Warum ist eine gesamtheitlich abgestimmte Architektur der OT/IT-Integration so wichtig? Gerade die Optimierung der Rechenleistung, der Speicherkapazitäten, der Bandbreiten und der End-to-End-Konnektivität von Edge-Computing-Umgebungen kann erhebliche Herausforderungen mit sich bringen. Hinzu kommen die Anforderungen neuer Technologien, insbesondere der künstlichen Intelligenz.

Um für die Zukunft gerüstet zu sein, sind nicht nur Embedded-Computer-Hardware, Automatisierungssoftware sowie anpassbare und sichere Konnektivitäts-Tools vonnöten, sondern auch der Zugriff auf hochspezialisiertes technisches Wissen aus der IT- und Embedded-Computing-Welt. Für viele, vor allem kleinere und mittelgroße Maschinenbauer, ist dies eine enorme Herausforderung. Deshalb adressiert Kontron diese  Anwendergruppe mit einem ganzheitliche Digitalisierungsansatz.

Die Bestandsaufnahme

Das Software-Tool verbindet die Fertigung (OT) mit den IT-Systemen, um die Produktion gezielt zu steuern und damit Kosten zu sparen.

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Ganz zu Beginn steht die enge Zusammenarbeit mit den Industrie-4.0-Spezialisten von Kontron und des Mutterhauses S&T, die den Kunden dabei helfen, klar zu definieren, warum und wie die digitale Transformation für ihr Unternehmen von Vorteil sein kann. Erst dann werden gemeinsam die spezifischen Maßnahmen und Zeitpläne vereinbart, um die definierten Ziele zu erreichen. Dieser Ansatz hilft dem Kunden, die Effizienz zu steigern und Kosten einzusparen, indem bestehende Prozesse optimiert werden durch die Interaktion von Mitarbeitern, Geräten und Systemen im Rahmen gemeinsamer Arbeitsabläufe.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Erschließung neuer Wertschöpfung durch die optimale Nutzung vorhandener und neuer Datenquellen. Dafür ist der Einsatz eines Geräte-Management-Portals und benutzerfreundlicher Dashboards unverzichtbar. Sie ermöglichen eine ganzheitliche Überwachung und Berichterstattung in Echtzeit. 

Konnektivität ist entscheidend

Vernetzung von Datenschnittstellen in Bestands- und Neuanlagen über das Software-Tool FabEagle connect.

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In technologischer Hinsicht ist eine offene und flexible Konnektivitätslösung das A und O: Erst so wird eine effiziente Datenerfassung, -übertragung und -analyse am Edge in Echtzeit möglich. Eine nahtlose Verknüpfung von neuen und auch älteren Maschinen mit IT-Systemen erlaubt zudem das schnellere Erstellen eigener IoT- und Cloud-Anwendungen. In der Folge können die Unternehmen auch eher Mehrwert schaffen, etwa indem sie Dienstleistungen wie Predictive Maintenance einführen können.

Entscheidend hierbei ist, Netzwerk-Tools mit gängigen Industrie-4.0- und IoT-Schnittstellen zur Verfügung zu stellen. Es sollte also eine Software-Plattform in Betracht gezogen werden, die eine größere Auswahl an Standard-Protokollen und Schnittstellen bietet. Dies vereinfacht einerseits die Übertragung von Daten aus der Fertigung für SCADA-, MES- und Big-Data-Anwendungen in der IT über REST, MQTT, FTP, TCP/IP oder AMQP. Gleichzeitig lassen sich Sensoren, SPS-Steuerungen und Edge Computer über Feldbusse wie CAN, Profibus und TSN sowie über Protokolle wie etwa OPC UA leichter vernetzen. Vorteilhaft ist auch, eine Kompatibilität zu weit verbreiteten Steuerungen – Siemens, Beckhoff und Omron – zu gewährleisten sowie die Möglichkeit, kundenspezifische Schnittstellen zu programmieren.

Ein weiteres Thema im Zusammenhang mit der Konnektivität ist die Reduzierung von Jitter und Latenzzeiten bei der Anbindung von Steuerungssystemen. Dabei werden die Vorteile von Time Sensitive Networking (TSN) zunehmend erkannt und genutzt. Die Kosten für eine TSN-Anbindung reduzieren sich durch die integrierte TSN-Funktionalität in den neuen Prozessoren von NXP oder Intel. Die Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation bieten beispielsweise einen 2,5-Gbit-TSN-Port, der neueste Intel-Atom-Prozessor einen  1-Gbit- TSN-Port. Dadurch ist es mittlerweile sehr einfach, TSN-Konnektivität zu nutzen, wobei außer für einen Switch keine zusätzlichen Kosten anfallen. Im Zuge der laufenden Erweiterung des TSN-Standards verfügt Kontrons kürzlich aktualisiertes TSN-Starterkit nun über IEEE 802.1Qbu- und 802.1CB-Funktionalität, was Latenz und Jitter reduziert sowie redundante Frame-Übertragung für ausfallsichere Verbindungen garantiert.

