Der schnelle Weg zur eigenen Connected-Edge-Lösung

Von besonderem Interesse sind die TQ-Starter-Kits für Entwickler und Produktmanager die schnell, ohne zeitaufwändiges Layout und Mustererstellung mit standardisierter und geprüfter Elektronik in die Realisierung eines PoC (Proof of Concept) starten wollen. Die hohe Skalierbarkeit der TQ-Module bietet darüber hinaus die Flexibilität, entsprechend des PoCs zu evaluieren, welche Leistungsklassen für die jeweilige Anwendung benötigt werden. Sie sind somit einfach anpassbar an die Bedürfnisse.

Der typische Anwendungsfall im industriellen Umfeld ist die Übertragung von Daten, z. B. die CAN-Messages der angeschlossenen Geräte bzw. Sensoren in die Cloud. Dabei spielt die Topologie des Netzwerkes eine wichtige Rolle: Stehen die Maschinen vernetzt in einer Fabrikhalle oder sind sie örtlich verteilt?

Im ersten Fall kann ein IoT-Gateway (TQ-Lösung) beispielsweise die Vorverarbeitung der Daten übernehmen und sie dann geschützt an eine Cloud-Plattform schicken – also das klassische OPC-UA-Client/Server-Szenario. Im zweiten Fall gibt es lokal kein Netzwerk und die Geräte bzw. Sensoren müssen ihre Daten selber in die Cloud schicken. Dabei unterstützt sie das Cloud-Starter-Kit mit seiner bereits integrierten LTE Connectivity, die eine TLS-verschlüsselte Verbindung in die Cloud ermöglicht. Weitere Übertragungswege, wie LoRa, NB-IoT oder Sigfox können auf Wunsch für die spezifische Lösung durch den TQ-Embedded-Bereich realisiert werden. Die Cloud stellt den Broker (MQTT-Server) bereit und damit ist das OPC-UA-Pub-Sub-Szenario gegeben.

Use Cases wie Predictive Maintenance, Maschinenmanagement, KI-basierte Funktionen

Sind die Daten erstmal in der Cloud, kann dort die Datenverarbeitung erfolgen und die Darstellung einem Frontend überlassen werden. Use Cases wie Predictive Maintenance, Maschinenmanagement, KI-basierte Funktionen bis hin zu einem Pay-per-Use-Geschäftsmodell sind damit möglich.

Ein konkretes Beispiel für eine mögliche Cloud-Lösung ist die Integration von Hall-Sensoren, um den Stromverbrauch eines Motors und des gesamten Gerätes zu erfassen. Dies bietet sich nicht nur für die Entwicklung von Neugeräten an, sondern kann auch als Nachrüstlösung bei bestehenden Maschinen und Anlagen erfolgen. In Zeiten stark steigender Stromkosten ist es für ein unternehmensweites Energiemanagement erforderlich, den Verbrauch und die Nutzungsstruktur aller Geräte und Maschinen zu erfassen und zu verstehen, um die entsprechenden Maßnahmen einzuleiten.

Ein über die Zeit ansteigender Stromverbrauch ist auch ein wertvolles Indiz, dass es zu Verschleiß beim Motor bzw. der Maschine kommt und eine Wartung fällig wird. Dazu sammelt ein Cloud-Service die erfassten Sensordaten, wertet sie aus und leitet die notwendigen Schritte ein. Dieses Konzept wird als Predictive Maintenance bezeichnet und verhindert kostspielige Stillstandzeiten in der Fertigung.

Aber warum das Ganze als Cloud-Lösung aufsetzen und nicht in die Gerätesoftware integrieren? Für Nachrüstlösungen ist die Antwort naheliegend, denn man will die bestehende Software nicht anfassen und gegebenenfalls neu zertifizieren müssen. Zudem bleibt das bestehende Security-Konzept unangetastet.

