Jetzt anfragenIn Zeiten von Industrie 4.0 und stetig zunehmenden technischen Möglichkeiten werden Maschinen und Anlagen immer komplexer. Zu verstehen, wie diese funktionieren wird immer schwieriger und die Reparaturen werden aufwändiger.
Im Kontext industrieller Anlagen steigt mit zunehmender Komplexität auch der Aufwand für unvorhergesehene Reparaturen sowie die Kosten bei Ausfallzeiten. Daraus resultiert eine enorme Wichtigkeit von Monitoring und Wartung um so früh wie möglich auf Ereignisse reagieren zu können.
Ein einfaches Beispiel dafür sind die Scheinwerfer im Auto: Vor einigen Jahrzehnten hatten wir noch Ersatzglühbirnen im Auto, falls mal wieder eine durchglüht. Hingegen arbeiten heutige Lichtanlagen weitaus zuverlässiger und halten deutlich länger bei höherer Lichterzeugung und Energieeffizienz. Dafür können diese aber nur noch in der Fachwerkstatt ausgetauscht werden.
Das Gateway im Zentrum der Datenübermittlung
In IIoT Szenarien ist das Gateway der zentrale Verbindungsknoten von Anlagen und Maschinen zur Cloud. Telemetriedaten und Prozessinformation werden über das Gateway zur Cloud übertragen. Damit bildet das Gateway den Single Point of Failure in der Datenübermittlung und spielt eine zentrale Rolle im Gesamtprozess.
Anlagentelemetrie umfasst diverse Kenngrößen, die mit Sensoren gemessen werden können, als auch digital errechnete Werte. Typische Beispiele sind Druck, Drehzahlen, Temperaturen und Speicherbelegung. Anhand dieser Werte kann dann das Monitoring von Anlagen durchgeführt werden. Durch Erkennen von Abweichungen oder Überschreitungen von Limits können dann durch frühzeitiges Handeln mögliche Ausfallzeiten reduziert werden.
Prozessdaten geben Auskunft über zum Beispiel Aufträge, Laufzeiten oder Stückzahlen. Anhand dieser Daten können Prozesse und Auslastungen optimiert und geplant werden.
Die genaue Klassifizierung von Anlagentelemetrie und Prozessdaten spielt im Folgenden keine Rolle und wird als Telemetrie oder einfach nur Daten zusammengefasst.
Die Herausforderung
Um Telemetrie in einer beliebigen Anwendung überwachen zu können, müssen einige Punkte berücksichtigt werden:
Zunächst müssen die an der Maschine gesammelten Daten zu einer Monitor-Anwendung übertragen werden. Dabei muss der Übertragungsweg zwischen Anlage und Anwendung mit aktuellen Sicherheitsmechanismen geschützt werden. Der Datenendpunkt wiederum darf nur autorisierten Datenquellen/Anlagen vertrauen und muss deren Authentizität prüfen. Es erfordert also eine verschlüsselte Verbindung um die Daten zu übertragen. Die Verbindung muss dabei von der Anlage ausgehend aufgebaut werden, da eingehende Verbindungen auf eine Anlage aktuellen Sicherheitskonzepten widersprechen.
Darüber hinaus muss für Prozess- und Telemetriedaten abgewogen werden, welche Anforderungen an die Persistierung, Laufzeit und Verfügbarkeit gestellt wird. Für Daten, die für spätere Prozessoptimierungen gespeichert werden, spielt die Übertragungs- und Verarbeitungszeit nur eine untergeordnete Rolle. Andere Kennwerte hingegen müssen sehr zeitnah verfügbar sein. Unabhängig von den konkreten Daten sind in der Regel unterschiedliche Anforderungen an die Weiterverarbeitung vorhanden. Über diese Anforderungen entscheidet sich ob Daten, auf dem Hot Path oder dem Cold Path verarbeitet werden müssen.
AIT Smart Edge – ein möglicher Lösungsweg
Mit der gesammelten Erfahrung aus diversen Projekten hat AIT sich entschlossen, ein Baukasten unter dem Namen AIT Smart Edge zu entwickeln, welcher viele Basismerkmale einer IIoT Lösung bereitstellt und damit einen schnellen Start in die Welt des IIoT ermöglichen kann. In diesem Kontext mussten, unter anderem, die im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Herausforderungen zur Datenübertragung adressiert werden.
Als dreifacher Goldpartner von Microsoft ist es nicht verwunderlich, dass unsere Lösung auf dem Microsoft IoT Stack aufbaut. Doch nur aus Gewohnheit sollte keine Projektentscheidung getroffen werden. Microsoft Azure bietet eine hervorragende Plattform um Lösungen zu implementieren, die den industriellen Anforderungen gerecht werden.
