Die vorherigen Beiträge dieser Artikelserie zeigten: Veraltete Infrastrukturen stoßen bei industriellen KI-Anwendungen zunehmend an Grenzen. Stattdessen ist eine spezialisierte "Edge-native"-Architektur erforderlich, um die Kluft zwischen IT und OT zu überbrücken. Kubernetes gewinnt dabei zunehmend an Bedeutung. Der dritte Teil behandelt nun den Übergang von der Cloud-Native-Theorie in die Praxis der Fabrikhalle.

Für Industrieunternehmen ist Kubernetes inzwischen nicht mehr nur ein Werkzeug für Webanwendungen, sondern eine zentrale technologische Grundlage für Software Defined Automation (SDA). Durch Entkopplen der Automatisierungs-Workloads von proprietärer Hardware können SDA-Hersteller die Einrichtungszeiten für neue Lösungen von neun bis zwölf Monaten auf nur ein bis zwei Wochen zu verkürzen. Die folgenden Praxisbeispiele zeigen, wie Industrieunternehmen verschiedener Branchen Kubernetes bereits einsetzen. Ziel war es dabei, die Verfügbarkeit zu erhöhen, Datensouveränität sicherzustellen und globale Prozesse über eine automatisierte Verwaltungsebene zu skalieren.

Cube Bikes: Hochverfügbarkeit in der Produktion

Cube Bikes, ein weltweit führender Fahrradhersteller, produziert täglich rund 4000 Fahrräder und vertreibt mehr als 400 Modelle in 67 Ländern. Um den dynamischen Anforderungen gerecht zu werden, wollte das IT-Team die Frequenz neuer Releases für geschäftskritische Dienste erhöhen. Gleichzeitig sollten Fehlerrisiken minimiert werden, die Produktionsprozesse beeinträchtigen könnten.

Das IT-Team war sich bewusst, dass Container helfen könnten, eine hohe Verfügbarkeit der Dienste zu erreichen. Das Unternehmen entschied sich für die Kubermatic Kubernetes Platform (KKP), um Kubernetes lokal bereitzustellen und zu verwalten. Zusätzlich nutzte Cube Bikes einen ‚Managed Service‘ von Kubermatic für Implementierung und Betrieb. Nach der Bereitstellung migrierte das Team seine Dienste schrittweise auf die neue Infrastruktur.

Durch die Umstellung auf eine hochverfügbare, containerisierte Umgebung reduzierte das Unternehmen den Wartungsaufwand auf etwa fünf Stunden pro Monat, sodass sich das IT-Team nun auf die Migration der verbleibenden Legacy-Dienste konzentrieren kann. Zudem lassen sich Releases und Updates automatisiert bereitstellen, ohne nächtliche Wartungseinsätze. Fehler durch Abhängigkeiten wurden reduziert, während die Infrastruktur flexibler, stabiler und leichter skalierbar wurde. Weitere Legacy-Dienste sollen schrittweise migriert werden.

Swisscom: Souveräne Cloud-Infrastrukturen

Swisscom wollte seinen bestehenden Container-Service zu einer Kubernetes-Plattform der nächsten Generation weiterentwickeln. Ziel war es, ein modernes und flexibles Kubernetes-Angebot für Private-Cloud-Kunden zu schaffen. Dieses sollte Datensouveränität garantieren und Swisscom die volle Kontrolle über Qualität und Zuverlässigkeit geben.

Swisscom konzipierte hierzu seinen neuen Kubernetes-Service als eine neue hochverfügbare Plattform auf Basis von Open-Source-Technologien. Zentrale Komponente ist die Kubermatic Kubernetes Platform, die Provisionierung und Orchestrierung der Backend-Dienste übernimmt. Zum Einsatz kamen unter anderem ein vollständiges Open-Source-Stack auf Basis der KKP mit Bare Metal, KubeVirt und Kube-OVN.

Die Automatisierung über die KKP unterstützte das Management des gesamten Cluster-Lebenszyklus, einschließlich Updates und automatischer Skalierung über zwei Regionen und drei Verfügbarkeitszonen hinweg. Durch de Einführung einer KubeVirt-Plattform lassen sich zudem virtuelle Maschinen nativ auf Kubernetes ausführen.

Swisscom führte auf dieser Basis einen CNCF-zertifizierten Kubernetes-Dienst mit Datenresidenz in der Schweiz ein. Die Plattform bietet Private-Cloud-Nutzern Self-Service-Funktionen und eine Leistung, die mit der globaler Hyperscaler vergleichbar ist, ohne eine starke Anbieterabhängigkeit zu erzeugen. Innerhalb von neun Monaten migrierte Swisscom rund 60 % seiner internen Workloads auf die neue Plattform. Dieser Erfolg wurde nun als erste CNCF-Referenzarchitektur veröffentlicht.

Chemieindustrie: Vernetzte Fertigungslinien absichern

Industrie-4.0-Konzepte verändern auch die chemische Fertigung. Unternehmen nutzen zunehmend KI-gestützte cyberphysische Systeme, um Produktionsprozesse in Echtzeit effizienter zu gestalten, Ressourcen besser auszunutzen und schneller auf Veränderungen zu reagieren.

In komplexen Industrieumgebungen besteht häufig die Herausforderung darin, mehrere Fertigungslinien miteinander zu vernetzen und gleichzeitig die Informationstransparenz sowie Wirtschaftlichkeit sicherzustellen. In einem Praxisbeispiel setzte ein Chemiehersteller die KKP mit mehreren Seed-Clustern ein, um Management- und Workload-Ebene voneinander zu trennen. Dadurch konnten große Datenmengen lokal verarbeitet und Entscheidungen in Echtzeit unterstützt werden.

