IIoT richtig implementieren
IIoT-Plattform: Planung und Entwicklung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Aufbau und Betrieb
Eine Cloud-Umgebung bietet beim Aufbau und Betrieb einer IIoT-Plattform erkennbare Vorteile. Sie ist global skalierbar und passt sich dadurch den Anforderungen des Anwenders flexibel an. Da die Kosten abhängig von der Nutzung sind, können Betreiber mit einem kleinen Setup beginnen. Die Umgebung wächst mit dem steigenden Bedarf mit. Dadurch entstehen anfangs nur geringe Kosten, und es sind auch keine Vorabinvestitionen nötig. Weitere Vorteile einer Cloud sind ihre hohe operative Qualität und Agilität. Dies ermöglicht bei IIoT-Projekten flexible Entwicklungs- und Bereitstellungszyklen für Micro-Service-Architekturen. Für einzelne Micro-Services kann die Bildung kleinerer Teams erfolgen, die mit Hilfe der richtigen Abläufe und Werkzeuge schnell, unabhängig und häufig Dienste bereitstellen. Wer eine erfolgreiche IIoT-Plattform etablieren will, investiert frühzeitig in die Automatisierung von Abläufen für die Entwicklung und den Betrieb der Plattform. Sowohl für die gemeinsame Nutzung als auch für eine gezielte Abtrennung von Micro-Services durch verschiedene Teams haben Cloud-Anbieter spezielle Dienste im Portfolio. Beispielsweise lässt sich mit dem AWS Well Architected Framework flexibel definieren, wie Teams auf demselben Cluster, in derselben Virtual-Private-Cloud oder mit demselben Konto agieren. Ferner dient der Dienst zum Etablieren von Standards für Entwicklungszyklen, verwendete Werkzeuge oder Design-Frameworks. Plattformübergreifende Zertifizierungen für Patches und Wartungsaufgaben sowie feste Test- und Bereitstellungsroutinen entlasten die Teams und schaffen so den nötigen Freiraum, um neue Lösungswege auszuprobieren.
Zu den Hauptaufgaben einer IIoT-Plattform zählen das Erfassen, Zusammenführen und Verarbeiten von Daten aus verteilten Industrieanlagen. Gleichzeitig müssen die Datenquellen der Plattformnutzer eingebunden sein. Möglich ist das durch die nahtlose Integration des Plattform-Betriebssystems und der angebundenen Geräte. Dieser Aspekt ist gerade im Hinblick auf die IT-Sicherheit wichtig. Das IoT-Gerät übermittelt seine Daten im einfachsten Fall direkt an die Cloud-Plattform. Diese agiert als Empfänger, interpretiert und verarbeitet die Informationen. Falls mehrere Geräte mittels Gateways angebunden sind, sollte die IIoT-Plattform zwischen den Datenquellen unterscheiden können. Erschwert ist die Datenverarbeitung, wenn sich hinter einem Gateway ein weiteres Gateway befindet. Fortgeschrittene Plattformlösungen beherrschen den Umgang mit verschiedenen Hierarchien aus Datenquellen, Gateways und deren Mischformen. Bei komplexen Gerätetopologien muss die IIoT-Plattform Unterstützung für unterschiedliche Protokolle bieten. So nutzt die AWS-Cloud intern das offene Maschine-zu-Maschine-Protokoll MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) zur Datenübermittlung von IoT-Geräten zur Cloud. Wahlweise steht eine HTTPS-Version zur Verfügung, die auf den Betrieb mit Firewalls ausgerichtet ist. Für die umgekehrte Richtung, also den Transfer von der Cloud zu den IoT-Geräten, sollte die IIoT-Plattform möglichst viele branchen- und gerätespezifische Protokolle beherrschen beziehungsweise neue einbinden können. Spezielle Cloud-Dienste wie AWS IoT SiteWise vereinfachen die Datenerfassung, Prozess- und Installationsmodellierung sowie die Berechnung industrieller Metriken – beispielsweise der Gesamteffektivität einer Produktionsanlage (Overall Equipment Effectiveness, OEE). Dabei lassen sich einzelne Sensoren, ein Fließband oder gar eine komplette Lieferkette modellbasiert darstellen und mit anderen Daten verbinden. Die automatisierte Überwachung und Analyse der Daten aus Industrieanlagen ermöglichen es, Ineffizienzen zu reduzieren sowie Ausfälle und Schäden vorherzusagen. Ein großer Vorteil der Ferndiagnose: Techniker müssen nur zum Einsatz kommen, wenn dies zur Schadens- oder Problembehebung notwendig ist. Für die Anbindung von Sensoren an eine IIoT-Plattform gibt es mehrere Möglichkeiten. Die erste liegt in der Ausstattung aller IP-fähigen Geräte mit einem internen Web-Server, der die Konfigurationsdaten enthält. Bei Geräten ohne DHCP-Zugang lässt sich die Basiskonfiguration über ein mobiles Endgerät aufspielen. Hierzu gehören etwa Automatisierungs-APIs zur weiteren Sensorintegration oder Schnittstellen gemäß dem Programmierparadigma REST (Representational State Transfer) für verteilte Web-Services. Eine weitere Methode ist die Verbindung des Sensors über eine USB-Schnittstelle. Techniker nutzen eine Web-Oberfläche aus der Cloud, die sie auf ihren Laptop laden. Die Verwendung des USB-Anschlusses ist nicht nur sicherer, sondern auch schneller und weniger fehleranfällig. Die dritte Herangehensweise besteht darin, ein Tool auf dem Laptop des Technikers mit dem IoT-Gerät und dem Cloud-Backend kommunizieren zu lassen. Hier kann die Übertragung der Basiskonfiguration zum Beispiel mittels UDP-Multicast oder eines anderen Ethernet-Protokolls erfolgen. Eine weitere Methode ermöglicht die Landing Zone. Hier schließt der Techniker die nicht-IP-fähigen Geräte über eine DHCP-Laborumgebung an, die nicht mit dem Produktionsnetzwerk verbunden ist. Die Geräte gelangen so zu einer Landing Zone im Cloud-Backend und erhalten ihre Konfiguration sowie eine eindeutige Geräte-ID.
Eine Cloud-Lösung für das IIoT kann mit dem Projekt skalieren, die Einbindung unterschiedlichster Datenquellen unterstützen, höherwertige Services für industrielle Anwendungen bieten und eine globale Präsenz ermöglichen. Daher sollten sich Projektverantwortliche rechtzeitig mit dem Potenzial einer Cloud-Lösung befassen.
Rostislav Markov ist Senior Consultant für Amazon Web Services.
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