Industrie-PCs

Andreas Mühlbauer,

Alle Tools an Bord

Die Vorteile von Edge-Anwendungen sind bekannt. Allerdings kann eine traditionelle SPS die anfallenden Daten nicht lokal vorverarbeiten. Mit Edge-PCs inklusive vor­installierter Software-Tools lassen sich IoT-Applikationen einfach umsetzen.

Die durchgängig grafische Programmierung verringert den Entwicklungsaufwand. © whiteMocca/shutterstock.com

Derzeit wird zunehmend diskutiert, ob sich Edge Computing für die industrielle Nutzung anbietet. Bei dem Konzept handelt es sich um eine dezentrale Computing-Infrastruktur, die nahe an der Datenquelle angesiedelt ist. Edge Computing löst die Herausforderungen des Cloud Computing für die produzierende Industrie, weil die Cloud-Anwendungen in die Applikationen verlagert werden. In der Office-IT hat sich Cloud Computing bereits in vielen Anwendungen durchgesetzt.

Zahlreiche dieser Einsatzbereiche – beispielsweise Datenanalyse und -speicherung – sind ebenfalls für die Fertigungsindustrie, also die Operational Technology (OT) relevant. In diesem Umfeld treten jedoch einige Herausforderungen in puncto Datenschutz und -sicherheit, Latenzzeit bei der Informationsverarbeitung, Datentransferraten sowie Kosten für Rechenleis­tung und Speicherplatz auf. Durch Edge Computing wird die Datenverarbeitung in die Nähe der Maschine und somit der Datenquelle gebracht. Aufgrund dieser Verlagerung der Cloud-Applikation an die Edge, also die Netzwerkkante, lassen sich derartige Problemstellungen bewältigen.

Dabei ist allerdings zu beachten, dass es nicht die eine Edge gibt, sondern eine Bandbreite von maschinennaher Edge bis zu Server-basierten Lösungen für ganze Produktionsstandorte möglich ist. Auch die tatsächliche Funktionalität der Edge-Anwendung unterscheidet sich von Applikation zu Applikation. Als typische Anwendungen der Edge seien die Datensammlung und -verdichtung, Daten(vor)verarbeitung und -analyse bis zur Nutzung künstlicher Intelligenz und Cloud-Anbindung genannt. Das Edge Computing ersetzt das Cloud Computing jedoch nicht, sondern ergänzt es. Edge und Cloud sind folglich Partner, wobei die Verteilung der Aufgaben auf die beiden Lösungen je nach Applikation variieren kann.

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Funktionalität des Edge-PCs. © Phoenix Contact

Offenheit als wesentliche Grundlage

Hinter der PLCnext Technology verbirgt sich eine offene Steuerungsplattform für die industrielle Automatisierungstechnik, die Teil eines kompletten Ökosystems ist. Das Ökosystem setzt sich aus folgenden Bestandteilen zusammen:

  • Die PLCnext Control als robuste Hardware in Form einer SPS oder eines Industrie-PCs, an die ein I/O-System angekoppelt werden kann.
  • Die Engineering- und Konfigurationssoftware PLCnext ­Engineer, welche die IEC 61131-3 unterstützt.
  • Der PLCnext Store als digitalem Marktplatz, von dem Software rund um die PLCnext Technology heruntergeladen werden kann.
  • Die PLCnext Community, die der Informationsbeschaffung und dem Austausch von Know-how über das Ökosystem dient.
Die Edge PSs von Phoenix Contact. © Phoenix Contact

Aufgrund der Offenheit der PLCnext Technology lasse nsich beliebige, in unterschiedlichen Programmiersprachen erstellte Kundenanwendungen in das Gesamtprojekt integrieren. Die Offenheit und Vollständigkeit des Ökosystems schafft somit die ideale Grundlage für Edge Computing im Fertigungsumfeld. Dabei bietet PLCnext bereits zahlreiche Vorteile:

  • Durch die Einbindung verschiedener Programmiersprachen reduziert sich die Entwicklungszeit.
  • Die am weitesten im Produktionsumfeld verbreiteten OT-Kommunikationsprotokolle, wie OPC UA, Profinet oder Modbus TCP, werden schon von der Hardware unterstützt.
  • Über Cloud-Koppler ist eine Proficloud- und Multicloud-Anbindung möglich.
  • Die Komponenten basieren auf einer Secure-by-Design-Entwicklung gemäß IEC 62443.
  • Kundenspezifische und Open-Source-Software lassen sich problemlos in die Gesamtapplikation einbinden.
  • Neue Apps lassen sich einfach über den PLCnext Store auf die Steuerung nachladen.

