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Edge-Computing

Andreas Mühlbauer,

Ein neuer Ansatz für die Konvergenz von Industrietechnik und IT

Mittlerweile haben auch die großen Cloud-Anbieter erkannt, dass künftig ein guter Teil der IT nicht in Rechenzentren stehen wird. Das Versprechen durchgängiger Edge-to-Cloud-Umgebungen wird sich allerdings nur dann einlösen, wenn am Edge eine Konvergenz von Industrie- und Informationstechnik hergestellt wird. Das Smartphone liefert dafür das Vorbild.

Das HPE Edgeline EL300 Converged Edge System ist für die Steuerung industrieller Prozesse am Edge ausgelegt. Es bietet physische OT-IT-Konvergenz, Edge-optimiertes System- und Applikationsmanagement und Cloud-Integration. © HPE

Bis 2020 sollen nach einer Studie von Roland Berger jährlich 30 Milliarden intelligenter Sensoren weltweit verkauft werden. Sie wandern in Ölplattformen, Fahrzeuge, Produktionsmaschinen und erzeugen überall Datenmassen. Diese Daten bilden zusammen mit lernfähigen KI-Algorithmen die Grundlage für so genannte Edge-to-Cloud-Umgebungen, die Daten und Abläufe von der Feldebene bis zur Unternehmensebene integrieren. Das soll neue Einsichten in das Funktionieren von Systemen und Prozessen ermöglichen und helfen, situationsangemessen in Echtzeit zu entscheiden und zu handeln. Das Ziel: Prozessverbesserungen um Größenordnungen in Industrie, Logistik, Produktion und Energiewirtschaft – auch neue Produkte, Dienstleistungen und Geschäftsmodelle sollen sich damit entwickeln lassen.

In Edge-to-Cloud-Architekturen haben Edge und Cloud unterschiedliche Rollen: Das Edge dient der Echtzeit-Analyse und -Aktion, die Hauptrolle der Cloud ist Korrelation und Koordination. Korrelation von relevanten Daten zwecks Deep Learning und Koordination von unternehmensweiten Abläufen. © HPE

Neues Dezentralisierungsparadigma

Damit deutet sich ein neues IT-Paradigma an. Nach der letzten Zentralisierungswelle, bei der die Cloud im Mittelpunkt stand, geht es nun wieder in Richtung Dezentralisierung: Die Bedeutung der Peripherie, verstanden als alles, was mit einem datenerzeugenden Sensor ausgestattet werden kann, steigt. Das Marktforschungsunternehmen Gartner sagt voraus, dass in sechs Jahren drei Viertel der Unternehmensdaten außerhalb aller Rechenzentren, am Edge, erzeugt und verarbeitet werden. Heute sind es laut Gartner zehn Prozent. Bisher herrschte die Auffassung vor, dass die im Internet of Things (IoT) erzeugten Daten in der Cloud verarbeitet werden. Doch die Sensordaten dorthin zu transportieren, dauert viel zu lange und ist auch zu unsicher. Verzögerungen können am Edge buchstäblich tödliche Folgen haben, wenn Maschinen nicht aboder Ampeln nicht umschalten. Zudem ist am Netzwerkrand, der sich im Wortsinn überall befinden kann, Bandbreite häufig knapp oder nur phasenweise verfügbar. Und: es ist unnötig teuer, Massen von zumeist redundanten Daten durch das Netzwerk zu schicken.

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Also, so lautet die modifizierte Konzeption, formuliert etwa an der Carnegie- Mellon-Universität, braucht man eine Zwischenstation, die nicht nur Daten sortiert und weiterleitet, sondern eigenständig verarbeitet, von den universitären Forschern als „Cloudlet“ bezeichnet. Daraus wurden die heute erhältlichen Edge-, Mini- oder Mikrodatenzentren – klein, aber voll ausgestattet mit Brandschutz, Klimaanlage und unterbrechungsfreier Stromversorgung. Die dritte, erzeugungsnächste Stufe bilden heute oft Gateways, die aber nicht genügend Rechen- und Speicherleistung haben, um alle Aufgaben zu erfüllen, die eigentlich in unmittelbarer Nähe der Endgeräte zu lösen wären. Denn es ist in vielen Fällen notwendig, unmittelbar am datenerzeugenden Endgerät ein intelligentes System zu platzieren, das die anfallenden Daten erfasst, normalisiert und analysiert, die nötigen Reaktionen vor Ort einleitet und ansonsten Daten, die es wert sind, ins Mikrorechenzentrum oder direkt in die Cloud schickt.

