So erleichtern Software-Bausteine die Embedded-Entwicklung

Die Konvergenz von Informations- (IT) und Betriebstechnologie (OT) bringt physische Anlagen und Geräte in die digitale Welt. Dieser digitale Wandel wird durch Technologien wie das Industrial Internet of Things (IIoT) und Big Data Analytics vorangetrieben, die entscheidend zu einer höheren Produktivität und Produktionseffizienz beitragen. In der Vergangenheit arbeiteten beide Systeme unabhängig voneinander, mit unterschiedlichen Prioritäten, Protokollen und Sicherheitsanforderungen. In der dynamischen Digitalisierungslandschaft von heute wachsen die Herausforderungen jedoch stetig: Gerade Anforderungen an Sicherheit, Flexibilität, Skalierbarkeit, Lifecycle-Management und Effizienz werden zunehmend komplexer. Um die Komplexität der Anforderungen zu reduzieren, bietet Congatec mit „aReady.COM“ ein applikationsfertiges Angebot rund um Computer-on-Modules (COMs) an. Es besteht aus verschiedenen Bausteinen für die IT/OT-Konvergenz und reduziert die Komplexität der Applikationsentwicklung durch eine nahtlose Integration von Hard- und Software.

Mit dem Fortschreiten von Industrie 4.0 und dem IIoT wurde die IT/OT-Konvergenz zu einem zentralen Bestandteil moderner Geschäftsprozesse und spielt eine entscheidende Rolle für den Unternehmenserfolg. Die Konvergenz erfordert den Austausch von Maschinendaten und Systeminformationen mit minimaler Latenz, um beispielsweise die Echtzeit-Integrität eines digitalen Zwillings sicherzustellen. Ebenso müssen auf derselben Hardware-Plattform Feedback-Mechanismen integriert sein, um nutzungsbasierten Geschäftsmodellen Zugriff auf Betriebsdaten zu gewähren. Im Finanzbereich ermöglichen diese Mechanismen beispielsweise ein präzises Abrechnen von Diensten, während sie beim Warten von Anlagen und Maschinen eine höhere Produktivität und längere Betriebszeiten begünstigen.

Mit zunehmender Integration von IT- und OT-Systemen steigt allerdings die Gefährdung durch Cyber-Bedrohungen. Cyber-Angriffe, die früher primär auf die IT abzielten, erstrecken sich nun auch auf OT-Systeme. Als Reaktion auf das erhöhte Sicherheitsrisiko hat die Europäische Union (EU) zusätzlich zu den IEC-62443-Normen den Cyber Resilience Act verabschiedet. Demzufolge müssen Original Equipment Manufacturer (OEM) ab 2027 sicherstellen, dass ihre vernetzten Systeme, Geräte und Maschinen den Vorschriften entsprechen, bevor sie auf den EU-Markt kommen. Ziel ist es, die Anfälligkeit für Cyber-Angriffe zu verringern und potenzielle Risiken durch sichere Software Updates auszuschließen.

Um solche sicheren Updates zum Beispiel über ein separiertes IIoT-Gateway zu gewährleisten, benötigen OEM keine gesonderte Hardware. Mithilfe von Systemkonsolidierung und Hypervisor-Technik lässt sich das Gateway auf demselben Multicore-Modul vollständig trennen und sicher implementieren. Es ist lediglich eine separate Instanz nötig, die nicht unter demselben Betriebssystem wie das Human Machine Interface (HMI) oder der Steuerung, sondern in einer isolierten Umgebung läuft. Sie fungiert als Sicherheitsinsel und trennt Daten und Anwendungen voneinander. Der Ansatz hilft dabei, die Hardwarekosten zu minimieren und gleichzeitig die Systemflexibilität und -zuverlässigkeit zu erhöhen.

Ein Implementieren der erforderlichen Software für das konsolidierte System kann allerdings deutlich komplexer sein als die Hardware-Konfiguration. So erweist sich das Entwickeln eines maßgeschneiderten Hypervisors für die Systemkonsolidierung oft als sehr herausfordernd, wenn sie unternehmensintern erfolgt. Das liegt daran, dass hardwarenahe Software eng mit der Embedded-Plattform verwoben ist und tiefgreifende technische Kenntnisse erfordert. In solchen Fällen kann die Expertise eines spezialisierten Partners wertvolle Unterstützung bieten.

