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Das virtuelle Edge-Gateway

23. Januar 2023, 14:48 Uhr | Klaus-Dieter Walter
Das virtuelle Edge-Gateway
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Die Automatisierungstechnik hat Docker-Container zwar schon vor etlichen Jahren entdeckt. Aber welches Potenzial lässt sich mit diesem Virtualisierungskonzept tatsächlich heben?

Durch den Einsatz eines Edge-Gateways sind im direkten Umfeld von Maschinen und Anlagen unterschiedliche Digitalisierungsaufgaben effektiv lösbar. Zum einen könnten alle vorhandenen Steuerungen, die geeignete Schnittstellen besitzen – Modbus, Ethercat, Profinet, OPC UA und andere Ethernet- bzw. TCP/IP-basierte Lösungen -, als Datenquellen mit einer Edge-Gateway-Anwendung gekoppelt werden. Darüber hinaus lassen sich über zusätzliche IoT-Sensoren auch Baugruppen, Komponenten und andere Subsysteme ohne entsprechende Kommunikationsfähigkeiten mit einem solchen Gateway verbinden, um ein umfassendes OT-Datenbild für übergeordnete IT-Anwendungen zu erzeugen (siehe Bild 1).

Das virtuelle Edge-Gateway
Bild 1. Industrielle IoT-Anwendungen verteilen sich in der Regel über vier Schichten. Um eine durchgängige Datenintegration softwaretechnisch zu bewerkstelligen, sind Docker-basierte Konzepte eine gute Wahl. Docker-Container lassen sich im Verbund einsetzen und können untereinander über anwendungsbezogene APIs (Application Programming Interfaces) kommunizieren.
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Anwendungen, die auf einer Edge-Datenintegration basieren, erfordern in der Regel keine Spezialhardware. Vielfach reicht eine Linux- oder Windows-basierte Laufzeitumgebung mit jeweils einer USB- und Ethernet-LAN-Schnittstelle aus. Ältere, aber nach wie vor sehr weit verbreitete OT-Schnittstellen wie RS232, RS485 oder CAN werden bei Bedarf USB-basiert integriert. Ähnlich sieht es mit besonderen Funkschnittstellen aus.

Auf Grund dieser Minimalanforderungen eignen sich theoretisch unzählige IT-Systeme für den Einsatz als Edge-Gateway in der Automatisierung. Besondere Umweltbedingungen am Installationsort – Vibrationen, hohe Temperaturen, Staub, Spannungsschwankungen und weitere Störgrößen – schränken die Hardwareauswahl allerdings etwas ein.

Plattformunabhängig durch Virtualisierung

Das virtuelle Edge-Gateway
Bild 2. Durch eine Container-Engine mit integrierter Container-Laufzeitumgebung wird eine Rechnerbaugruppe zum Docker-Host, auf dem sich Anwendungen als einzelne Docker-Container ausführen lassen. Im Gegensatz zu anderen Virtualisierungstechniken beinhaltet ein Container kein eigenes Betriebssystem. Stattdessen wird das jeweilige Host-Betriebssystem genutzt. Daher sind die einzelnen Docker-Container relativ kompakt.
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In der IT-Welt hat sich für Anwendungen, die eigentlich nur eine CPU, Speicher und einfache Standardschnittstellen benötigen, die Hardware- beziehungsweise Systemvirtualisierung durchgesetzt. Im Laufe der Jahre wurden unterschiedliche Virtualisierungstechniken zur Schaffung virtueller Betriebsumgebungen entwickelt und in den Markt eingeführt. Weit verbreitet sind sogenannte Prozessorvirtualisierungen mit Hilfe eines Virtual Machine Managers (VMM). Dabei wird jeweils ein bootfähiges Betriebssystem zusammen mit den erforderlichen Anwendungen in einem Image zusammengefasst und unter der Regie des VMM auf einer Hardware ausgeführt. Je leistungsfähiger diese Hardware ist, desto mehr Images lassen sich auf dem Prozessor parallel ausführen. Da jedes Image ein eigenes Betriebssystem besitzt, ist allerdings der Ressourcenbedarf recht groß. Dieses Problem wurde durch die Entwicklung der Docker-Container-basierten „Plattformvirtualisierung“ gelöst. Dabei existiert auf einer Hardware auch nur ein einziges Host-Betriebssystem, das von allen Anwendungen gemeinsam genutzt wird. Dafür werden die einzelnen Anwendungen zusammen mit allen für den Betrieb erforderlichen Komponenten in aufgabenbezogene (Docker-Container-) Images integriert und auf der jeweiligen Host-Plattform quasi parallel ausgeführt. Die Docker-Container auf einem Host können über das Docker-Netzwerk sogar untereinander kommunizieren (siehe Bild 2).

