Edge Computing Optimierte Edge-PCs für IoT-Anwendungen

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Phoenix Contact Electronics GmbH

Da traditionelle SPS die anfallenden Daten nicht lokal vorverarbeiten können, hat Phoenix Contact Edge-PCs mit vorinstallierten Software-Tools entwickelt, sodass sich IoT-Applikationen einfach umsetzen lassen.

Derzeit wird zunehmend diskutiert, ob sich Edge Computing für die industrielle Nutzung anbietet. Bei diesem Konzept handelt es sich um eine dezentrale Computing-Infrastruktur, die nahe an der Datenquelle angesiedelt ist. Edge Computing löst die Herausforderungen des Cloud Computing für die produzierende Industrie, weil die Cloud-Anwendungen in die Applikationen verlagert werden.

Bewährtes Konzept in der Office-IT

In der Office-IT hat sich Cloud Computing bereits in vielen Anwendungen durchgesetzt. Zahlreiche dieser Einsatzbereiche – beispielsweise Datenanalyse und -speicherung – sind ebenfalls für die Fertigungsindustrie, also die Operational Technology (OT) relevant. In diesem Umfeld treten jedoch einige Herausforderungen in puncto Datenschutz und -sicherheit, Latenzzeit bei der Informationsverarbeitung, Datentransferraten sowie Kosten für Rechenleistung und Speicherplatz auf.

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Durch Edge Computing wird die Datenverarbeitung in die Nähe der Maschine und somit der Datenquelle gebracht. Aufgrund dieser Verlagerung der Cloud-Applikation an die Edge, also die Netzwerkkante, lassen sich derartige Problemstellungen bewältigen.

Dabei ist zu beachten, dass es nicht die eine Edge gibt, sondern eine Bandbreite von maschinennaher Edge bis zu Server-basierten Lösungen für ganze Produktionsstandorte möglich ist. Auch die tatsächliche Funktionalität der Edge-Anwendung unterscheidet sich von Applikation zu Applikation. Als typische Anwendungen der Edge seien die Datensammlung und -verdichtung, Daten(vor)verarbeitung und -analyse bis zur Nutzung künstlicher Intelligenz und einer Cloud-Anbindung genannt.

Das Edge Computing ersetzt das Cloud Computing jedoch nicht, sondern ergänzt es: Edge und Cloud sind folglich Partner, wobei die Verteilung der Aufgaben auf die beiden Lösungen je nach Applikation variieren kann.

Von der Offenheit des Ökosystems profitieren

Hinter der PLCnext Technology verbirgt sich eine offene Steuerungsplattform für die industrielle Automatisierungstechnik, die Teil eines kompletten Ökosystems ist. Das Ökosystem setzt sich aus folgenden Bestandteilen zusammen:

• der PLCnext Control als robuster Hardware in Form einer SPS oder eines Industrie-PCs, an die ein I/O-System angekoppelt werden kann

• der Engineering- und Konfigurationssoftware PLCnext Engineer, welche die IEC 61131-3 unterstützt

• dem PLCnext Store als digitalem Marktplatz, von dem Software rund um die PLCnext Technology heruntergeladen werden kann

• der PLCnext Community, die der Informationsbeschaffung und dem Austausch von Know-how über das Ökosystem dient.

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Sensortechnik in Industrial IoT-Plattformen

Unterschiedliche Programmiersprachen unterstützt

Aufgrund der Offenheit der PLCnext Technology können beliebige, in unterschiedlichen Programmiersprachen erstellte Kundenanwendungen in das Gesamtprojekt integriert werden. Die Offenheit und Vollständigkeit des Ökosystems schafft somit die Grundlage für Edge Computing im Fertigungsumfeld. Dabei bietet die PLCnext Technology viele Vorteile:

• Durch das Einbinden verschiedener Programmiersprachen reduziert sich die Entwicklungszeit.

• Die am weitesten im Produktionsumfeld verbreiteten OT-Kommunikationsprotokolle, wie OPC UA, Profinet oder Modbus TCP, werden schon von der Hardware unterstützt.

• Über Cloud-Koppler ist eine Proficloud- und Multicloud-Anbindung möglich.

• Die Komponenten basieren auf einer Secure-by-Design-Entwicklung gemäß IEC 62443.

• Kundenspezifische und Open-Source-Software lässt sich problemlos in die Gesamtapplikation einbinden.

• Neue Apps können einfach über den PLCnext Store auf die Steuerung nachgeladen werden.

