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Edge-PCs mit vorinstallierten SW-Tools

Die Edge als Ergänzung zur Cloud

14. Juli 2021, 09:39 Uhr   |  Daniel Korte, Daniel Mantler

Die Edge als Ergänzung zur Cloud
© Phoenix Contact

Die Vorteile von Edge Computing in der Industrie sind inzwischen allgemein anerkannt. Eine klassische SPS kann jedoch die erfassten Daten nicht lokal vorverarbeiten. Phoenix Contact hat daher Edge-PCs mit vorinstallierten Software-Tools entwickelt, sodass sich IoT-Anwendungen leicht umsetzen lassen.

Dass Edge Computing für die industrielle Nutzung geeignet ist, wird mittlerweile kaum mehr bestritten. Bei dem Konzept handelt es sich um eine dezentrale Computing-Infrastruktur, die nahe an der Datenquelle angesiedelt ist. Edge Computing löst die Herausforderungen des Cloud Computing für die produzierende Industrie, weil die Cloud-Anwendungen direkt in die Applikationen verlagert werden.

In der Office-IT hat sich Cloud Computing bereits in zahlreichen Anwendungen durchgesetzt. Viele dieser Einsatzbereiche – beispielsweise Datenanalyse und -speicherung – sind auch für die Fertigungsindustrie, also die Operational Technology (OT), relevant. In der OT treten jedoch einige Herausforderungen in puncto Datenschutz und -sicherheit, Latenzzeit bei der Verarbeitung von Informationen, Datentransferraten sowie Kosten für Rechenleistung und Speicherplatz auf. Edge Computing bringt die Datenverarbeitung in die Nähe der Maschine und somit der Datenquelle. Durch diese Verlagerung der Cloud-Applikation an die Edge, also den „Netzwerkrand“, lassen sich solche Herausforderungen bewältigen.

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© Phoenix Contact

Bild 1: Edge Devices werden normalerweise am Netzwerkrand eingesetzt – daher der Name.

Zu beachten ist dabei allerdings, dass es nicht die eine Edge gibt, sondern eine Bandbreite von maschinennaher Edge bis hin zu Lösungen auf Server-Basis für ganze Produktionsstandorte möglich ist. Auch der tatsächliche Funktionsumfang der Edge-Anwendung unterscheidet sich von Applikation zu Applikation. Als typische Anwendungen der Edge seien Datensammlung und -verdichtung, Daten(vor)verarbeitung und -analyse bis hin zur Nutzung künstlicher Intelligenz und einer Cloud-Anbindung genannt. Das Edge Computing ersetzt das Cloud Computing jedoch nicht, sondern ergänzt es: Edge und Cloud sind folglich Partner, wobei die Verteilung der Aufgaben auf die beiden Lösungen je nach Applikation variieren kann (Bild 1).

Offenheit unterstützt bei der Verkürzung der Entwicklungszeit

Hinter der PLCnext Technology verbirgt sich eine offene Steuerungsplattform für die industrielle Automatisierungstechnik, die Teil eines kompletten Ecosystems ist. Das Ecosystem setzt sich aus folgenden Bestandteilen zusammen:
➔ Dem PLCnext Control als robuster Hardware in Form einer SPS oder eines Industrie-PCs, an die sich ein I/O-System ankoppeln lässt.
➔ Der Engineering- und Konfigurationssoftware PLCnext Engineer, welche die Norm IEC 61131-3 unterstützt.
➔ Dem PLCnext Store als digitalem Marktplatz, von dem Software rund um die PLCnext Technology heruntergeladen werden kann.
➔ Der PLCnext Community, die der Informationsbeschaffung und dem Austausch von Know-how über das Ecosystem dient.

Der Edge-PC dient innerhalb der PLCnext Technology als Gerät für Edge-Anwendungen.
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Bild 2: Der Edge-PC dient innerhalb der PLCnext Technology als Gerät für Edge-Anwendungen.

