Embedded Cloud und TSN

Aufbruchstimmung

Im Gegensatz zu den Konzepten der Public und Private Clouds orientiert sich die Embedded Cloud besonders an den Anforderungen der Smart Factory, der vernetzten Produktion. Ziel ist es, durch die Echtzeit-Analyse aller im Unternehmen vorhandenen Daten die Fertigung zu verbessern. Gefordert ist dafür eine produktionsnahe und sichere Cloud, deren Komponenten die Anforderungen der Industrie erfüllen. Eine Embedded Cloud will die Industrie 4.0 voranbringen. Rückgrat dafür sind TSN und OPC UA.

Kontron Embedded Cloud für Fog- Edge-Computing mit TSN-Komponenten und Microsoft Azure Certified (Bild: Kontron Europe GmbH)

Große Systeme für Business Intelligence (BI) oder Big-Data-Auswertungen werden bereits heute meistens in der Cloud betrieben, entweder als Private Cloud im Firmeneigentum oder als Public Cloud, wie sie z.B. von Amazon, Google, Microsoft oder Oracle bereitgestellt wird. BI-Systeme liefern die Grundlagen für Geschäftsentscheidungen des Managements. Ihre Zahlen und Analysen werden meist nur tages- oder wochenaktuell benötigt. Eine Alternative für eine vernetzte Maschinensteuerung sind diese Clouds aufgrund verhältnismäßig hoher Latenzen durch Standard-Internetverbindungen und nicht ausreichend garantierter Verfügbarkeiten nicht. Beide Nachteile der Public Clouds greift deshalb das Kontron-Konzept der Embedded (Private) Cloud auf. Dafür werden die an der Fertigung beteiligten Systeme auf dem Firmengelände in einem privaten Verbund zusammengeschlossen, der sogenannten Embedded Cloud. Sie befindet sich vor Ort, also On-Premise. Hier werden die Anwendungen der betrieblichen IT und der OT zusammengeführt.

Embedded Cloud für den Shopfloor

Eine Embedded Cloud, so wie sie Kontron versteht, besteht aus drei Geräteklassen.

• Industrielle Computerplattformen für die Gerätesteuerung und als Edge-/Gateway-Systeme mit einer typischen Rechenleistung von ein bis vier CPU-Kernen: Sie übernehmen Mess- und Steuerungsaufgaben vor Ort, extrahieren und filtern Daten und verfügen meist über proprietäre Schnittstellen und Feldbusse zur Anbindung der Peripherie vor Ort.

• Hochleistungsfähige industrielle Computerplattformen für Fog-Computing: Mit einer typischen Rechenleistung von vier bis acht CPU-Kernen und einer Speicherkapazität von mehreren Terabyte übernehmen diese leistungsstarken Plattformen vor Ort das Maschinenmanagement bis hin zur Steuerung von Bildgebungssystemen mit Optionen für mehrere Grafikprozessoren, FPGA-Karten, Feldbusschnittstellen und TSN Interface.

• Embedded Cloud Server: Mit einer typischen Rechenleistung von mehr als 16 Cores und einer Speicherkapazität über 100TB übernehmen diese Cloud-Storage-Server die Datenkoordination von Maschinen an einem Standort.

Ohne Standards läuft nichts

Die Anbindung an die Embedded Cloud regelt eine echtzeitfähige Datenkommunikation, beispielsweise per Industrial Ethernet. Auf der Basis von OPC UA (IEC62541 OPC UA) und der entsprechenden TSN-fähigen Hardware wird nun vieles denkbar. Denn TSN (IEEE802.1 TSN) gleicht die bisher fehlende Echtzeitfähigkeit von Ethernet aus. TSN beginnt damit, den klassischen Feldbus-Spezifikationen Konkurrenz zu machen und hat sogar das Potential, diese mittelfristig zu ersetzen. TSN ermöglicht konvergente Ethernet-basierende Netzwerke, auf denen parallel zum IT-Datenverkehr auch zeitsynchronisierte, deterministische Kommunikation möglich ist. Diese ist bei zeitkritischen Maschinensteuerungen und Prozessen unabdingbar. Die Spezifikationen des TSN sorgen dafür, dass Datenpakete garantiert zeitgerecht und hoch verfügbar zugestellt werden. Im industriellen Umfeld kann konvergentes, Ethernet-basiertes TSN mit garantierter Latenz und Quality of Service (QoS) mit Zeitsynchronisation ohne proprietäre Feldbussysteme nahtlos bis in die IT-Ebene kommunizieren. Damit wird echtes IIoT bzw. Industrie 4.0 basierend auf Ethernet-Protocol-Standards möglich.

Die Standard-Netzwerkkarte von Kontron umfasst einen integrierten Switch für redundante Netzwerke mit zwei oder vier Gigabit-Ethernet-Ports. Sie erfüllt alle Spezifikationen gemäß IEEE802.1 und ist insbesondere für raue Industrieumgebungen geeignet. (Bild: Kontron Europe GmbH)

Einstieg ins TSN leicht gemacht

Bereits auf der embedded world präsentierte Kontron ein Starterkit für Time Sensitive Networking, das ab April 2081 verfügbar ist. Damit können Unternehmen eine nahtlose Verbindung zwischen der Feldebene, Operational Technology (OT) und Informationstechnologie (IT) herstellen. Mit der Standard-PCI-Express-Netzwerkkarte einschließlich der dazugehörigen Netzwerk- und Switch-Treiber für Linux können Industriecomputer mit einem TSN-Netzwerk verbunden werden. Um einen Standard zu etablieren, braucht es aber auch Player auf Hersteller- und Anwenderseite, die zielgerichtet und intensiv daran arbeiten, den Markt dafür zu bereiten. Die großen IT-Anbieter, allen voran Microsoft mit seinem Cloudangebot Azure IoT Edge, drängen immer weiter an die Basis der Automatisierungspyramide vor. Kontron hat sich deshalb entschlossen, viele seiner Embedded PCs und Workstations – teilweise auch als Embedded Server – für das Fog- und Edge-Computing mit Microsoft Azure zertifizieren zu lassen; derzeit handelt es sich um rund 20 Produkte und die Zahl wird laufend erweitert. Auf der Seite der Standards setzt Kontron voll auf OPC UA und TSN.

In Siebenmeilenstiefeln zur Industrie 4.0

Für ihre Industrie-4.0-Projekte benötigen Anwender eine integrierbare, skalierbare und vernetzbare On-Premise Lösung, also den Embedded Server. Kontron bietet bereits heute alle wesentlichen Komponenten für die Embedded Cloud. Das bedeutet in der Praxis, dass die Rechen- und Speicherleistung von Cloud Servern und die Robustheit von Industrial Servern kombiniert werden müssen. Erste serienmäßige, industriefähige Embedded Server für die Embedded Cloud und das Edge- und Fog-Computing hat Kontron ebenfalls auf der embedded world in Nürnberg präsentiert. Es handelt sich dabei um den Nachfolger der ‚Cube‘ Evaluierungsplattform mit einem Single-Intel-Xeon-Prozessor in einer kompakten und kostenoptimierten Bauform mit erweiterten Storage-Funktionen. Im Verbund mit S&T bietet Kontron seinen Kunden mit der Embedded Cloud auf Basis von Standards wie OPC UA und TSN das Fundament für die Smart Factory aus einer Hand. Datenverarbeitung in Echtzeit und die uneingeschränkte Sicherheit von Fertigungs- und Produktionsdaten sind eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg im digitalisierten Industrieumfeld.

Autor: Norbert Hauser,
Vice President Marketing,
Kontron Europe GmbH
www.kontron.de