Embedded-Systeme Industrielle Edge-Plattform für digitale Services

Anbieter zum Thema

Fujitsu Technology Solutions GmbH

QUNIS GmbH

Fivetran Germany GmbH

Mit einer KBox-basierenden Lösung als Edge Device können Hersteller branchenübergreifend mehr Wissen aus Betriebsdaten generieren und Kunden helfen, Maschinen, Anlagen oder Geräte effizienter zu nutzen.

Neue digitale Services und Geschäftsmodelle in der Industrie basieren immer öfter auf intelligenter Datenanalytik am Edge. Das Consulting- und Entwicklungsunternehmen DAIM setzt für seine Edge-Plattform auf Kontron-Technologie. Mit einer KBox-basierenden Lösung als Edge Device können Hersteller branchenübergreifend mehr Wissen aus Betriebsdaten generieren und Kunden dabei helfen, Maschinen, Anlagen oder Geräte effizienter zu nutzen.

Die Entwicklung der Edge-Plattform beginnt vor einigen Jahren, als die uni software plus GmbH gemeinsam mit einem großen österreichischen Maschinenbauer deren Digitalisierungsstrategie erarbeitet. Ganz wichtig war dem Maschinenbauer, der weltweit rund 6.500 Mitarbeiter beschäftigt, einen Vendor Lock-in zu vermeiden, die Hand auf den Kosten zu behalten und vor allem hohe Sicherheitsstandards: Man wollte ein IoT-Gesamtsystem, das von Beginn an unter Security-Aspekten entwickelt wurde.

Wie bei den meisten Maschinenbauern hatte bis dato die Qualität des eigenen Produkts im Vordergrund gestanden, nun kam der Blick auf den Wert der Daten hinzu. „Eine Maschine kann Unmengen an Daten produzieren. Die Frage ist, welche die richtigen Daten sind, um vorhandene Fragestellungen zu beantworten“, sagt Michael Aichinger, CEO der uni software plus GmbH. Oft sei a priori unklar, ob sich die Daten verwenden lassen. Viele der guten Ideen, die aus dem Business kommen, müssen auch einer Rentabilitätsprüfung standhalten, damit zum Beispiel die Cloud-Kosten nicht den Profit übersteigen.

Moderne Technologien am Edge

In der Technologieauswahl setzte das Unternehmen auf die Innovationskraft im Open-Source-Umfeld. Basis war der Fokus auf die Daten, die im Maschinenbetrieb entstehen – und deren intelligente Analyse. Da Fabriken aus Sicherheitsgründen ihre Netzwerke meist nicht nach außen öffnen, ging es um die Erfassung, Vorverarbeitung und Auswertung der Maschinen- und Sensordaten direkt vor Ort, am sogenannten Edge. Aus dem Projekt entstand eine erfolgreiche Edge-Plattform, die auch anderen Marktteilnehmern aus unterschiedlichen Branchen zugänglich gemacht werden sollte.

Das Produkt DAIM-Edge-Computing-Plattform umfasst zum einen die Managementplattform, die in der Cloud-Infrastruktur des Kunden angesiedelt ist. Zum anderen gehört ein eigenes Edge-Device-Betriebssystem dazu, das auf einer kundenspezifischen Variante der KBox A-150 von Kontron läuft. Der industrietaugliche Box-PC KBox-150 ist insbesondere für den Einsatz in Feldbus-Um­gebungen, für die Prozesssteuerung sowie für industrielle Firewalls konzipiert. Die KBox-150 bringt viel Leistung bei geringem Strombedarf und eine Vielzahl an Schnittstellen für eine hohe Interoperabilität und Skalierbarkeit mit.

Auch der Einsatz in rauen Umgebungen ist damit möglich, für eine verlängerte Lebensdauer und hohe Verfügbarkeit im Temperaturbereich zwischen 0 und 50 °C sorgt ein lüfterloses, robustes Design. Das System übernimmt die zentrale Geräteverwaltung von Edge Devices und verbundenen Maschinen, ermöglicht Zustandsüberwachung, remote Software-Updates und die Datenlogistik am Edge. Basis ist eine flexible Microservice-Architektur auf Docker-Container-Technologie und einer Linux-Distribution.