Wegen der Offenheit der PLCnext Technology lassen sich beliebige, in unterschiedlichen Programmiersprachen erstellte Kundenanwendungen in das Gesamtprojekt integrieren. Die Offenheit und Vollständigkeit des Ecosystems schafft somit eine geeignete Grundlage für Edge Computing in der Fertigung. Bereits die PLCnext Technology als solche bietet aber einige Vorteile:
➔ Durch die Einbindung verschiedener Programmiersprachen verkürzt sich die Entwicklungszeit.
➔ Schon die Hardware unterstützt die am weitesten in der Produktion verbreiteten OT-Kommunikationsprotokolle, etwa OPC UA, Profinet oder Modbus TCP.
➔ Über Cloud-Koppler ist eine Proficloud- und Multicloud-Anbindung möglich.
➔ Die Komponenten beruhen auf einer Secure-by-Design-Entwicklung gemäß IEC 62443.
➔ Kundenspezifische und Open-Source-Software lässt sich problemlos in die Gesamtapplikation einbinden.
➔ Neue Apps können über den PLCnext Store in die Steuerung nachgeladen werden (Bild 2).

Edge-Applikationen problemlos entwickeln
Immer mehr Anwender fordern eine dezentrale, ressourcenschonende Verarbeitung der Applikationsdaten am Rand des Netzwerks. Zudem wollen sie die Vorteile moderner Cloud-Konzepte nutzen. Denn indem große Datenmengen nahe der Quelle verarbeitet werden, reagiert die Anwendung flexibler und schneller. Vor diesem Hintergrund vereinen die neuen Edge Devices von Phoenix Contact die Robustheit einer bewährten Industrie-PC-Plattform mit der offenen PLCnext Technology. So lassen sich intelligente IoT-Edge-Lösungen aufbauen, sodass sich die Lücke zwischen der IT- und OT-Welt schließt. Wegen vorinstallierter Softwarepakete sowie durchgängiger grafischer User-Interfaces und Programmierumgebungen ermöglicht die Hardware der Edge-PCs eine einfache Entwicklung und Anwendung von Edge-Applikationen.

 

Bandbreitenauslastung des Netzwerks sinkt

Der Markt für Edge-programmierbare Geräte befindet sich derzeit im Entstehen. Während die meisten Anbieter Edge-ready-Hardware zur Verfügung stellen, fehlen ihnen die integrierten Software-Tools, die nötig sind, um ein einsatzbereites programmierbares Edge-Gerät zu erstellen. Deshalb sind die Edge-PCs von Phoenix Contact mit vorinstallierten Software-Tools ausgestattet und so entwickelt, dass sich auch umfangreiche IoT-Anwendungen leicht umsetzen lassen. Durch vorinstallierte Software-Tools wie Node-RED und eine lokale Time-Series-Datenbank sowie die unkomplizierte Anbindung an viele Cloud-Systeme – etwa die Proficloud von Phoenix Contact, Amazon Web Services, Microsoft Azure oder Google Coral – mit speziellen Nodes erweist sich die Realisierung von IoT-Applikationen als einfach.

Der Edge-PC verbindet die IT- und OT-Layer. Die Datenverarbeitung erfolgt am Rand des Netzwerks, anstatt große Datenmengen in eine Cloud zu senden, in der die Daten dann verarbeitet und bewertet werden müssen. Wenn Daten lokal und gleich im Edge-PC verarbeitet werden, sinkt die Bandbreitenauslastung des Netzwerks, während zugleich eine schnellere Ausführung sichergestellt ist und Verzögerungszeiten kürzer werden. Mit einer traditionellen SPS lassen sich Daten allerdings nicht vorverarbeiten. Daher entwickelt Phoenix Contact aktuell Edge-PCs, die einen Großteil ihrer Sensordaten am Entstehungspunkt sortieren und vorverarbeiten.