Vorverarbeitung der meisten Sensordaten

Der Markt für Edge-programmierbare Geräte befindet sich derzeit im Aufbau. Während die meisten Anbieter Edge-ready-Hardware zur Verfügung stellen, fehlen ihnen die integrierten Software Tools, die für die Erstellung eines einsatzbereiten programmierbaren Edge-Geräts benötigt werden. Deshalb sind die Edge-PCs von Phoenix Contact mit vorinstallierten Software-Tools ausgerüstet und so entwickelt worden, dass sich IoT-Anwendungen einfach und umfangreich umsetzen lassen. Aufgrund vorinstallierter Software Tools wie Node-Red, einer lokalen Time-Series-Datenbank sowie der unkomplizierten Anbindung an viele Cloud-Systeme – zum Beispiel die Proficloud von ­Phoenix Contact, Amazon Web Services, Microsoft Azure oder Google­ Coral – mit speziellen Nodes erweist sich die Realisierung von IoT-Applikationen als sehr einfach.

Edge Devices werden in der Regel an der Netzwerkkante eingesetzt. © Phoenix Contact

Der Edge PC verbindet die IT- und OT-Layer. Die Datenverarbeitung erfolgt am Rand des Netzwerks, anstatt große Datenmengen in eine Cloud zu senden, in der die Daten dann verarbeitet und bewertet werden müssen. Durch die Zielsetzung, Daten lokal und im Voraus auf dem Edge PC zu verarbeiten, reduziert sich die Bandbreitenauslastung des Netzwerks, während gleichzeitig eine schnellere Ausführung sichergestellt ist. Folglich lassen sich Verzögerungszeiten verringern. Einer traditionelle SPS kann Daten allerdings nicht vorverarbeiten. Daher entwickelt Phoenix Contact aktuell Edge PCs, die einen Großteil ihrer Sensordaten am Entstehungspunkt sortieren und vorverarbeiten.

Einbinden externer Anwendungen

Die neuen Edge PCs kombinieren die Robustheit eines bewährten Industrie-PCs mit der Offenheit der PLCnext Technology. Die Geräte, die mit einem Intel-Celeron-N3350-Dual-Core-Prozessor ausgestattet sind, bieten zahlreiche Schnittstellen. Dazu gehören zweimal Ethernet, zweimal USB und ein Display-Port sowie zwei serielle RS232-/RS485-Schnittstellen. Mit einem Arbeitsspeicher von 2 oder wahlweise 4 GB sowie einem Flash-Speicher von 32 GB mit einer optionalen 128-GB-m.2-SSD lassen sich auch Anwendungen entwickeln, die hohe Anforderungen an die Rechenleistung und den Speicherplatz stellen.

Der Edge-PC bietet sich als ideales Gerät für Edge-Anwendungen innerhalb der PLCnext Technology an © Phoenix Contact

Ein User-Interface, das sich über einen Webserver oder lokal über den Display-Port aufrufen lässt, erlaubt den Zugriff auf die vielen Funktionen des Edge PC. Der integrierte TPM-Chip (Trusted Platform Module) sorgt für die Integrität und Sicherheit der Kommunikation. Kundenspezifische Applikationen und Fremdanwendungen kann der Nutzer einfach über den digitalen Marktplatz PLCnext Store in die Lösung einbinden. Außerdem ermöglicht die Unterstützung von Docker oder Portainer das intuitive Implementieren und Managen von Containern und Volumes. Wegen der durchgängigen Nutzung von User-Interfaces und grafischen Programmierumgebungen kann der Anwender seine Edge-Applikation einfach entwickeln und anwenden.

Bandbreitenbedarfund Latenzen ­reduzieren

Eine Edge-Anwendung zielt unter anderem darauf ab, die Bandbreite des Netzwerks durch die lokale Verarbeitung der anfallenden Daten zu reduzieren sowie parallel deren schnellere Ausführung und damit eine geringere Verzögerungszeit sicherzustellen. Eine solche Applikation lässt sich mit einer traditionellen SPS nicht umsetzen. Der Anwender projektiert die Edge PCs hingegen zunächst in der gewohnten Engineering-Umgebung PLCnext Engineer. Daten lassen sich von allen gängigen Kommunikationsprotokollen – beispielsweise OPC UA, Modbus TCP/RTU oder Profinet – sammeln und im Node-Red einfach mit vorhandenen Nodes in der InfluxDB-Datenbank speichern. Über die grafische Oberfläche Chronograf lassen sich die Daten dann visualisieren und managen. Sie können hier verdichtet, Regeln aufgestellt und Alarme initialisiert werden. Die Möglichkeiten scheinen unendlich und passen sich optimal an die Anforderungen des Nutzers an. Aufgrund der Vielzahl von Nodes sowie der Verwendung von MQTT ist die Anbindung der Edge PCs an die Cloud problemlos realisierbar.  Daniel Korte, Technologiemanager PLCnext Technology, und Daniel Mantler, Produktmanager HMI/IPC, beide Phoenix Contact

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