Der Anbieter einer Docker-fähigen Hardware für Automatisierungsanwendungen sollte für das jeweilige Produkt allerdings die entsprechenden Voraussetzungen schaffen, indem eine zum Betriebssystem (Linux oder Windows) und Prozessorarchitektur (AMD/Intel, Arm) passende Container-Engine mit integrierter Container-Laufzeitumgebung (Container-Runtime) bereits ab Werk vorinstalliert ist oder die entsprechende Unterstützung für die nachträgliche Installation im Feld angeboten wird. Die betreffende Baugruppe wird durch diese Erweiterung zum Docker-Host. Auf einer solchen Docker-Host-Hardware kann der Anwender die benötigten Funktionen als Edge-Gateway-Anwendungen selbst hinzufügen, zur Ausführung bringen und auch jederzeit wieder entfernen. Aus dem Blickwinkel der Cybersecurity entstehen dadurch allerdings Schwachstellen, die auf jeden Fall eine geeignete Lösung erfordern.

Digitaler Zwilling mit Bluetooth-Daten

Eine beispielhafte Aufgabenstellung, die sich hervorragend mit einem Edge-Gateway-Docker lösen lässt, ist die Datenintegration von Zustandsdaten in einen digitalen Zwilling. Dieser dient in der Praxis als digitales Abbild einer bestimmten Maschine oder Anlage und enthält in der Regel alle relevanten Konstruktionsdaten sowie weitere technische Daten. Um mit Hilfe des digitalen Zwillings auch die erforderlichen Wartungsarbeiten planen zu können – etwa im Rahmen von Predictive-Maintenance-Aktivitäten – muss der digitale Zwilling einer Maschine oder einer Anlage kontinuierlich mit aktuellen Nutzungsdaten versorgt werden.

Zwei sehr große Herausforderungen bei einer solchen industriellen Datenerfassungsaufgabe sind die Datenqualität und die Investitionskosten durch die Installation zusätzlicher Maschinen- oder Anlagensensoren, um ein möglichst hochwertiges Datenabbild zu erhalten. Man kann hier sogar so etwas wie eine Kosten-Nutzen-Falle erkennen: Auf der einen Seite benötigt eine präzise Wartungsplanung viele Daten aus unterschiedlichen Sensoren für ein möglichst vollständiges Gesamtbild (gerade KI-basierte Lösungen erfordern in der Regel mehrdimensionale Sensordaten für das Deep Learning mit neuronalen Netzen). Andererseits verursachen die Sensoren selbst und besonders der Installationsaufwand für kabelgebundene Lösungen erhebliche Einstiegskosten.

Mit Hilfe eines Edge-Datenintegrations-Dockers lässt sich beispielsweise relativ kostengünstige IoT-Sensorik in eine Predictive-Maintenance-Anwendung einbinden, um mit Hilfe eines digitalen Zwillings ein hochwertiges Datenbild der jeweiligen Automatisierungslandschaft zu erhalten. Besonders geeignet sind Bluetooth-Low-Energy- (BLE-) Beacon-Lösungen. Sie sind ohne Funk-Spezialkenntnisse relativ einfach in einer Automatisierungsumgebung einsetzbar, sehr robust gegenüber Störungen und ermöglichen darüber hinaus auch eine Datenauthentifizierung.

 


  1. Das virtuelle Edge-Gateway
  2. Beispiel: BLE-to-MQTT Docker

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