Darüber hinaus fehlt vielen Unternehmen die interne Kompetenz, um passgenaue IT/OT-Konvergenzsoftware zu entwickeln. Standardlösungen erfüllen oft nicht die spezifischen funktionalen Anforderungen. Zudem hängt die Leistungsfähigkeit von Embedded-Systemen stark von standardisierten Hardwaredaten ab. Diese müssen für die IIoT-Software zugänglich und in Bezug auf Format, Übertragungsprotokoll und Maβeinheiten einheitlich sein. Beispielsweise können unterschiedliche Temperaturdaten – wie Kelvin oder Fahrenheit statt Grad Celsius – Betriebsstörungen verursachen. Um solche Probleme zu vermeiden, bietet es sich an, auf die Expertise von Embedded-Herstellern zurückzugreifen. Sie verfügen über tiefgreifendes Hardware-Know-how und können die nötigen Softwarebausteine für ein effizientes Monitoring bereitstellen.

Hierbei sollte die Software eine Vielzahl von Funktionen abdecken, darunter folgende:

• Fernüberwachung wesentlicher Hardwaredetails, zum Beispiel zu Modulidentifikation, Zustand, Spezifikationen oder Sensordaten
• Integration gängiger Kommunikationsschnittstellen wie I²C, GPIOs oder Ethernet
• Umfassendes Monitoring sowie sicherer Zugriff auf Embedded-Systeme, einschließlich Unterstützung von Sicherheitsprotokollen, Integration von Sensoren und Aktuatoren, Steuerlogik, Lifecycle-Management und historische Datenanalyse
• Anbindung an gängige Cloud-Dienste wie Azure und AWS, mit Optionen für On-Premises-Clouds zum Schutz kritischer Geschäftsdaten
• Echtzeit-Kontrolle über Edge-Geräte mit Fernverwaltungsfunktionen

Mit einer robusten, sicheren und zuverlässigen IIoT-Verbindung erhalten Unternehmen Echtzeiteinblicke in sämtliche Gerätedaten und Sensormesswerte. Zu den weiteren Vorteilen zählen eine zuverlässige Datenverarbeitung, verschlüsselte Verbindungen mit autorisiertem Zugriff sowie die Möglichkeit, Maschinen in Echtzeit zu steuern. Anfallende Wartungskosten lassen sich durch minimalen Vor-Ort-Service für Routineaufgaben und Updates reduzieren. Eine prädiktive Wartung bietet zusätzlich die Chance, Maschinenausfallzeiten im Vergleich zu festen Wartungsintervallen zu verringern – unabhängig davon, ob sie auf künstlicher Intelligenz (KI) basiert oder nicht.

Mit aReady.VT für die Systemkonsolidierung und aReady.IOT für die IIoT-Anbindung möchte Congatec diese Anforderungen erfüllen. Mit der Virtualisierung über aReady.VT ermöglicht es das Unternehmen Entwicklern, Funktionen, die zuvor mehrere dedizierte Systeme erforderten, auf einer einzigen Hardware-Plattform zu konsolidieren. Beispielsweise können Entwickler den „IIoT Connector“ für die IT/OT-Konvergenz über eine dedizierte virtuelle Maschine auf demselben COM integrieren, welches auch die Anwendung hostet.

Aufgrund der reduzierten Systemanzahl können Embedded-Computing-Anwendungen Größe, Gewicht, Leistungsaufnahme und Kosten einsparen. So unterstützt aReady.VT die gesamte Bandbreite von Congatecs x86 COMs, von Low-Power-Modulen bis hin zu leistungsstarken Server-on-Modules (SOMs). Diese Systemkonsolidierung verkürzt die Markteinführungszeit und optimiert die Systemfunktionen.