Das AIT Smart Edge Control Center
Das Control Center ist eine Webanwendung zur Administration von Devices, Anlagen und Kunden. In der Geräteadministration (vgl. Abb.1) können neben den Metadaten und installierten Modulen auch die Telemetriedaten des Gateways eingesehen werden.
Abbildung 1: AIT Smart Edge Control Center – Geräteübersicht
Das Gateway
Für die Bereitstellung von Funktionalitäten auf dem Edge Gateway, wie das Sammeln von Anlagentelemetrie, werden eigene Azure IoT Edge Module eingesetzt. Dies schränkt zwar die Hardwareauswahl ein, doch die bereitgestellten Features und Randbedingungen überzeugen.
Die benötigten Module werden dabei in einer Azure Container-Registry bereitgestellt und von der Edge Runtime auf dem Device verwaltet (vgl. Abb.2). So können auch nach Auslieferung eines Devices Module auf das Gateway hinzugefügt und entfernt werden.
Mehr Details dazu finden Sie in unseren Blogs zu IoT Edge und IoT Edge Module.
Abbildung 2: Azure IoT Edge Übersicht
Gateway Telemetrie
Eines der IoT Edge Module ist das AIT Host Management Modul. Über einen auf dem Gateway laufenden Management Service liest es ausgewählte Telemetriedaten des Gateways aus. Die Auswahl der zu sammelnden Telemetriedaten erfolgt über eine bereitgestellte Konfigurationsoberfläche auf dem Gateway (vgl. Abb.3). Die gesammelten Daten werden dann an den zugehörigen IoT Hub gesendet und dort weiterverarbeitet.
Abbildung 3: Telemetriekonfiguration eines Devices im AIT Edge Configuration-Module
Im IoT Hub eingehende Daten werden an eine Time Series Insights Instanz (TSI) weitergeleitet. TSI ist ein vollständig verwalteter Analyse-, Speicher- und Visualisierungsdienst, der darauf spezialisiert ist in Kontext stehende Daten abzubilden. Die Unterstützung von Zeitreihen macht TSI zu einem mächtigen Werkzeug für die Verarbeitung von Telemetriedaten, welche für bis zu 400 Tagen persistiert können.
Abbildung 4: TSI Dashboard auf dem Azure Portal
Über die Time Series API ist es möglich die hinterlegte Telemetriedaten in zeitlichem Bezug abzufragen, um diese in geeigneten Anwendungen zu verarbeiten und anzuzeigen. Im Control Center werden Telemetriedaten aus TSI über die TSI API abgerufen und als Graphen dargestellt (vgl. Abb.5).
Abbildung 5: Telemetriedaten eines Gateways im AIT Smart Edge Control Center
Anlagentelemetrie
Die Telemetrie der Anlage ist in der Kundendomäne verankert und kann daher nicht als allgemeingültige Lösung bereitgestellt werden. Eine kundenspezifische Domäne zu bedienen verlangt nach einer dafür zugeschnittenen Lösung, um das Einsammeln von Telemetriedaten für die entsprechende Anlage zu designen. Im Fall von Smart Edge wird dafür ein IoT Edge Modul eingesetzt, welches die Kommunikation zur Anlage übernimmt. Für Anlagen, die mit einem OPC UA Server ausgestattet sind, liefert Smart Edge dafür das AIT OPC Publisher-Modul. Dieses kann Daten nach einer einfachen Konfiguration auslesen. Für andere Industriestandards neben OPC UA, wie Modbus und IO Link, können eigene Module zum Einsammeln der Daten in den Baukasten von Smart Edge integriert werden.
Die Daten werden dann über ein zweites Modul, den AIT Router, an verschiedenste andere IoT-Plattformen, wie z.B. Azure IoT Central oder Amazon Web Services (AWS), gesendet. Dies ermöglicht eine Bedienung unterschiedlichster IoT Plattformen und überlässt dem Betreiber die Wahl, welche für seine Domäne am besten geeignet ist.
Abbildung 6: Datenvisualisierung einer Kundenanwendung basierend auf AIT Smart Edge
Fazit
AIT Smart Edge liefert einen möglichen Ansatz, wie die Herausforderungen für Telemetriedaten im IIoT Umfeld gelöst werden können. Dabei wird neben der Überwachung der Anlagendaten auch die Telemetriedaten des Edge Gateways in den Vordergrund gestellt um einen reibungslosen Prozess zu ermöglichen.
Überzeugen Sie sich selbst von den Vorzügen von Smart Edge als Beschleuniger für ihre IIoT-Lösung und gewinnen damit wertvolle Zeit um sich auf den Teil zu konzentrieren, bei denen Ihnen niemand etwas vormacht: Ihrer Fachdomäne!
