Als Edge Computing wird die dezentrale Datenverarbeitung am Übergang von der Produktion zur IT Enterprise Welt bezeichnet. Und seit Jahren gibt es auch schon Lösungen für dieses Thema – schnell kamen insbesondere proprietäre Lösungen zum Tragen, die allerdings der Interoperabilität einer Industrie 4.0 entgegenstehen.

Das RAMEC-Modell des Edge Computing Consortium Europe.

© Fraunhofer Fokus

Das ist einer der Gründe, warum sich neben dem Edgecross Consortium zusätzlich Ende 2019 mehrere internationale Firmen, auch aus China, zum European Edge Computing Consortium (EECC) zusammengeschlossen haben. Bei dem Edge Computing Consortium Europe (ECCE) handelt es sich um ein weiteres Kooperationsprojekt aus Forschung und Wirtschaft. Es beschäftigt sich mit dem Ziel, ‚eine‘ Edge-Standardplattform für Industrie 4.0 und ein Referenz-Architekturmodells für Edge-Computing (ECCE RAMEC) zu definieren, ähnlich dem RAMI Modell der Industrie 4.0.

Auch wurden diverse Ansätze im Umfeld der Verwaltungsschale (Asset Administration Shell AAS) im Rahmen der Industrie-4.0-Plattform, des ZVEI und VDMA angestoßen. Dies führte unter anderem Ende 2020 zur Gründung der Industrial Digital Twin Association (IDTA).

Ein kurzer Blick zurück: Das Edgecross Consortium (EC) hat sich bereits im November 2017 in Japan gegründet. Board Member sind hier Hitachi, Advantech, OMRON, NEC, IBM Japan, Oracle Japan und Mitsubishi Electric. Inzwischen sind mehr als 350 Firmen weltweit Mitglied in dieser offenen Plattform. ‚Edge‘ und ‚Cross‘ stehen für das Grundprinzip der Verbindung der Fabrikautomation (OT) mit der Informationstechnik (IT) sowie des transparenten Datenaustauschs entlang aller Wertschöpfungsketten. Gemäß der japanischen Tradition ‚Kaizen‘ hat das EC in kleinen Schritten eine offene Plattform mit diversen Verbindungsmöglichkeiten zur Cloud und zu diversen Automatisierungsgeräten aufgebaut. Da die Entwicklung des Konzeptes auf vielen Schultern liegt, kam es zu einer Vielzahl von Konnektoren zur Produktion. Diese basieren zum Teil auf proprietären Treibern, aber immer mehr auf internationalen Standards wie OPC UA. Auch bei der Enterprise-Kommunikation setzt man auf OPC UA (mehr News zu OPC UA)  und den MQTT-Standard. Damit ist die offene Plattform auf jede Art der Cloudnutzung vorbereitet.

In der Cloud können diverse Funktionen realisiert werden. Insbesondere ‚Big Data‘ und komplexe Analysen die anlagenübergreifend sind, lassen sich nur hier realisieren. Echtzeit-Reaktionen auf Anlagenzustände hingegen lassen sich nur im Edge-Bereich realisieren. Dazu haben die Mitglieder des Edgecross Consortium Applikationen in die Plattform integriert. Diese können eine Vielzahl von Diensten realisieren – von Echtzeit-Analysen über eine vorbeugende Wartung bis hin zu Optimierungsprogrammen.

Templates zur Unterstützung der Integration

Damit diese Interoperabilität funktioniert, haben die technischen Arbeitsgruppen vom EC Templates erarbeitet, die die Integration in die Plattform unterstützen. Datenempfang und Daten senden zur Plattform und den anderen Applikationen ist damit ein Kinderspiel. Um etwa die Kommunikation zu einem Sensor mit proprietärem Protokoll zu realisieren, ergänzt man das Template einfach um das Protokoll, um die Daten vom Sensor zu lesen oder zu schreiben. Durch die Nutzung dieser Templates ist die EC-Zertifizierung ohne großen Aufwand realisierbar und die Interoperabilität gesichert.

Sind die Aufgaben einmal nicht mit den Templates zu lösen, steht noch ein Software Development Kit (SDK), ein Software Device Kit (SDK) und ein Gateway Development Kit (GDK) zur Verfügung. Diese Tools beinhalten diverse Beispiel-Integrationen auch auf Basis von .NET. Damit lassen sich Edge-Applikationen, Daten-Kollektoren und Enterprise-Gateways selbst erstellen.

Für diejenigen, die die Edgecross Basic Software als Datensammler und Verteiler ohne eigene Programmierung nutzen wollen, stehen auf dem Edgecross Marketplace viele vordefinierte Anwendungen bereit.