Eine wichtige Rolle spielen natürlich auch noch die Switches selbst. Diese sind wesentliche Bausteine für erfolgreiche Anwendungen im Bereich Industrie 4.0 und IIoT. Deshalb hat Kontron seit kurzem eine ganze Produktlinie an industriellen Ethernet-Switches in sein Portfolio aufgenommen, darunter unmanaged, managed und Power-over-Ethernet(PoE)-Varianten für Fast- und Gigabit-Netzwerke. 10-Gigabit-Lösungen sind für die Zukunft geplant.

Das Potenzial von KI erschließen

Kontrons AI-Plattform bestehend aus einem M.2-Modul mit Google-Coral-Beschleuniger-Chip für das Software-Ecosystem TensorFlow Lite auf einem 2,5-Zoll-pITX-Single-Board-Computer von Kontron mit einem NXP-i.MX8M-Prozessor.

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Gerade die Qualitätsprüfung und Predictive Maintenance greifen auf Edge-basierte AI-Anwendungen wie Machine Vision und Machine-/Deep-Learning zurück. Systementwickler brauchen hierfür sowohl AI-Inferenz- als auch Trainingslösungen. Sie helfen bei der Skalierung von Fertigungslösungen und können in kürzester Zeit ungenutzte Daten analysieren, um eine schnelle und äußerst präzise Entscheidungsfindung zu ermöglichen.

Eine der spannendsten Neuentwicklungen im Embedded-AI-Bereich ist eine kompakte AI-Plattform auf Basis des pITX/2,5-Zoll-SBC-Formats mit NXP-i.MX8M-Prozessor und Google-Coral-Edge-TPU auf einem M.2-Modul. Sie integriert alle Google-TensorFlow-Lite-Anwendungen – die von Google kostenfrei zur Verfügung gestellt werden – und ermöglicht so eine einfache Entwicklung von kundenspezifischen AI-Anwendungen. Mit bis zu 4 TOPS (Trillion operations per second) sorgt sie außerdem für eine High-Speed-Bild- und -Videodatenverarbeitung, wobei die TPU (Tensor Processing Unit) auf eine Geschwindigkeit von 30 Bildern/s beschleunigt – fünfmal schneller als bei Anwendungen mit einfachen USB-Kameras ohne TPU.

Damit eignet sich die Plattform für verschiedene Machine-Vision-Anwendungen ebenso wie für Predictive Maintenance. Egal, ob es sich dabei um die Überwachung des Werkzeugverschleißes oder den Zeitverlauf des Leistungstrends von Maschinen handelt. Aber auch die 11. Generation der ‚Intel Core i Prozessoren‘ ermöglicht intelligentes Edge Computing mit integrierter AI-Beschleunigung. Basierend auf Intel Advanced Vector Extensions 512, bringen die ‚Intel DL Boost Vector Neural Network Instructions‘ eine signifikante Verbesserung der Performance durch die Kombination von drei Befehlen in einem. Dadurch werden die Rechenleistung maximiert, der Cache besser genutzt und mögliche Engpässe bei der Bandbreite vermieden.

Die Optimierung machts

Norbert Hauser ist Vice President Marketing bei Kontron.

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Der Erfolg der digitalen Transformation im Rahmen der Industrie 4.0 hängt also in hohem Maße von verwertbaren Daten und der Qualität der Integration von OT und IT ab – vom Sensor bis zur Cloud. Damit ist die Optimierung von Edge-Computing-Umgebungen von entscheidender Bedeutung. Ein umfassender Ansatz für End-to-End-Lösungen wird immer wichtiger, damit Maschinenhersteller und Entwickler leichteren Zugang zu bewährter Hardware, Software und Netzwerk-Tools sowie zu erfahrenen Industrie-4.0-Spezialisten haben, die sie unterstützen und beraten können. Die Lösungsansatz von Kontron – mit SUSiEtec bezeichnet – beinhaltet in diesem Kontext Standard- und kundenspezifische HW/SW-Produkte und Services wie Beratung, Implementierung, Support und Lifecycle Management.