezifische Anpassungen sowie eine Laufzeit von drei bis sechs Monaten für die Nutzung der Cloud-Dienste, ergeben sich Gesamtkosten in Höhe von etwa 20.000 bis 50.000 Euro.

Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich dann für den weiteren Ausbau der Lösung nutzen. Dafür gibt es vielfältige Möglichkeiten. Diese reichen von der weiteren Anpassung von Connected Factory bzw. von Cloud-Diensten über die Erfassung und Auswertung weiterer Produktions- oder Maschinendaten, die Integration zusätzlicher Sensoren, die Installation von Edge Analytics-Komponenten auf dem Industrial IoT Starter Kit bis hin zur Anbindung weiterer, parallel betriebener Anwendungen (in der Cloud oder vor Ort). Hier profitieren Anwender von der offenen, standard-basierten Architektur des Kits und von der Unterstützung unterschiedlicher Protokolle für die Anbindung von Software-Anwendungen.

Vorteile für die Kunden

Seit der Markteinführung des Industrial IoT Starter Kits Mitte 2018 haben bereits eine ganze Reihe von Kunden den beschriebenen Weg bestritten. Die Endkunden kommen aus unterschiedlichen Branchen, darunter die Automobilindustrie und die Materialhandhabung. Aufgrund ihrer guten Erfahrungen haben sich einzelne Endkunden zum Einsatz des Industrial IoT Starter Kits im großen Maßstab mit Stückzahlen im dreistelligen Bereich entschieden. Neben Endkunden nutzen auch Systemintegratoren und Dienstleister die Kits. Insbesondere für Microsoft Azure-Dienstleistungspartner bietet dieses Paket interessante Optionen für den Ausbau ihres Dienstleistungsspektrums in Richtung Manufacturing IoT und für die Ergänzung der Standardprodukte durch entsprechende Referenzarchitekturen.

BUCHTIPPDie Digitalisierung verändert die industrielle Fertigung grundlegend. Das Buch „Industrie 4.0 – Potenziale erkennen und umsetzen“ beschreibt mögliche Potentiale und konkrete Umsetzungsmöglichkeiten der Industrie 4.0-Anwendungen und dient dem Leser als praxisbezogener Leitfaden.

Cloud und Sicherheit

Die Verwendung von Clouds kommt nicht ohne Diskussion der Sicherheit aus: Auf der einen Seite sind die Bedrohungsszenarien beim Einsatz der Cloud-Technologie real und können nicht ignoriert werden, andererseits ist eine pauschale Ablehnung der Verwendung von Clouds allein aus Sicherheitsgründen nicht gerechtfertigt. Deshalb verdient der Sicherheitsaspekt eine differenzierte Betrachtung.

Zunächst ist festzustellen, dass für die industrielle Produktion auch ohne den Einsatz von Cloud-Technologie eine ganze Reihe von IT-Sicherheitsrisiken bestehen siehe etwa den BSI-Report über Top 10-Bedrohungsszenarien).

Darüber hinaus beruht IT-Sicherheit wesentlich auf dem Einsatz bewährter und standardisierter Algorithmen, die sich in wissenschaftlicher Forschungsarbeit als tauglich erwiesen haben. Diese Verfahren werden für das Industrial IoT nicht neu erfunden, sondern verwenden dieselben Basis-Algorithmen, die seit Jahrzehnten im Einsatz sind und z.B. das Internetbanking sicher machen (siehe etwa die Nutzung von TLS und X.509 Zertifikaten durch den OPC UA Standard).

Und drittens gilt: Der Betrieb einer zentralen Cloud-Plattform ist für deren Anbieter Kerngeschäft. Auch dort verbleiben Restrisiken, aber Anwender dürfen davon ausgehen, dass Anbieter das Maximum tun – im Zweifel mehr als Endkunden für den Betrieb eines eigenen Rechenzentrums – um ihre eigene Cloud-Plattform sicher zu betreiben.

Letztlich muss das Thema Sicherheit also als Kostenfaktor einer Industrial IoT-Gesamtlösung einbezogen werden: Benötige ich als Endkunde externe Beratung zum Thema Sicherheit? Welche zusätzlichen Komponenten sollte ich beschaffen, um meine Lösung sicher zu gestalten? Welche laufenden Kosten ergeben sich für einen sicheren Betrieb meiner Lösung?

BUCHTIPPOhne eine herstellerunabhängige Vernetzung von Geräten und Anlagen ist Industrie 4.0 nicht umsetzbar. OPC UA ist genau dafür konzipiert – doch der Einstieg ist nicht immer einfach. Das Fachbuch „Praxishandbuch OPC UA“ hilft weiter.

* Dr. Christopher Anhalt, Business Development Manager, Softing Industrial Data Intelligence

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