Die Daten werden zwischen der Produktion, den Edge-Applikationen und der Enterprise-Welt durch Comma Separeted Files (CSV) oder einer Datenbank ausgetauscht. CSV-Files hört sich altbacken an, ist aber durch die Einfachheit und Schnelligkeit ideal für diese Applikationen und dient der Echtzeit-Fähigkeit.

Die Edgecross Basic Software

Die Edgecross Basic Software – das Herz des Edgecross Consortium

© Mitsubishi

Bei der Edgecross Basic Software handelt es sich um eine Windows-Applikation, die auf jedem PC oder Industrie-PC läuft) – mit der Einschränkung, dass der Anwender auf die 50-ms-Windows-Interrupts zum Datenlesen und Empfangen angewiesen ist. Es ergeben sich hiermit also Reaktionszeiten, die größer als 100 ms sind. Benötigt der Anwender reale Echtzeit (<10 ms), um etwa bei einer Produktionsmaschine Gut-/Schlechtteile zu erkennen, dann bietet Mitsubishi Electric hierfür den Industrie-PC MELIPC an. Er zeichnet sich dadurch aus, dass auf drei der vier Kernel Windows läuft und der vierte Kernel ein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) ausführt, der dann auch in Echtzeit Analysen und Reaktionen ausführen kann. Dies gilt auch, wenn Windows abstürzen würde. Durch das besonders gehärtete Windows 10 IoT ist dies jedoch sehr unwahrscheinlich. Sollte dies jedoch einmal auftreten, funktioniert das Real Time OS weiterhin.

Modernste Hyperviser Technologie trennt die Produktion von der IT-Welt und ermöglicht es dem Anwender, die Produktionsebene von der IT-Welt zu trennen. Somit wird die Cyber Security deutlich erhöht und gerade wertvolle Produktionsdaten besser vor unerlaubtem Zugriff geschützt.

Die Edgecross Basic Software ist das Herz des EC und dient der Datensammlung und Verteilung. Damit die Daten von allen Programmen entlang der Wertschöpfungskette genutzt werden können, gibt es ein Datenmodell, das den reinen Datenwerten einen Wert gibt. Ähnlich wie bei den OPC-UA-Companion-Spezifikationen. Gleichzeitig ermöglicht es eine sichere ‚Fall Back‘-Strategie (Backup) im Fehlerfall oder bei Cyber-Attacken. Dies wird von der europäischen NIS-Richtlinie (NIS – Netzwerk- und Informationssicherheit) gefordert und sollte für jeden Anlagenbetreiber eine Selbstverständlichkeit sein. Diese Management Shell bietet noch weitere Tools, um die Inbetriebnahme und den Betrieb einer komplexen Anlage zu vereinfachen.

Das Edgecross Consortium in Deutschland

Bedingt durch die Gründung in Japan sind die ersten Referenzen in Asien angesiedelt. Hier konnte das Edgecross Consortium zunächst Erfahrungen mit dieser Technologie sammeln und setzt sie nun Schritt für Schritt auch in Europa um. Zwei Beispiele.

Contact Software ist eines der ersten Unternehmen in Europa, das die Edgecross-Plattform in Kundenprojekten nutzt. Das Unternehmen setzt bei der Entwicklung seiner Produkte seit vielen Jahren auf Open Source Technologien, Standardschnittstellen zu anderen Systemen, eine offene Komponentenarchitektur und auf die Kooperation mit anderen Lösungsanbietern. Aus der Vielzahl von aufeinander abgestimmten Fachanwendungen der Contact Elements Plattform entstehen kundenspezifische Lösungen entlang des Digital Thread, die von der Entwicklung, über die Fertigung bis hin zum Betrieb technisch komplexer Produkte durchgängige Prozesse unterstützen.

Das Lego-Prinzip: Die Bausteine der Contact Elements Plattform sind flexibel konfigurierbar.

© Contact Software

Contact Elements for IoT ist eine Low-Code-Plattform, die konfigurierbar und einfach zu skalieren ist. Im Zentrum der Anwendungen steht der Digitale Zwilling. Hier werden die Daten – die aus der Edgecross-Plattform mit sicherer MQTT-Verbindung übertragen werden – gespeichert, über ein Dashboard visualisiert und in Wertschöpfungsketten übersetzt. Die Daten aus dem Betrieb können für eine Simulation der Fertigungsabläufe genutzt werden und über Trigger automatisch bestimmte Aktionen – Prozessverbesserung, Wartung, Ersatzteilbestellung – anstoßen. Contact liefert Lösungen vom Edge-Bereich bis hin zu diversen Clouds. „Damit wird das Produktportfolio von Mitsubishi Electric nach oben hin in die Enterprise-Welt abgerundet und wir können durch das Edgecross-Konzept die Produktion in die Wertschöpfungsketten einbinden“, sagt Stefan Knauf, Division Manager Central Europe bei Mitsubishi Electric.

