Prozesssteuerung
ICS und MES in der Cloud
Industrie 4.0 bedeutet im industriellen Prozess-Controlling mit Cloud-Technologien das Verschmelzen von SCADA-, MES- und SPS-Systemen. Welche Anforderungen und Chancen bestehen konkret beim Umstieg auf Cloud-Lösungen?
Die Nachfrage nach mobilen Einsatzmöglichkeiten von übergeordneten Prozesssteuerungen steigt. Um Industrial Control Systems (ICS) und Manufacturing Execution Systems (MES) optimal umzusetzen, bietet sich die Cloud als Ziel- oder Unterstützungsplattform an. Sie stellt diverse Szenarien bereit, um die Software von MES und ICS in standardisierte Infrastrukturen zu verlagern und dort zu betreiben. Allerdings sind einige Herausforderungen zu meistern für den Betrieb produzierender Überwachungs- und Steuerungssysteme in einer Cloud: Es gilt,
■ Chancen und Potenzial für individuelle Domänen zu identifizieren,
■ die Standardisierung für Prozesse auszuweiten,
■ Meta-Abstraktionsmodelle für individuelle Domänen zu schaffen
■ sowie eine Funktionsgewichtung und -verteilung beispielsweise hinsichtlich Langzeit-Datenerfassung, Lokalisierung, Alarmierung und Analyse vorzunehmen.
Der Anwender kennt seine eigene Domäne am besten. Ergo braucht er zunächst einen Überblick, welche Möglichkeiten Cloud-Plattformen überhaupt bieten können. Die Relevanz für das interne Betreiben der Softwaresysteme muss kritisch und unter Berücksichtigung der Kosten untersucht werden. Kommt eine Auslagerung bestimmter Komponenten nicht in Frage, lassen sich oft dennoch Teilkomponenten auslagern. Eventuell finden sich durch die Auslagerung und Untersuchung von Komponenten in einer Cloud neue oder ergänzende Anwendungsbereiche.
Anschließend sind die Prozessabläufe gut zu definieren und eventuell anzupassen. Prozesse auf niederen Ebenen müssen die Möglichkeit bieten, auf Prozesse höherer Ebene abstrahiert zu werden. Dazu dürfen und sollen Standardisierungen zum Einsatz kommen, um möglichst flexibel auf Änderungen eingestellt zu sein und dem Stand der Technik gut folgen zu können. Besonders geeignete Prozessmodelle gilt es offen zu kommunizieren, um einheitliche Industriestandards schaffen zu können.
Für den Betrieb übergeordneter Prozesstechniken ist eine Standardisierung notwendig. Dazu sollten die Domänenmodelle über individuelle Meta-Abstraktionsmodelle verfügen, um im Weiteren auf Standardmodelle übertragbar zu werden.
Da der Anwender die Bedeutung seiner Funktionen des MES am besten kennt, ist die Gewichtung, welche Funktionen in eine Cloud-Plattform verschoben werden können, individuell zu treffen. Dazu ist es besonders wichtig, Priorität und Eigenschaften dieser Funktionen zu kennen. Zu den wichtigsten Funktionen eines MES im industriellen Umfeld zählen die Langzeit-Datenerfassung, Lokalisierung, Alarmierung sowie Analyse vorhandener Daten.
Was die Cloud bringt
Eine Cloud bietet unterschiedlichste Einsatzmöglichkeiten an: Beispielsweise lassen sich administrative Eingriffe der Infrastruktur komplett auslagern, gleichzeitig öffnen sich Möglichkeiten zur Fokussierung auf die Softwarekomponenten. Abhängig davon, welche Komponenten und Funktionen einer Cloud verwendet werden, kann die Kontrolle der Infrastruktur weiter abgegeben oder hinzugenommen werden. Besonders wertvoll scheint die Cloud dort, wo die Bereitstellung von Infrastruktur oder Plattform einen hohen Kostenfaktor darstellt. Hier kann sie neue unternehmerische Werte hinsichtlich Performance und Skalierbarkeit, Budgetkalkulation, Flexibilität, Plattformunabhängigkeit und domänenübergreifendem Denken schaffen:
Performance und Skalierbarkeit: Durch den Transfer von Daten in eine Cloud lässt sich hardwareseitig Skalierbarkeit gewährleisten – abhängig von der erworbenen Hardwarekonfiguration der Plattform. Für spezielle Dienste wie etwa Reporting/Business Intelligence ist bei Bedarf hohe Performance erreichbar.