Edge-Systeme als Brückenkopf der OT-IT-Konvergenz

Der Begriff „cyber-physische Systeme“ deutet an, worauf es dabei ankommt. Es geht um die Konvergenz von Industrietechnik (Operational Technology, OT) und Informationstechnik (IT) mit dem Ziel, physische Prozesse so flexibel, intelligent und autonom zu machen, als seien es virtuelle Prozesse. Edge-Systeme sind für diese Integration der Brückenkopf: eine IT-Stellung auf OT-Territorium, die die Ausführung von Operationen auf diesem Territorium ermöglicht. Sprich: Daten aus Sensoren, SCADA- und SPS-Systemen werden mit Standard-IT-Anwendungen analysiert, und daraus werden Handlungen abgeleitet, die wiederum von SCADA- oder SPS-Systemen ausgeführt werden.

Solche Datenkreisläufe einzurichten und zu betreiben ist hoch komplex, weil dabei eine große Zahl von unterschiedlichen Komponenten miteinander orchestriert werden müssen. Dazu gehören zum Beispiel die industriellen Systeme mit ihren Sensoren und Steuerungen; Treiber, Adapter und Middleware für die bidirektionale Kommunikation zwischen OT und IT; und die Standard-ITAnwendungen am Edge, im Rechenzentrum und in der Cloud.

Die Edge-IT-Systeme müssen dabei gleich in doppelter Hinsicht in Feindesland operieren: in einer Umgebung voll fremder Technologien und voll unwirtlicher Betriebsbedingungen. Letztere können für IT-Systeme nicht nur geradezu lebensfeindlich sein – außerdem fehlen in Fabriken, Windkraftanlagen oder auf Ölförderplattformen oft die Qualifikationen, um diese komplexen Systeme aufzusetzen und zu warten.

Die HPE Edgeline OT Link Plattform umfasst einen No-Code-Workflow-Generator und einen Anwendungskatalog, die es Kunden ermöglichen, Komponenten, Daten und Anwendungen über eine grafische Benutzeroberfläche zu orchestrieren. Die Plattform integriert ein Ökosystem von Cloud- und Rechenzentrums-Anwendungen – unter anderem von AWS, Google, Microsoft, SAP und GE – um Erkenntnisse vom Netzwerkrand für das ganze Unternehmen und die Lieferkette verfügbar zu machen. © HPE

Damit die Edge-Systeme ihre Rolle als Brückenkopf der OT-IT-Integration ausfüllen können, braucht es also einen neuen Ansatz. Ein Modell dafür befindet sich in unserer Jackentasche: das Smartphone mit seinen Apps.

Alles in einer Hand

Die Älteren von uns erinnern sich noch an die Zeiten, als man ein Telefon fürs Telefonieren, einen Walkman fürs Musikhören, eine Kamera fürs Fotografieren und einen PC fürs Surfen im Internet hatte. Steve Jobs hatte drei Ideen, die diesen Zustand radikal veränderten. Erstens integrierte er Telefon, Musikspieler, Kamera und Internet physisch in ein Gerät. Zweitens schuf er ein Ökosystem von Anwendungen, das immer neue Möglichkeiten schafft, diese physischen Komponenten kreativ auszunutzen. Drittens machte er die Anwendung so einfach, dass wirklich jeder Dummkopf in der Lage ist, das Ding zu bedienen. Dieses Vorbild lässt sich nahezu eins zu eins auf die Edge-Systeme übertragen, die den Kern von cyber-physischen Systemen bilden. Das private Leben wird einfacher, wenn man nicht fünf unterschiedliche, sondern nur ein Gerät bedienen muss. Ebenso vereinfacht die OT-IT-Integration die Prozesse in industriellen Umgebungen.

In der Automobilherstellung zum Beispiel kommen heute oft unterschiedliche Test- und Messsysteme für das produktionssynchrone Testen und für das Engineering zum Einsatz. Ein Autobauer entschied sich dafür, diese heterogene Umgebung durch Edge-IT-Systeme mit integriertem PXI-Schnittstellenmodul zu ersetzen. Mit einer einzigen Geräteklasse konnte er somit große Volumina von Fahrzeugdaten in der erwünschten Detailtiefe in Echtzeit verarbeiten und Anwendungen wie Hardware in-the-Loop-Simulation, Rapid Control Prototyping, Busüberwachung und Automatisierungssteuerung aufsetzen. Durch diese Vereinheitlichung erzielte der Autobauer so große Effizienzgewinne, dass er die Zahl der pro Tag gefertigten Fahrzeuge steigern konnte.

Trotz aller Standardisierungsbemühungen sind Industrieumgebungen nach wie vor durch große Heterogenität geprägt. Konvergente Edge-Systeme müssen deshalb standardmäßig eine große Bandbreite an Optionen für das Ansteuern von OT-Systemen bieten – etwa Digital I/O, CAN-Bus, Modbus oder Profinet –, sei es über einen multiprotokollfähigen Standard wie PXI oder über dedizierte Adapter. Programmierschnittstellen und Field Programmable Gate Arrays (FPGA) erlauben zudem eine maßgeschneiderte Erstellung von OT-Adaptern, bis hin zur Implementierung von speicherprogrammierbaren Steuerungen auf dem Edge-IT-System.