Kontron übernimmt die Logistikprozesse

Da sich die Zusammenarbeit mit Kontron schon in der Plattform-Entwicklung bewährt hatte, sollte es auch bei der Vermarktung gemeinsam weitergehen. „Wir wissen vor allem die hohe Flexibilität zu schätzen, die Kontron bewiesen hat: Dass unser Part des Software Stacks schon in der Produktionsstraße im Kontron-Werk auf das Edge Device gespielt wird, um höchsten Sicherheitsanforderungen zu genügen, ist nicht selbstverständlich“, hebt Michael Aichinger hervor, der auch Geschäftsführer des Joint Venture ist. DAIM stellt dafür einen Installations-Server zur Verfügung, den der Elektronikhersteller bei sich vor Ort betreibt.

„Kontron ist ein wichtiger und verlässlicher Partner, der uns speziell beim Logistikprozess stark unterstützt, sodass wir uns mit Themen wie Lager und Logistik nicht selbst beschäftigen müssen. Wir können uns darauf verlassen, dass wir jederzeit eine schnelle Reaktion bekommen und uns mit jedem Thema an unseren designierten Ansprechpartner wenden können – das ist sehr hilfreich“, ergänzt Aichinger.

In der Produktion ist bei Data Analytics viel Luft nach oben

Die DAIM-Edge-Computing-Plattform gibt den Kunden ein Tool an die Hand, mit dem sie wiederum ihre Endkunden vernetzen können. Die Herausforderung für die Entwickler: Die Werkzeuge für die Datenanalyse müssen in ganz unterschiedlich aufgestellten Unternehmen einsetzbar und einfach nutzbar sein. Die Plattform ist sowohl in der Medizintechnik oder in der Automobilindus­trie im Einsatz, als auch bei kleineren Lohnfertigern, die oft im osteuropäischen Umfeld angesiedelt sind. Infrastruktur, Konnektivität und digitaler Reifegrad unterscheiden sich stark.

Trotz einer kontinuierlichen Optimierung in den letzten Jahrzehnten gibt es weiterhin noch viele Pain Points in der Produktion. „Die Maschinenbetreiber interessiert an erster Stelle die Qualität ihrer Endprodukte, niedrige Downtimes, ein möglichst geringer und vor allem planbarer Wartungsaufwand, ebenso wie die Reduktion von Ausschuss“, erklärt Aichinger. Für diese Aspekte sind heute Technologien wie Data Analytics, Machine Learning und der Digitale Zwilling entscheidend. Ein typischer Bottleneck in den Unternehmen sind die Ressourcen: Die Spezialisten, die zum Beispiel aufgrund ihrer langen Erfahrung einschätzen können, ob ein Prozess instabil läuft, können nicht überall sein. Hier erleichtern intelligente Tools die Arbeit der Experten und unterstützen bei einem breiteren Monitoring über viele Maschinen hinweg.

Einsparungen durch Prozessüberwachung

In der Praxis sieht das so aus, dass die Machine-Learning-basierte Datenanalyse beispielsweise automatisch Prozessfenster erkennen kann, in denen die Maschine stabil läuft und das Bauteil mit großer Wahrscheinlichkeit eine hohe Qualität aufweist.

Auch von den Endkunden kommt positives Feedback zu den neuen Services auf Basis der Edge-Plattform: Schließlich bedeutet Prozessstabilität auch eine Reduktion von Ausfällen und lässt sich als quantifizierbarer Vorteil gut messen. Zudem schlagen die schnellere Verfügbarkeit von Updates und die vereinfachte Maintenance deutlich zu Buche.

Remote Maintenance ist ein beliebtes Anwendungsszenario

Denn vor allem beim Update der Maschinen-Software bringt das Edge Device erhebliche Vorteile mit sich. Während sonst typischerweise die Maschine offline sein und ein Servicetechniker zur Maschine fahren muss, um neue Software vor Ort einzuspielen, ist das nun remote möglich und deutlich weniger (kosten-)aufwendig. Zudem ermöglichen die intelligenten Algorithmen am Edge Predictive Maintenance, beispielsweise durch eine Verschleißprognose mit Hilfe eines Abriebsensors.