Budgetkalkulation: Systeme hängen nicht länger von der hardwaretechnischen Infrastruktur ab, sondern sind quasi beliebig erweiterbar. Solche Erweiterungen für Cloud-Dienste sind direkt in messbaren Größen eingeteilt, sind also fest definiert, und es ist ersichtlich, welche Kosten eine Aufstockung von RAM, CPU oder Speicherplatz verursacht. Dies bringt Vereinfachungen bei der Kalkulation von Erweiterungen und erleichtert die Budgetplanung.
Flexibilität: Die Ressourcen für ein System sind der Anwendungsdomäne entsprechend einsetzbar. Das heißt, für mehr Ressourcenbedarf kann dieser einfach erhöht werden, ohne hardwarespezifische Aktionen vornehmen zu müssen. Sofern möglich, lassen sich für bestimmte Phasen wie zum Beispiel Langzeittest oder wiederkehrende Analysen, in denen mehr Ressourcen nötig sind, auch mehr Ressourcen nutzen. Ebenfalls denkbar sind Automatismen, die diese Erweiterung ermöglichen.
Auch bei der individuellen Anpassbarkeit der Umgebung wird Flexibilität gewährleistet: Kunden können bestimmte Komponenten wahlweise innerhalb ihrer eigenen Infrastruktur oder in der Cloud betreiben. Zum Beispiel ist es möglich, die gesamte Datenbank, nur bestimmte Datenbankteile, nur bestimmte Daten oder nur bestimmte Dienste eines Systems in die Cloud auszulagern oder zu duplizieren.
Plattformunabhängigkeit: Aufgrund der hohen Abstraktion, auf der ICS und MES arbeiten, lässt sich eine Plattformunabhängigkeit der umliegenden Domäne ermöglichen. Zur äußeren Kommunikation empfehlen sich geläufige Basisstandards wie zum Beispiel http, wodurch auch der größte Teil möglicher Plattformen adressiert sein sollte. Für die Anwenderdomäne bedeutet dies, dass keine direkten oder technologischen Abhängigkeiten entstehen, sie kann vielmehr in ihrer Form bestehen bleiben.
Domänenübergreifendes Denken: Die Vereinheitlichung hoch angesiedelter Prozesssysteme erzwingt ein domänenübergreifendes Denken – Subdomänen und andere spezifische Domänen werden klar getrennt, der Fokus liegt auf übergeordneten Domänenmodellen. Ein solches ganzheitliches Denken und Handeln hilft, auch in spezifischen Domänen die übergeordneten Instanzen zu berücksichtigen, und öffnet den Weg zu Vereinheitlichung und Standardisierung.
Für die Auslagerung von IT-Komponenten bietet die Cloud zwei grundlegenden Konzepte an: PaaS (Platform as a Service) und IaaS (Infrastructure as a Service). Anzahl und Umfang der unterstützten Plattformen hängen vom jeweiligen Cloud-Anbieter ab. Die Funktionalität einer Cloud lässt sich für ein MES an verschiedensten Stellen einsetzen. Hervorzuheben sind folgende Funktionen:
■ Die Virtualisierung ermöglicht das Betreiben virtueller Maschinen in einer Cloud-Umgebung. Die Cloud dient als IaaS, auf die Plattform kann selbstständig Einfluss genommen werden.
■ Webseiten oder andere ganze Anwendungen lassen sich direkt in die Cloud aufspielen und als Dienste anbieten. Dazu ist kein Einrichten der Umgebung nötig, die Cloud wird als PaaS genutzt.
■ Die Cloud ermöglicht ein Datenmanagement in Form von Diensten. Das heißt, Datenbanken oder einfache Datenstrukturen können angelegt und verwendet werden. Dazu ist wiederum keine Inbetriebnahme der Plattform beziehungsweise Umgebung notwendig. Die Administration erfolgt über einfache Konfigurationsassistenten.
MES-Funktionalität in der Cloud
Mit Hilfe der Cloud lassen sich MES in ihren besonders aufwendigen Funktionen und teuren Komponenten unterstützen. So ist es möglich, nur die besonders aufwendig zu berechnenden Funktionen auszulagern oder dort zu duplizieren und bevorzugt zu berechnen. Ein Beispiel: Für eine Maschine zur Herstellung verschiedener Zuschnitte aus einer Holzplatte müssen die Schnittkanten berechnet werden.
Um möglichst wenig Verschnitt zu erhalten, sind die benötigten Zuschnitte bestmöglich anzuordnen. Dazu muss das MES zeitintensive Rechenprozesse verarbeiten. Die Auslagerung beziehungsweise der parallele Betrieb dieser Teilfunktion lässt sich in einer Cloud mit der gewünschten Rechenintensität schnell und losgelöst vom restlichen System durchführen.