Weiterhin bietet aReady.IOT applikationsfertige Software-Bausteine, die Entwickler flexibel entsprechend den benötigten Funktionen kombinieren können (Bild 2). Die IoT-Software- und Hardware-Bausteine sorgen für eine nahtlose Kommunikation und Datenübertragung zwischen verschiedenen Systemen und Geräten. Hierdurch können Unternehmen ihre Produktionsprozesse optimieren, die Effizienz steigern und Kosten senken. Entscheidend ist, dass aReady.IOT intrinsische Sicherheitsfunktionen integriert, um sensible Daten vor Cyber-Bedrohungen zu schützen und die Betriebsintegrität zu wahren.

Das Funktionsspektrum von aReady.IOT eröffnet viele Möglichkeiten: Benutzer können aus der Ferne auf umfangreiche Geräteinformationen zugreifen, darunter Seriennummern, Softwareversionen, Spannungswerte und Temperaturen. Außerdem erlaubt aReady.IOT die Abfrage von Statuswerten angeschlossener Peripheriegeräte und Sensoren, die Metriken wie Beschleunigung, Druck oder Vibrationen erfassen. Neben einem umfassenden Monitoring bietet aReady.IOT die Möglichkeit zur Fernsteuerung, sodass Nutzer den Betrieb von Geräten aus der Distanz kontrollieren können.

Um Daten und entsprechende Informationen möglichst anschaulich und intuitiv darzustellen, dienen Dashboards oder digitale Zwillinge. Sie bieten zudem eine interaktive Repräsentation des Gerätestatus. Mit aReady.IOT können Unternehmen ihre Prozesse automatisieren und damit Abläufe optimieren. Die Technologie hinter aReady.IOT basiert auf der bewährten Expertise von Arendar, einem Unternehmen, das Congatec 2023 übernommen hat. Ein zentraler Vorteil von aReady.IOT ist, dass Entwickler die IIoT-Anbindung nicht mühsam von Grund auf neu programmieren müssen. Stattdessen können sie diese bequem über ein Webinterface parametrieren.

Mehrere Aufgaben auf einem COM zusammenführen

Ein beispielhaftes Szenario ist das Implementieren eines Roboterarms mit einer stereoskopischen Kamera zur Objekt- und Lageerkennung. Das System konsolidiert verschiedene Aufgaben, ohne diese unter einem einzigen Betriebssystem zu vereinen. Stattdessen kommen dedizierte virtuelle Systeme für die Echtzeitsteuerung, das HMI, die KI-gestützte Objekterkennung sowie eine IIoT-Verbindung für die sichere IT/OT-Konvergenz zum Einsatz.

Diese Konfiguration eröffnet Möglichkeiten wie eine prädiktive Wartung und innovative Geschäftsmodelle wie Robot-as-a-Service (RaaS). Mit der Systemkonsolidierung lassen sich die verschiedenen Aufgaben auf einem einzigen COM zusammenführen, während sie durch einen Hypervisor logisch getrennt bleiben. So reduziert der Ansatz die Anzahl der benötigten Systeme, maximiert die Ressourcennutzung, verringert den Platzbedarf und den Verkabelungsaufwand und senkt damit die Gesamtsystem- und Installationskosten. Gleichzeitig erhöht sich die Zuverlässigkeit des Systems.

Im Rahmen seiner aReady.COM-Strategie bietet Congatec aReady.VT und aReady.IOT als anwendungsfertige oder kundenspezifisch konfigurierte Pakete an (Bild 3). Die aReady.COMs beinhalten vorkonfigurierte Hypervisor-, Betriebssystem- und IIoT-Software-Bausteine. Entwickler können die individuell konfigurierten aReady.COM-Module unmittelbar booten und anschließend ihre Applikationen installieren.

Alternativ können sie den Schritt überspringen und die Auslieferung fertiger Images mit vorinstallierter Anwendungssoftware an Congatec delegieren. In diesem Fall sind die Module sofort einsatzbereit und lassen sich direkt vor Ort installieren. Mit dem Ansatz können Unternehmen Arbeitsabläufe vereinfachen, die Lieferkette optimieren und den Aufwand für die Lagerhaltung reduzieren.

Unabhängig vom gewählten Integrationsgrad erleichtern aReady.COMs das Implementieren verschiedener IIoT-Funktionen in Embedded- und Edge-Computing-Systeme unterhalb der Anwendungsebene, indem sie die Komplexität minimieren. (ts)