Cloud-Computing für Automatisierungs- und Embedded-Systeme

Was ist eine Cloud? In erster Linie dient die Wolke als simples Symbol für das komplexe Internet. Der IT-Gigant Intel definiert: „Cloud Computing, das oftmals lediglich als ,die Cloud‘ bezeichnet wird, ist die bedarfsgesteuerte Bereitstellung von Datenverarbeitungsressourcen jeglicher Art (von Anwendungen bis hin zu Datenzentren) über das Internet.“ Von diesen Diensten können nicht nur IT-Anwendungen, sondern auch klassische Embedded-Geräte, die Knoten im „Internet of Things“ oder komplexe Automatisierungslösungen profitieren. Im Wesentlichen lassen sich drei Arten von Cloud-Services unterscheiden:

• Software as a Service (SaaS)
• Platform as a Service (PaaS)
• Infrastructure as a Service (IaaS)

SaaS sind Anwendungen, die auf entfernt platzierten Computern in der Cloud ablaufen. Die Computer sind nicht im Besitz des Nutzers und werden nicht von ihm betrieben. Typisches Beispiel: Microsoft Office live. PaaS stellt eine Umgebung bereit, die alles enthält, was für den vollständigen Lebenszyklus der Erstellung und Implementierung von Cloud-Anwendungen erforderlich ist. Beispiel: Virtuelle Datenzentren, wie sie etwa Strato bereitstellt. IaaS dagegen stellt IT-Ressourcen einschließlich Server, Netzbetrieb, Speicherung und Speicherplatz im Rechenzentrum auf Basis einer nutzungsabhängigen Abrechnung für Unternehmen bereit.

Bild 1: Bei der Cloud kann der Benutzer per Software-Schnittstelle auf die Dienste im Netz zugreifen.Moxa

Dienste aus dem Netz

Damit Cloud-Dienste funktionieren, brauchen sie das Internet. Wikipedia sagt dazu: „Das Internet (von englisch Internetwork: Zwischennetzwerk oder Zwischennetz), umgangssprachlich das Netz, ist ein weltweites Netzwerk, bestehend aus vielen Rechnernetzwerken, durch die Daten ausgetauscht werden. Es ermöglicht die Nutzung von Internetdiensten.“ Service-Anbieter in der Wolke (Cloud Service Provider) haben die Netzwerk-Wolke auf Datenverarbeitungsressourcen ausgeweitet, um dem Nutzer auch diesen Teilbereich transparent zur Verfügung zu stellen. Der Service-Nutzer benötigt nunmehr lediglich eine entsprechende Software-Schnittstelle, um in den Genuss der Dienste zu kommen (Bild 1). Das verspricht viele Vorteile:

• Kostenersparnis durch bedarfsgerechte und skalierbare Verfügbarkeit der benötigten Datenverarbeitungsressourcen (Hard- und Software).
• Kostenersparnis, da kein Wartungsaufwand.
• Nutzungsmöglichkeit der neuesten Technologien ohne extra Investition.
• Interne Bündelung und Fokussierung der eigenen Ressourcen (Mitarbeiter und Technik) auf das Kerngeschäft.

Das Geschäftsmodell entwickelt sich rasant und und findet immer mehr Nutzer, vor allem bei mobilen Anwendungen, die nun große Datenmengen speichern und abrufen können.

Die Grenzen

Leider lässt sich dieses Modell nur bedingt auf die industrielle Automatisierung übertragen. Cloud-Netzwerke sind meist abgeschlossene Systeme, in denen Service-Nutzer und Service-Anbieter ein- und dasselbe Unternehmen sind. Die haben keine Interesse daran, Datenverarbeitungsressourcen und Cloud-Services transparent zu gestalten und sie mehreren Unternehmen unabhängig zur Verfügung zu stellen. Außerdem sind entsprechende Anwendungen meist durch bedeutend mehr Teilnehmer in der Kommunikationskette gekennzeichnet, sodass sich die Zusammenarbeit der einzelnen Komponenten anders darstellt.

Bild 2: In der Automatisierung vermittelt die Cloud zwischen den Datensammeleinheiten und den Kontrollzentren. Damit haben Techniker von jedem Standort aus Zugriff auf die relevanten Daten.Moxa

Nichtsdestotrotz wollen auch industrielle Anwender das Internet verstärkt in die eigenen Applikations-Architekturen einbinden. Sie sind sowieso längst dabei, ihre Systeme immer mehr drahtgebunden und drahtlos zu vernetzen. War die industrielle Automatisierung vor zehn Jahren noch durch isolierte Insellösungen gekennzeichnet, so sind heute die Systeme in bestehende Netzwerke integriert und mit dem Internet verbunden (Bild 2). Nicht zuletzt wird dieses Thema unter dem Begriff Industrie 4.0 weiter vorangetrieben.

Durch die andere Umsetzung ändern sich auch die erhofften Vorteile der Cloud: Der Wartungsaufwand steigt etwas und die Nutzung neuer Technologien erfordert durchaus ein Investment. Die Vorteile durch die bedarfsgerechte Skalierung sowie den Fokus auf das eigene Kerngeschäft bleiben. Das sind genug Vorteile, um die Cloud auch in der Automatisierungstechnik zu nutzen. Geeignete Ansatzpunkte sind die Verbindung der Datensammeleinheiten (Data Collector Units, DCU) mit den Gateways der Kontrollzentren. Damit wird der sichere Zugriff auf diese Daten von überall aus möglich. Die Entwicklung der dazu nötigen Schnittstelle erfordert jedoch umfassende Kenntnisse über Struktur, Topologie, Architektur und Implementierung von drahtlosen und drahtgebundenen industriellen Automatisierungsnetzwerken.