Des Weiteren fällt in MES eine hohe Anzahl von Daten an, die verarbeitet, persistiert und entsprechend verknüpft werden müssen. Diese Datenhaltung kann auf einer eigenen Infrastruktur das Nadelöhr darstellen. Beispielsweise sind Speicherkapazitäten aufwendig zu erhöhen, eine Infrastruktur muss bereitgestellt und administriert werden. Bei Nutzung einer Cloud lässt sich ein Teil der Datenhaltung oder gar die gesamte Datenhaltung für das MES in die Cloud verschieben.
Für die Auslagerung von Komponenten und Funktionen eines MES gibt es unterschiedlichste Szenarien: Von kleinen aufwendigen Einzelfunktionen über Komponenten bis zur Gesamtfunktionalität des Systems lassen sich die entsprechend gewünschten Teile auslagern. Dazu sollte in der Entwicklung berücksichtigt werden, welche Komponenten überhaupt ausgelagert werden können und dürfen. Ein MES muss verschiedene Entwicklungsstufen durchlaufen. Ziel ist ein flexibles System, das sich der Kundenumgebung und den Kundenwünschen entsprechend betreiben lässt. Eine weitere zukünftige Endstufe könnte auch ein rein Cloud-basierter Ansatz eines MES sein – bei dem das MES ohne eine Cloud nicht betriebsfähig ist oder nur bestimmte Komponenten via Cloud erhältlich sind. Ein utopisches Szenario? – Software wie zum Beispiel „Office 365“, die Verwendung von E-Mail-Diensten oder Google-Apps beweisen das Gegenteil.
(Cloud-)Systeme der Zukunft
Künftige Systeme im Bereich der industriellen Automatisierung brauchen vor allem drei Eigenschaften: Standards, Integrationsmöglichkeiten sowie eine stabile und schnelle Internetverbindung. Um Standards zu schaffen, zu definieren und einführen zu können, rücken zusätzliche Thematiken in den Fokus: So muss die Verwendung mächtiger Frameworks und Kollaborationsplattformen für die Entwicklung in Unternehmen eine ganzheitliche Rolle spielen. Ähnlich wie SAP-Systeme als ERP-Gesamtlösungen in vielen Unternehmen eingesetzt werden, sind in der Entwicklungsabteilung gleiche prozessübergreifende Standards hilfreich, um einen reibungslosen Entwicklungsprozess gewährleisten zu können.
Das ursprüngliche Interesse zur Adressierung von Cloud-Plattformen beinhaltet gleichzeitig das Streben nach einem hohen qualitativen Entwicklungsprozess, was sich mit der Schaffung von Integrationsmöglichkeiten deckt. Zur Integration verschiedener Systeme und Komponenten müssen hochqualitative Schnittstellen entworfen werden. Hierzu haben sich insbesondere entkoppelte und schlanke Schnittstellenlogiken bewährt, um auch auf Änderungen flexibel reagieren zu können. Eine stabile und schnelle Internetverbindung ist zur Verwendung von Cloud-Plattformen unerlässlich – das Internet dient als Standard-Infrastruktur.
Entwicklungsprozess und MES
Neben Kosteneinsparungen ermöglicht die Cloud die Reduktion beispielsweise schwerer oder nicht kalkulierbarer Risiken für die Infrastruktur- oder Plattformbereitstellung. Es entstehen planbare und überschaubare Tätigkeiten, die im Entwicklungsprozess zu berücksichtigen sind. Dafür ist es unerlässlich, die Entwicklungsprozesse anzupassen und ein Domänendenken auf der entsprechenden Ebene zu entwickeln. Gerade für den industriellen Sektor, in dem viele Prozesse und Funktionen der umgebenden Infrastruktur eine hohe Performance abverlangen, kann es sinnvoll sein, diese Prozesse in die Cloud auszulagern – beispielsweise hochkomplexe grafische oder mathematische Berechnungen, Auswertungen riesiger Datenmengen oder auch die Erstellung ressourcenintensiver Berichte. Eine solche Auslagerung setzt allerdings im Entwicklungsprozess ein ganzheitliches Denken voraus, bei dem für verschiedene Fachdomänen – etwa unterschiedliche Maschinenumgebungen oder auch Maschinenverbünde – ein einheitliches abstraktes Modell entwickelt wird. MES adressieren genau dieses abstrakte Modell auf der höher zu steuernden Ebene.
Autor: Marcel Isenmann ist Consultant und Entwickler bei AIT in Stuttgart.
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