Die Implementierung sicherte den ‚Digital Thread‘ vom zentralen Rechenzentrum bis zum OT-Edge weltweit und vereinfachte die Erweiterung der Infrastruktur. Gleichzeitig ließ sich die Verfügbarkeit der Produktionsumgebung erhöhen.

Ergebnisse aus der Praxis

Der praktische Einsatz von Kubernetes in der Fertigung führt zu einem Paradigmenwechsel weg von hardwareorientierten Silos hin zu Software-Defined Automation (SDA). Durch die Entkopplung der Steuerungslogik von proprietärer Hardware können Hersteller industrielle Workloads mit derselben Agilität und Geschwindigkeit verwalten wie moderne IT-Dienste.

Klassische industrielle Steuerungssysteme erfordern aufgrund proprietärer Hardware und manueller Prozesse häufig lange Vorlaufzeiten von neun bis zwölf Monaten. Durch Kubernetes lassen sich Anwendungen wie Manufacturing Execution Systems (MES) oder speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) containerisiert und standardisiert bereitstellen.

Eine einheitliche API über Cloud-, Rechenzentrums- und Edge-Umgebungen hinweg erleichtert die globale Verteilung von Anwendungen. Hinzu kommt automatisiertes Onboarding: Industrie-PCs können einfacher ausgetauscht werden, da Kubernetes die benötigte Software automatisiert auf neue Systeme verteilt-

Hohe Verfügbarkeit im Offline-Betrieb

Ein Risiko industrieller Edge-Umgebungen sind Netzwerk- oder Cloud-Ausfälle. Deshalb sind industrielle Kubernetes-Cluster häufig so konzipiert, dass wichtige Kerndienste lokal verfügbar bleiben. Dazu zählen etwa DHCP-, DNS- oder Registry-Dienste.

Zusätzlich helfen lokale Cache-Mechanismen dabei, kritische Anwendungen auch bei unterbrochener WAN-Verbindung zur zentralen Cloud weiter zu betreiben. Dadurch können Fertigungsprozesse autonom weiterlaufen. Das Beispiel Cube Bikes zeigt, wie sich durch eine hochverfügbare Container-Infrastruktur Ausfallzeiten bei Updates reduzieren lassen.

Kostensenkung durch Modernisierung

Viele Produktionsumgebungen arbeiten weiterhin mit proprietären Hypervisoren und älteren OT-Anwendungen. Technologien wie KubeVirt ermöglichen es, virtuelle Maschinen nativ neben modernen Linux-Containern auf derselben Kubernetes-Plattform auszuführen. Im Rahmen einer schrittweisen Modernisierung ermöglicht es die "Crawl-Walk-Run"-Strategie Unternehmen, Hypervisoren zu ersetzen und die Bereitstellung von VMs zu automatisieren. Workloads lassen sich in individuellem Tempo auf Container umstellen. Da das Kubernetes-basierte Management zudem schlanker ist als herkömmliche Virtualisierung, können Hersteller eine bis zu 20-mal effektivere Ressourcennutzung erzielen. Unternehmen können dadurch Anwendungen effizienter auf vorhandener Hardware betreiben.

Industrielles IoT und Echtzeit-Edge-KI

Für KI-Anwendungen in der Fertigung ist eine lokale Verarbeitung mit geringer Latenz erforderlich. Lokalisierte ModelOps ist eine Lösung. Kubernetes kann dabei als Plattform dienen, um containerisierte KI-Modelle direkt an Maschinen und Sensoren bereitzustellen. Ein deterministisches Ethernet minimiert Latenzzeiten.

Durch die Integration spezialisierter Gerätetreiber und Echtzeit-Linux-Kernel lassen sich zeitkritische Layer-2-Feldbusprotokolle wie Profinet oder Ethercat mit niedriger Latenz verarbeiten. Die lokale Verarbeitung großer Datenmengen ermöglicht zudem schnelle Entscheidungen im Millisekundenbereich zur Qualitätskontrolle oder Prozesssteuerung.

Zero-Trust-Sicherheit für den "Digital Thread"

Die Trennung von IT und OT führt häufig zu fragmentierten Sicherheitsstrukturen. Kubernetes unterstützt hier eine konsistente Zero-Trust-Architektur über zentrale Rechenzentren und Edge-Systeme hinweg.

© Kubermatic

Automatisierte Compliance, Sicherheitsupdates und die standardisierte Durchsetzung von Richtlinien über Tools wie Kyverno oder OPA stellen sicher, dass eine kompromittierte Kamera nicht mit der SPS oder anderen sensiblen Systemen kommunizieren kann. Ein zunehmend wichtigerer Aspekt ist die Datensouveränität: Lokale Persistent Volumes gewährleisten, dass sensible Telemetriedaten vor Ort zwischengespeichert werden. Auf diese Weise ist es möglich, strenge Residenzgesetze, wie die Schweizer Datenschutzgesetze für Swisscom, zu erfüllen, bevor die Daten mit der zentralen Cloud synchronisiert werden.

Die Praxisbeispiele zeigen, dass Kubernetes zunehmend auch in industriellen Umgebungen eingesetzt wird. Plattformen wie die Kubermatic Kubernetes Platform unterstützen Unternehmen dabei, bestehende Hardware zu modernisieren, ungeplante Ausfallzeiten zu reduzieren und eine moderne autonome Fertigungsumgebung aufzubauen, die von Grund auf resilient ausgelegt ist. 

Redaktion: Andrea Gillhuber