Edge Computing

Andreas Mühlbauer,

Dezentrale Datenverarbeitung

Die zentrale Datenverarbeitung in einer Cloud ist für manche Anwendungen zu unflexibel oder auch zu langsam und zu unzuverlässig, wenn es um zeitkritische Operationen geht. Dezentrales Edge Computing kann hier Abhilfe schaffen und die Lücken schließen.

Edge-Systeme können Daten untereinander austauschen, ohne auf eine zentrale Steuerung angewiesen zu sein. © Actyx

Cloud-Computing gilt als zentrales Element der Smart Factory. Unmengen an Daten lassen sich transferieren und auswerten, Speicherkapazitäten und Rechenleistung lassen sich flexibel und praktisch beliebig skalieren. Für viele Anwendungsszenarien reduziert die Cloud die Komplexität. Doch schnell wurden auch die Limitationen der Technologie offensichtlich. Gerade bei der Verarbeitung von Daten aus Echtzeitsystemen, in denen große Datenmengen in kurzer Zeit sehr zuverlässig ausgewertet werden müssen, hat die Cloud ihre Grenzen.

Diese Limitation ist besonders kritisch für Anwendungen, die Produktionsprozesse digitalisieren und aktiv steuern. Software, die koordiniert, wann Material an die Maschine geliefert werden soll, oder im laufenden Prozess analysiert, ob ein Bauteil Defekte aufweist, muss zuverlässig funktionieren. Eine Steuerung zentral aus der Cloud birgt die Gefahr, dass die Software aufgrund einer langsamen oder abgebrochenen Internetverbindung nicht mehr funktioniert. Je mehr Software in der Fabrik genutzt wird, desto wichtiger ist es, dass der zentrale Server zuverlässig erreichbar ist. Zudem steigt die Komplexität überproportional an, je mehr Logik und Daten über den zentralen Server laufen. Dies macht Erweiterungen und Anpassungen aufwendig und die Wartung des Systems schwierig. Diese Eigenschaft haben zentrale Systeme generell, ob Cloud oder On-Premise.

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Um diese Grenzen zu überwinden, bedarf es eines technischen Paradigmenwechsels: dezentrales Edge-Computing. Darin gibt es kein zentrales Gehirn, das System baut sich vielmehr aus vielen unabhängigen, dezentralen Entitäten auf, die selbstständig Entscheidungen treffen können und direkt miteinander Informationen austauschen und sich koordinieren. Die dezentralen Entitäten können zwar auch weiterhin mit zentralen Gehirnen Informationen austauschen, zum Beispiel um Prioritäten zu erfassen, benötigen aber keine ständige Verbindung, um zu agieren. Die Komplexität des zentralen Gehirns wird dadurch erheblich reduziert, und Entscheidungen werden schnell und zuverlässig dezentral getroffen.

Übertragen auf die IT-Welt bedeutet das, dass Daten lokal gespeichert und Logik lokal auf Edge-Computern wie Industrie-PCs, Scannern, Gateways oder Tablets ausgeführt wird. Die Kommunikation erfolgt direkt zwischen den Edge-Computern im lokalen Netzwerk. Zentrale Message Broker oder Datenbanken sind nicht mehr notwendig. Im Industriebereich ist das Edge Computing noch nicht weit verbreitet, dabei bietet es besonders für Fabriken eine attraktive Lösung. Der Ansatz verspricht höhere Verfügbarkeit und hohe Flexibilität. Es gibt keinen Infrastruktur-Overhead durch zentrale Instanzen, und weitere Geräte lassen sich in das Netzwerk einbinden. Die Software wird direkt auf ihnen installiert.

Günstige Hardware

Zurzeit ist ein guter Zeitpunkt für den Einstieg in dezentrales Edge Computing, da einige Entwicklungen der letzten Jahre den breiten Einsatz nun ermöglichen. Eine dieser Entwicklungen ist die massive Reduktion der Kosten für leistungsfähige Hardware. Da die Software beim Edge Computing lokal auf Endgeräten ausgeführt wird und Daten auch dort gespeichert werden, braucht es leistungsstarke Geräte. Industrietaugliche Tablets und Gateways sind deutlich günstiger geworden und mittlerweile für niedrige dreistellige Beträge zu erwerben.

Eine weitere Entwicklung ist ein Trend des modernen Internets: das dezentrale Rechnen. Hierbei werden Computer zu einem Netzwerk verbunden, Daten werden direkt „peer to peer” ausgetauscht und Berechnungen ausschließlich dezentral ausgeführt. Der Ausfall eines Computers führt nicht zum Ausfall des Gesamtsystems. Dezentrale Systeme sind hoch ausfallsicher und hochskalierbar. Blockchains nutzen diese Architektur, um dezentrale Entscheidungen zu treffen. Open-Source-Technologien aus der Blockchain-Welt vereinfachen es mittlerweile, dezentrale Systeme aufzubauen.

Neue Softwareplattform

Damit möglichst viele Unternehmen Industrie-4.0-Anwendungen nutzen können, hat Actyx auf dieser Architektur die Software Plattform ActyxOS entwickelt. Das Ziel ist es, Entwickler bei der Digitalisierung von Prozessen zwischen Maschinen, Robotern und Menschen produktiver zu machen. Die Plattform stellt die Infrastruktur, damit eine Fabrik digital arbeiten und die Vorteile des Edge Computing nutzen kann. Sie kümmert sich automatisch um das Verteilen und Speichern von Daten zwischen den Edge-Computern und bietet integrierte Entwicklerwerkzeuge zur schnellen Implementierung von Apps auf der Plattform. Da die Anwendungsbeispiele für das System im Produktionsprozess vielfältig sind, kooperiert Actyx mit IT-Experten aus verschiedensten Bereichen.

Die Zukunftsvision ist ein Marktplatz für das produzierende Gewerbe, bei dem Anlagenbetreiber Apps von der ActyxOS-Plattform herunterladen. Durch eine Kooperation mit dem italienischen Softwarehersteller Alleantia lassen sich bereits Maschinen per App in den Prozess einbringen. In Zukunft sollen weitere Apps zur Nachverfolgung von Produkten, Werker- assistenz auf mobilen Endgeräten oder auch Cloud-Einbindungen per App-Installation möglich sein. Über die Apps lassen sich Daten zudem in Cloud-Systeme übermitteln. Besonders für aufwendige, weniger zeitkritische Datenanalysen oder eine langfristige Datenspeicherung ist die Cloud die bessere Option. Um das volle Potenzial von Industrie-4.0-Anwendungen auszuschöpfen, braucht es eine Zusammenführung beider Welten. Max Fischer, Mitgründer von Actyx 

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