Moxas Cloud-Produkt

Moxas Lösung Mx-Cloud stellt eine Softwareschnittstelle zur Verfügung, die den Datenaustausch unter Benutzung der Cloud ermöglicht. Zusammen mit dem etablierten Netzwerkmanagement-Tool Mx-View lässt sich die Cloud im industriellen Umfeld zielführend einsetzen. Dabei bildet Mx-Cloud die Grundlage für den sicheren Datenfluss vom Endgerät bis zur Leitstelle. Zwischen den Kommunikationsteilnehmern wird ein sicherer Datentunnel aufgebaut und für den gesamten Zeitraum der Kommunikation aufrechterhalten.

Bild 3: Selbst das Netzmanagement lässt sich durch die Cloud tunneln, um per SNMP (Simple Network Management Protocol) über Standorte hinweg zu arbeiten.Moxa

Die Mx-Cloud koordiniert auf der Datensammeleinheit (DCU) die Datenerhebung, die Datenvorbereitung und schließlich die Datenkommunikation in die Cloud, während sie auf der Gateway-Seite das Datenmanagement, die Datenspeicherung sowie die bedarfsgerechte Aufbereitung (Data Interface) übernimmt. Somit ist der gesamte Bereich des Datenflusses abgedeckt. In umgekehrter Richtung setzt Moxa auf Altbewährtes (Bild 3): mit dem bekannten, SNMP-basierten Mx-View, das zur Konfiguration, Steuerung und Kontrolle von DCUs und Endgeräten dient, ist der Managementfluss ebenfalls abgedeckt.

Offene Plattform

Mx-Cloud ist eine offene Plattform, die auf der freien Linux-Distribution Debian 7 mit Kernel 3.2 implementiert ist und sich an/in jede Applikation sehr leicht anpassen oder integrieren lässt. Sie wird von Moxas x86-Plattformen der V24xx-Reihe, als auch von Moxas ARM-basierten Plattformen, wie den UC-84xx- oder den UC-81xx-Reihen unterstützt. Mit Moxas RISC-basierter Embedded-Computer-Serie UC-8100 kann man Mx-Cloud gut zur Energieüberwachung einsetzen. Die UC-8100 Serie bietet eine Cyber-Security-Software, die sowohl die Daten, als auch die Plattform schützt, und die Computer verfügen über programmierbare LEDs für die benutzerspezifische Benachrichtigung.

Mit Mx-Cloud lassen sich geografisch beliebig verteilte Systeme mit vielen Endgeräten und Datensammeleinheiten (DCUs) leicht verwalten und steuern. Techniker im Feld können mit Google Maps über jedes 3G-fähige Mobilgerät Dienstgeräte schnell und einfach lokalisieren und ihren Gerätestatus visualisieren. Entfernt gelegene Geräte werden automatisch erkannt, und die kundenspezifische Analyse von Datensätzen in großen Netzwerken spart Zeit und Geld.

Bild 4: Mit der Mx-Cloud lassen sich Solarinverter und Smart-Meter überwachen und steuern. Eine Google-Maps-Darstellung zeigt sogar, wo sich welches Gerät befindet.Moxa

Einsatzbeispiel

Geografisch weit verteilte Systeme finden sich zum Beispiel bei Erneuerbare-Energie-Systemen, etwa bei der Überwachung von Wechselrichtern in der Solarstromerzeugung oder bei Zählerablesestrukturen, der sogenannten Advanced Meter Reading Infrastructure (AMI). Hier ist es nötig, die stromproduzierenden Einheiten (Solarkollektoren) auf den Dächern von Privathäusern zu steuern und die produzierte Menge an Strom sowie die Verbrauchswerte des Haushalts zu erfassen. Die Steuerung muss kontinuierlich Messwerte ermitteln, sammeln und an ein Kontrollzentrum übermitteln, und das parallel bei mehreren tausend Haushalten innerhalb einer Region.

Moxa hat Mx-Cloud an die Anforderungen des Industriestandards der US-amerikanischen Sunspec Alliance angepasst. Hier bewährt sich die Adaptionsfähigkeit der Softwareplattform. Ingenieure können automatisierte Tags für eine Vielzahl von Branchenstandards in der Energiewirtschaft konfigurieren, wie eben Sunspec Alliance oder einfach Modbus TCP. Zusätzlich ermöglichen vordefinierte Profile und anpassbare APIs die schnelle Erstellung analytischer Big-Data-Lösungen. Mit Mx-Cloud kann der Anwender im Kontrollzentrum den Gerätestatus geografisch visualisieren und die Geräte damit leichter aus der Ferne steuern und verwalten, er kann große netzwerkbezogene Datenmengen analysieren, bestehende Software mit geringem Aufwand adaptieren sowie einfache und intuitive Oberflächen entwickeln.

Großes Potenzial

Mx-Cloud zeigt damit, was neue Technologien im Umfeld der industriellen Automatisierung ermöglichen. Die Architektur eignet sich auch für viele Anwendungen in Embedded-Applikationen. Dabei ist das Potenzial der Cloud-Technologie noch lange nicht ausgeschöpft. Moxa wird diesen Pfad weiterverfolgen.

(lei)