Das Edge Device lässt sich beim Betreiber auch als Datenweiche nutzen: Die erhobenen Daten können an einen selbst definierten Endpunkt in der Cloud oder On-Premises weitergeschickt werden, um weitergehende Daten zu kombinieren oder um selbstgebaute Applikationen zu versorgen. Das Thema Data Analytics ist auch für immer mehr Maschinenbetreiber relevant. Wenn dafür keine eigenen Ressourcen vorhanden sind, bietet DAIM deren Entwicklung als fertiges Algorithmenpaket an: in Form eines Docker- Containers, der einfach auf das Edge Device gespielt wird.

Security by Design und Enablement

Einige Dinge sind den DAIM-Experten ganz besonders wichtig: „Unser Fokus liegt auf der Security und dem Enablement: Wir wollen den Kunden ermöglichen, ihre Lösungen selbst aufzusetzen und zu betreiben. Deshalb haben wir ein sehr offenes Ökosystem geschaffen“, sagt Aichinger.

Auch bei der Preispolitik setzt das Unternehmen auf Transparenz und Fairness, will bewusst nicht wie manch andere Anbieter am Revenue beteiligt sein und arbeitet stattdessen mit einem sehr transparenten Lizenzmodell.

Der starke Fokus auf „Security by Design“ schützt vor Schadcode und Angriffen von außen und sorgt für den Schutz von sensiblen Daten. Dafür wird die Verschlüsselung per Linux Unified Key Setup (LUKS) und AES256 genutzt. Um Manipulation zu verhindern, ist ein TPM 2.0 Chip im Einsatz. „Auch der Logistikprozess und das Onboarding sind Teil des ausgefeilten Sicherheitskonzepts. Schon innerhalb der Kontron-Produktion wird für jedes Edge Device ein spezifisches Hardwarezertifikat für die Registrierung beim Kunden im Onboarding-Prozess erstellt“, erläutert Stefan Kriechbaumer. Autorisierung und Authentifizierung erfolgen durch x509 Zertifikate, jegliche Kommunikation wird per TLS verschlüsselt. Auf dem Edge Device werden nur kryptographisch signierte Software, Container und Konfigurationen zugelassen, um das System vor Manipulation und Schadsoftware zu schützen. Für kontinuierliche Sicherheit sorgen regelmäßige Sicherheitsaudits durch unabhän­gige Sicherheitsberater, aber auch durch universitäre Forscher.

Kunden können eigene Steuerungen und Treiber integrieren

Die Lösung bedient ein breites Maß an Protokollen und Backend-Systemen – das ist wichtig, weil die Infrastruktur oft individuell ist. Häufig gibt es rund um eine Maschine als Kernstück einer Produktionszelle viele Peripheriegeräte und Sensoren, oft mit Standardschnittstellen, die ebenfalls unterstützt werden müssen. „Am Ende möchte der Endkunde nicht nur seine Maschine, sondern die ganze Zelle vernetzen und alle Daten kombinieren“, erklärt Aichinger. Vielfach sind bereits spezialisierte Schnittstellen vorhanden, die mehr Daten auslesen können als Standard-Interfaces. Das Edge Device gibt Maschinenbetreibern die Flexibilität, auch eigene Maschinensteuerungen und Treiber zu integrieren.

Die Einführungszeit und Integration des Edge Device und der Plattform bei neuen Kunden, einschließlich Anpassung an individuelles Spezial-Know-how sowie Prozesse, schätzt Aichinger auf drei bis sechs Monate. Da sämtliche Audits und die Entwicklung gemäß Security by Design von Beginn an mit der Hardware von Kontron umgesetzt wurden, empfehlen die DAIM-Experten deren Einsatz. Den Vertrag über die Hardware schließen die Kunden dann direkt mit Kontron ab.

Auch künftig soll die enge Zusammenarbeit fortgesetzt werden. Zum einen ist geplant, die aktuelle Lösung um Funktechnologie zu erweitern und das Edge Device mit einem integrierten LTE-Modul anzubieten. Zum anderen gehen die Experten davon aus, dass AI und Machine Learning immer weiter Einzug in die Unternehmen halten. „Wir wollen perspektivisch die Rechenleistung weiter erhöhen, um auch noch aufwendigere Modelle am Edge rechnen zu können. Dafür ist der Einsatz von Grafikchips für leistungsintensive Anwendungen im Gespräch“, fasst Michael Aichinger zusammen.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal ElektronikPraxis.

(ID:48413477)