Rechenleistung und Speicherplatz stehen zur Verfügung

Die neuen Edge-PCs des Unternehmens kombinieren die Robustheit eines bewährten Industrie-PCs mit der Offenheit der PLCnext Technology.

Die neuen Edge-PCs des Unternehmens kombinieren die Robustheit eines bewährten Industrie-PCs mit der Offenheit der PLCnext Technology
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Bild 3: Die neuen Edge-PCs des Unternehmens kombinieren die Robustheit eines bewährten Industrie-PCs mit der Offenheit der PLCnext Technology.

Die Geräte, die mit einem Dual-Core-Prozessor des Typs Celeron N3350 von Intel ausgestattet sind, bieten zahlreiche Schnittstellen. Hierzu gehören zwei Ethernet-, zwei USB- und eine DisplayPort- sowie zwei serielle RS-232-/RS-485-Schnittstellen. Mit einem Arbeitsspeicher von 2 GB oder wahlweise 4 GB sowie einem Flash-Speicher von 32 GB mit einer optionalen 128-GB-M.2-SSD-Festplatte lassen sich auch Anwendungen entwickeln, die hohe Anforderungen an die Rechenleistung und den Speicherplatz stellen (Bild 3).

Der Funktionsumfang des Edge-PCs
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Bild 4: Der Funktionsumfang des Edge-PCs.

Ein User-Interface, das über einen Webserver oder lokal über den DisplayPort aufgerufen werden kann, erlaubt den Zugriff auf die Funktionen des Edge-PCs. Der integrierte TPM-Chip (Trusted Platform Module) sorgt für die Integrität und Sicherheit der Kommunikation. Kundenspezifische Applikationen und Fremdanwendungen kann der Nutzer über den digitalen Marktplatz PLCnext Store in die Lösung einbinden. Außerdem ermöglicht die Unterstützung von Docker oder Portainer das intuitive Implementieren und Managen von Containern und Volumes. Wegen der durchgängigen Nutzung von User-Interfaces und grafischen Programmierumgebungen kann der Anwender seine Edge-Applikation einfach entwickeln und verwenden (Bild 4).

Anbindung an Clouds lässt sich problemlos umsetzen

Eine Edge-Anwendung soll unter anderem die Bandbreite des Netzwerks durch die lokale (Vor-)Verarbeitung der anfallenden Daten reduzieren sowie parallel deren schnellere Ausführung und damit eine geringere Verzögerungszeit sicherstellen. Eine solche Applikation lässt sich mit einer traditionellen SPS nicht umsetzen.

Wegen der durchgängig grafischen Programmierung verringert sich der Entwicklungsaufwand
© whiteMocca@shutterstock.com

Bild 5: Wegen der durchgängig grafischen Programmierung verringert sich der Entwicklungsaufwand.

Der Anwender projektiert die Edge-PCs dagegen zunächst in der gewohnten Engineering-Umgebung PLCnext Engineer. Daten können von allen gängigen Kommunikationsprotokollen – etwa OPC UA, Modbus TCP/RTU oder Profinet – gesammelt und per Node-RED mit vorhandenen Nodes in der InfluxDB-Datenbank gespeichert werden. Über die grafische Oberfläche Chronograf lassen sich die Daten dann visualisieren und managen. Die Daten können dabei verdichtet, Regeln aufgestellt und Alarme initialisiert werden. Die Möglichkeiten sind vielfältig und passen sich an die Anforderungen des Nutzers an. Wegen der Vielzahl von Nodes und der Verwendung von MQTT lassen sich die Edge-PCs problemlos an die Cloud von Phoenix Contact und andere Cloud-Plattformen anbinden (Bild 5).

Die Autoren

Daniel Mantler von Phoenix Contact
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Daniel Mantler ist Produktmanager HMI/IPC.

Daniel Korte von Phoenix Contact
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Daniel Korte ist Technologiemanager PLCnext Technology.


Beide Autoren sind bei Phoenix Contact Electronics in Bad Pyrmont tätig.

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