Anbindung an SAP Digital Manufacturing Cloud

Der Show Case für die Zusammenarbeit von Robotern und Menschen im SAP Experience Center in Tokyo. Der Show Case zeigt mittels der EC-Plattform die vertikale Integration von OT und IT gemäß Industrie 4.0.

© SAP

Basierend auf der Edgecross Plattform bringen SAP und Mitsubishi Electric den Industrie-4.0-Ansatz nach Japan. Gemeinsam haben sie einen Show Case für die Zusammenarbeit von Robotern und Menschen im SAP Experience Center in Tokyo aufgebaut. Hier wird mit der EC Plattform die vertikale Integration von OT und IT gemäß Industrie 4.0 gezeigt. Etwa ein Ventil, das per 3D-Druck hergestellt wird, soll von einem Roboter und einem Menschen zusammengesetzt werden. Es gibt diverse Varianten. Durch das SAP ERP und MES wird der Auftrag für die teilweise Einzelfertigung über das Edgecross Gateway an den Roboter übertragen und das Ventil gemäß den Vorgaben gefertigt. Dabei werden alle Produktionsdaten, etwa der Energieverbrauch, erfasst und an das SAP-System zurückgemeldet. Hier können dann diverse Analysen, auch für die vorbeugende Wartung, ausgeführt werden. Das Aufsetzen von Pay-Per-Use-Modellen ist so auch einfach zu realisieren.

Mit dem offenen Plattformansatz des Edgecross Consortium lässt sich auch in Europa der einfache Brückenschlag zwischen IT und OT realisieren. Durch die vielen Connectoren zur Produktion können sowohl Brown- als auch Greenfield-Anlagen angebunden werden. Moderne Schnittstellen wie OPC UA und MQTT erlauben die Anbindung an Cloud-Systeme. Dazu kommen die Echtzeit-Datenanalyse und Vorverarbeitung der Daten im Edge-Bereich.

Die KI und der Real Time Data Monitor

Thomas Lantermann ist Senior Consultant Digitalization bei Mitsubishi Electric.

© Mitsubishi

Die wohl am meisten genutzte Edgecross-Applikation ist der Real Time Data Monitor. Bei dieser Industrie-APP werden die Daten eines Prozesses erst einmal eingelesen. Anschließend wird mit künstlicher Intelligenz ein mathematisches Modell offline erstellt, welches dann online im RTOS die produktionsnahe Analyse durchführt. So kann ein fehlerhaftes Produkt sofort ausgeschleust sowie kostspielige Nacharbeit und Produktionsausschuss vermieden werden. Zusätzlich ermöglichen diverse statistische Methoden dem Anwender, Daten zu reduzieren und weitere Analyseverfahren einfach umzusetzen. Dies gilt insbesondere auch für die vorbeugende Wartung.

Der Datenanalyst – aber auch das Fachpersonal vor Ort – mit seinem Domainwissen, kann hier von der automatischen ‚Waveform‘-Erkennung, der Multi-Regression (um die Daten, die nicht jederzeit gemessen werden können, vorherzusagen) bis hin zur Mahalanobis-Taguchi-Methode (um eine Abweichung vom Normalbetrieb zu erkennen) einfach nutzen. Damit lässt sich die Total Cost of Ownership (TCO) reduzieren und die Produktionsstabilität sichern.
 

Digitalisierung in kleinen Schritten

Das Edgecross Consortium und seine Partner

© Edgecross Consortium

Träumen sie groß, aber fangen Sie klein an – gemäß diesem Motto ermöglicht es das Edgecross Consortium seinen Kunden, den Weg in Richtung Digitalisierung mit kleinen Schritte zu starten. Und dies gepaart mit der Gewissheit, sich nicht in einer Sackgasse zu befinden. Der ‚offene‘ Ansatz, die Vielzahl und die Vernetzung der diversen Anbieter in den kontinentalen unterschiedlichen Ansätzen bieten nicht nur eine einzige Lösung. Deshalb kooperiert das EC mit diversen internationalen Organisationen, um die Interoperabilität der diversen Digitalisierungsansätze sicherzustellen.

Das Edgecross Consortium ist offen für die Aktivitäten rund um die Plattform Industrie 4.0, aber auch für das amerikanische Industrial Internet Consortium. Es arbeitet mit dem akademischen Fraunhofer Institut und vielen internationalen Standardisierungs-Organisationen zusammen. Auch wenn das EC das auf Ethernet basierende TSN-Netzwerk präferiert, so arbeitet das Consortium dennoch ebenso mit allen großen Feldbus-Organisationen zusammen und integriert die entsprechenden Feldbusse in den Datenkollektoren.