Der Markt für Edge-programmierbare Geräte befindet sich derzeit im Aufbau. Während die meisten Anbieter Edge-ready-Hardware zur Verfügung stellen, fehlen ihnen die integrierten Software-Tools, die für die Erstellung eines einsatzbereiten programmierbaren Edge-Geräts benötigt werden. Deshalb sind die Edge-PCs von Phoenix Contact mit vorinstallierten Software-Tools ausgerüstet und so entwickelt worden, dass sich IoT-Anwendungen einfach und umfangreich umsetzen lassen. Aufgrund vorinstallierter Software-Tools wie Node-RED, einer lokalen Time-Series-Datenbank sowie der unkomplizierten Cloud-Anbindung an viele Cloud-Systeme – zum Beispiel die Proficloud von Phoenix Contact, Amazon Web Services, Microsoft Azure oder Google Coral – mit speziellen Nodes erweist sich die Realisierung von IoT-Applikationen so einfach wie nie.

Traditionelle SPS können Daten nicht vorverarbeiten

Der Edge-PC verbindet die IT- und OT-Layer. Die Datenverarbeitung erfolgt am Rand des Netzwerks, anstatt wie heute üblich große Datenmengen in eine Cloud zu senden, in der die Daten dann verarbeitet und bewertet werden müssen. Durch die Zielsetzung, Daten lokal und im Voraus auf dem Edge-PC zu verarbeiten, reduziert sich die Bandbreitenauslastung des Netzwerks, während gleichzeitig eine schnellere Ausführung sichergestellt ist. Folglich lassen sich Verzögerungszeiten verringern. Mit einer traditionellen SPS können Daten allerdings nicht vorverarbeitet werden. Daher entwickelt Phoenix Contact aktuell Edge-PCs, die einen Großteil ihrer Sensordaten am Entstehungspunkt sortieren und vorverarbeiten.

Die neuen Edge-PCs des Unternehmens kombinieren die Robustheit eines bewährten Industrie-PCs mit der Offenheit der PLCnext Technology. Die Geräte, die mit einem Intel Celeron N3350 Dual Core-Prozessor ausgestattet sind, bieten zahlreiche Schnittstellen. Dazu gehören zwei Ethernet-, zwei USB- und ein Display-Port(s) sowie zwei serielle RS232-/RS485-Schnittstellen. Mit einem Arbeitsspeicher von 2 GB oder wahlweise 4 GB sowie einem Flash-Speicher von 32 GB mit einer optionalen 128 GB m.2 SSD-Festplatte lassen sich auch Anwendungen entwickeln, die hohe Anforderungen an die Rechenleistung und den Speicherplatz stellen.

Ein User-Interface, das über einen Webserver oder lokal über den Display-Port aufgerufen werden kann, erlaubt den Zugriff auf die vielen Funktionen des Edge-PCs. Der integrierte TPM-Chip (Trusted Platform Module) sorgt für die Integrität und Sicherheit der Kommunikation. Kundenspezifische Applikationen und Fremdanwendungen kann der Nutzer einfach über den digitalen Marktplatz PLCnext Store in die Lösung einbinden. Außerdem ermöglicht die Unterstützung von Docker oder Portainer das intuitive Implementieren und Managen von Containern und Volumes. Wegen der durchgängigen Nutzung von User-Interfaces und grafischen Programmierumgebungen kann der Anwender seine Edge-Applikation einfach entwickeln und anwenden.

Hardware an gängige Cloud-Plattformen anbinden

Eine Edge-Anwendung zielt unter anderem darauf ab, die Bandbreite des Netzwerks durch die lokale (Vor-)Verarbeitung der anfallenden Daten zu reduzieren sowie parallel deren schnellere Ausführung und damit eine geringere Verzögerungszeit sicherzustellen. Eine solche Applikation lässt sich mit einer traditionellen SPS nicht umsetzen.

Der Anwender projektiert die Edge-PCs hingegen zunächst in der gewohnten Engineering-Umgebung PLCnext Engineer. Daten können von allen gängigen Kommunikationsprotokollen – beispielsweise OPC UA, Modbus TCP/RTU oder Profinet – gesammelt und im Node-RED einfach mit vorhandenen Nodes in der InfluxDB-Datenbank gespeichert werden. Über die grafische Oberfläche Chronograf lassen sich die Daten dann visualisieren und managen. Sie können hier verdichtet, Regeln aufgestellt und Alarme initialisiert werden. Die Möglichkeiten scheinen unendlich und passen sich optimal an die Anforderungen des Nutzers an. Aufgrund der Vielzahl von Nodes sowie der Verwendung von MQTT ist die Anbindung der Edge-PCs an die Cloud von Phoenix Contact sowie andere Cloud-Plattformen problemlos realisierbar.

* Daniel Korte, ist Technologiemanager PLCnext Technology, und Daniel Mantler Produktmanager HMI/IPC, beide Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont

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