Anwendungs-Entwicklung ohne Codierung

Ebenso wie bei Smartphones erschließt sich der wahre Wert von konvergenten Edge-Systemen erst mit den Applikationen, die die verschiedenen OT- und ITKomponenten zu einem nützlichen Prozess verknüpfen. Beispiel Video- Qualitätskontrolle in der Produktion: Eine Video-Kamera erfasst die auf einem Band vorbeirollenden Produkte; ein Machine-Learning-Programm erkennt anhand der Video-Aufnahmen Produktfehler; ein erkannter Produktfehler löst einen Impuls in einer speicherprogrammierbaren Steuerung aus, um das defekte Produkt vom Förderband zu schieben.

Ein solches organisiertes Zusammenspiel von OT und IT wird heute in vielen Fällen manuell aufgesetzt und programmiert – was großen Aufwand verursacht und anfällig für Sicherheitslücken ist. Eine Lösung für dieses Problem sind so genannte No-Code-Workflow-Generatoren. Die Datenquellen, Adapter, Treiber, Middleware, Anwendungen und SPS lassen sich dabei zu einem Workflow verbinden, indem entsprechende grafische Symbole mit der Maus verknüpft werden. Die IT-Applikationen, mit denen die OT-Daten analysiert und verarbeitet werden – etwa PTC ThingWorx oder SparkCognition – werden dabei aus einem Applikationskatalog ausgewählt und, in einen Container verpackt, aus der Cloud an das Edge-System übertragen.

Idiotensicheres Systemmanagement

Sind all diese Voraussetzungen gegeben, muss noch das Problem des Systemmanagements am Edge gelöst werden. Administratoren haben es hier nicht mit hunderten oder tausenden Systemen in den klimatisierten und zugangsgeschützten Räumen ihres lokalen Rechenzentrums zu tun – sondern mit hunderttausenden von Systemen an allen möglichen entlegenen und unwirtlichen Orten. An ein händisches Aufsetzen und Warten der Systeme ist also nicht zu denken. Vielmehr braucht es ein Systemmanagement, das – ähnlich wie bei einem Smartphone – die meisten Aufgaben autonom durchführt. Dazu gehören eine Fülle von Aufgaben wie die Inbetriebnahme der Edge-Hardware, das Laden und Installieren von Firmware, Betriebssystem und Anwendungen, ihre permanente Aktualisierung, das System-Monitoring und die Problembehebung.

Weitere Edge-spezifische Bedingungen, denen das Systemmanagement Rechnung tragen muss, sind zum Beispiel eine fragile Netzwerkverbindung – typisch etwa bei mobilen Einsatzszenarien oder an entlegenen Einsatzorten. Das heißt zum Beispiel, dass unterbrochene Update-Vorgänge wieder an dem Punkt fortgesetzt werden, wo sie unterbrochen wurden –, und dass das Edge-System sich aktiv meldet, wenn es nach einer Netzwerkunterbrechung wieder online ist. Zudem muss das Systemmanagement Edge-spezifische Sicherheitsfunktionen bieten, weil es am Edge keine Zutrittskontrolle wie im Rechenzentrum gibt.

Fabrik-Revolution

Die Erfindung des iPhones hat eine Revolution ausgelöst, die unser Leben und Wirtschaften verändert hat. Dasselbe muss mit den Edge-IT-Systemen passieren, die künftig laut Gartner die Hauptlast des digitalen Universums tragen werden. Nur dann kann es gelingen, die rosigen Effizienz-, Wachstums- und Ertrags-Versprechen des industriellen Internets der Dinge einzulösen. Physische OT-IT-Konvergenz, No-Code-Anwendungs-Entwicklung und ein idiotensicheres Systemmanagement am Edge sind dafür die Schlüssel. Die Konvergenz von OT und IT wird die Koordinatensysteme dieser Branchen verschieben.

OT- und IT-Hersteller erobern fremde Territorien und schließen neue Partnerschaften, um neue Dienstleistungen, Produkte und Geschäftsfelder zu schaffen – zugleich müssen sie ihre angestammten Territorien gegen Angriffe verteidigen. Die Herstellerbindung im OT-Bereich erinnert heute wegen der vielen proprietären Technologien an die Zustände auf dem Mainframe-Markt vor 30 Jahren. Die Welt der IT hat den mühevollen Weg von proprietären zu offenen Systemen hinter sich gebracht. Der Welt der OT steht dieser noch bevor.

Peter Widmer, Global Category Manager Converged Servers, Edge & IoT Systems bei Hewlett Packard Enterprise

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