Darüber hinaus hat eine Cloud-Lösungen besonders Vorteile, wenn mehrere Firmen zusammenarbeiten sollen. Im obigen Beispiel informiert die Cloud-Lösung den Fertigungsleiter über die Situation und gleichzeitig auch den Maschinenhersteller und seine Wartungs-Crew. Dass aber nur zwei Firmen beteiligt sind, wird immer seltener. So erfolgt beispielsweise die Wartung immer häufiger über Sub-Unternehmer. Die Maschinen selbst sind geleast und der eigentliche Eigentümer muss ebenfalls informiert werden. Bei allen beteiligten Firmen die jeweilige Unternehmenssoftware anzupassen, ist wirtschaftlich kaum darstellbar. Eine Cloud-Lösung lässt sich erheblich einfacher in den jeweiligen Workflow integrieren und die dazugehörigen geringeren Kosten einfacher und zuverlässiger ermitteln – sogar per „Feldversuch“.

Für Entwickler ergeben sich zahlreiche Vorteile aus der Implementierung

In der konkreten Evaluierung hilft das Cloud-Starter-Kit, Daten von CAN-Geräten/Sensoren per LTE in eine Cloud zu übertragen. Dabei muss man sich nicht um die technischen Voraussetzungen kümmern, sondern kann sich voll auf die Applikation und Business-Logik konzentrieren. Die ganzen technischen Zwischenschritte wie die Sensor- und Maschinen-Anbindung am Edge, Datenaggregation, Verbindung mit der Cloud und die Protokollverarbeitung sind im Starter-Kit praxisgerecht zusammengefasst.

Für Entwickler ergeben sich zahlreiche Vorteile aus der Implementierung. An erster Stelle steht eine nahezu unbegrenzte Möglichkeit der Datenauswertung und Visualisierung durch die Cloud, je nachdem welche Cloud genutzt wird. Will man diese wechseln bzw. den MQTT-Broker, müssen lediglich die gleichen Einstellungen wie der AWS-Broker verwendet werden. Damit ist die Nutzung von anderen kommerziellen Anbietern ebenso möglich, wie eine selbstgehostete Cloud oder ein lokaler MQTT-Broker im eigenen Netzwerk, also ohne Internetverbindung, z. B. zu Testzwecken.

Nutzung von standardisierten Protokollen wie MQTT und CAN

Die konsequente Nutzung von standardisierten Protokollen wie MQTT und CAN eröffnet eine Vielzahl von Anpassungsmöglichkeiten – auch für künftige Veränderungen. Sollte sich beispielsweise ein neues, besseres Übertragungsprotokoll als MQTT etablieren und in open62541 implementiert werden, ist ein Wechsel des Protokolls möglich, ohne das OPC-UA-Datenmodell verändern zu müssen.

Die im Cloud-Starter-Kit zahlreich enthaltenen Praxisbeispiele helfen bei der Adaption eigener Use Cases, sind Vorlage für einen sicheren Verbindungsaufbau mit der Cloud sowie für das Versenden und Empfangen von Daten. Über eine Serviceoberfläche im lokalen Netzwerk ist die problemlose Konfiguration möglich. Dabei sind keine Code-Anpassungen notwendig, was Anwendern ohne ausgeprägten Software-Hintergrund zugute kommt. Ebenso ist keine Einbindung in die eigene IT-Infrastruktur notwendig, da über 4G die direkte Anbindung an die Cloud erfolgt.

Auch beim Frontend wurde Wert auf eine problemlose Bedienung gelegt, ohne großen Konfigurationsaufwand – dies gilt auch für die Einbindung in eine eigene AWS-Cloud-Umgebung. Die sichere Übertragung der Nachrichten erfolgt mittels Zertifikaten. Somit sind die Daten der CAN-Sensoren auf ihrem Weg in die Cloud ebenso abgesichert, wie die Steuerbefehle für CAN-Aktuatoren aus der Cloud heraus. Mit einer Web-Oberfläche lassen sich die CAN-Daten in Echtzeit visualisieren. Ebenso wichtig ist die Anzeige des übertragenen Daten-Volumens der LTE-Schnittstelle, um das IoT-Geschäftsmodell entsprechend anpassen zu können. (neu)