Edge to Cloud und zurück - eine Distributed Cloud für die Industrie 4.0 HPE, Intel und Microsoft bauen einen offenen Industrial Service Bus

Florian Dörr von HPE bringt das derzeitige Dilemma der digitalisierungswilligen Industrie-Unternehmen auf den Punkt: „Sie befinden sich in der PoC-Hölle.“ Nach erstem Ausprobieren, was die Digitalisierung der Produktion, des Shop-Floor leisten kann, der Überzeugung „Das bringt etwas“, soll die gewählte Lösung ausgerollt werden. Der Schreck: Der gewählte Ansatz skaliert nicht. Die „Industrial Service Cloud“ soll das ändern.

Anbieter zum Thema

Intel Deutschland GmbH

Dell GmbH

DataCore Software GmbH

Fujitsu Technology Solutions GmbH

Microsoft Deutschland GmbH

Hewlett Packard Enterprise (HPE), Intel und Microsoft bringen mit der Distributed Industrial Cloud eine Industrie-4.0-Lösung auf den Markt, die einen durchgängigen Austausch von Daten und Diensten in heterogenen und verteilten Fertigungsumgebungen ermöglichen soll. Damit hilft sie Produktionsunternehmen dabei, Ziele wie höhere Gesamtanlageneffektivität oder wandelbare Fertigungsabläufe zu erreichen.

Das Angebot wurde für Deutschland, Österreich und der Schweiz zusammen mit Kunden entwickelt und ist in diesem Raum auch von HPE ab sofort erhältlich. Kunden können die Technik erwerben, aber auch im As-a-Service-Modell über „HPE Greenlake“ beziehen. Da viele Unternehmen einfach nicht wüssten, wie sie ihre Digitalisierungsreise beginnen, ihre Industrie-4.0-Ideen umsetzen, ihre Digitalen Zwillinge auf den Weg bringen können, bietet HPE für den schnellen Einstieg zudem ein „Fast-Start“-Paket an, das die für eine Erstinstallation erforderliche Software, Hardware und Services umfasst.

Denn: Industrie 4.0 bezeichnet den Übergang von starren zu dynamischen und autonom organisierten Wertschöpfungsketten. Die Grundlage dafür ist Interoperabilität, die laut einem Positionspapier der Plattform Industrie 4.0 durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet ist: Integrierbarkeit aller Assets, Dezentralität, Einsatz von künstlicher Intelligenz und Offenheit.

Allerdings gehört laut einer Studie von MHP und der LMU München gerade die mangelnde Interoperabilität zu den größten Hindernissen von Industrie 4.0: Fehlende Integration und Datensilos verhindern demnach einen durchgängigen Datenaustausch entlang der Wertschöpfungskette. Eine Vielfalt an Protokollen, die fehlende Abstraktion der Hardware von der Software, durchgängige Sicherheitskonzepte, die fehlen, gehören zu den Barrieren.

Der Industrial Service Bus verbindet Maschinen, Applikationen und Standorte

Das Herzstück der Distributed Industrial Cloud ist ein „Industrial Service Bus“ (ISB), der zusammen mit Produktionsunternehmen als quelloffene Software entwickelt wurde. Der ISB vermeidet Datensilos, Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und die daraus resultierenden Spaghetti-Architekturen – stattdessen bietet er eine durchgängige Kommunikationsarchitektur, die Maschinen, Systeme und Applikationen über Standorte und Clouds hinweg verbindet.

Der ISB, eine Datendrehscheibe, sei letztlich eine Datenschicht und das Ziel: Die Kunden sollen Herr über ihre Daten bleiben oder auch ihre Datensouveränität zurückgewinnen, egal wohin sie in den verschiedenen Stadien der Verarbeitung diese gebraucht würden – Edge, lokales Rechenzentrum oder Cloud.

„Oft wird Standardisierung als Voraussetzung für Interoperabilität in der Industrie 4.0 bezeichnet – in der Realität sind Fertigungsumgebungen aber nach wie vor weitgehend heterogen“, sagt Florian Dörr, Leiter der Edge Practice in der DACH-Region bei Hewlett Packard Enterprise. „Unser Ansatz hilft Firmen, ihre Industrie-4.0-Ziele auch unter diesen Bedingungen zu erreichen. Durch die Offenheit der Architektur können künftige Standards problemlos eingebunden werden.“

Technologieneutrale Any-to-any-Kommunikation

Es fragt sich, was Offenheit in diesem Fall bedeutet. Der Industrial Service Bus (ISB) sei eine quelloffene Nachrichten-orientierte Middleware. Sie arbeitet mit einem Publish-Subscribe-Protokoll. Jede Maschine und jede Applikation kann über den ISB Datendienste veröffentlichen, die von anderen Maschinen und Applikationen abonniert werden. Das können zum Beispiel Sensordaten sein, Abweichungen von Soll-Werten oder die Ergebnisse der Verarbeitung solcher Daten, etwa aus MES- oder IoT-Applikationen.

Der ISB kann sowohl für den lokalen als auch für den globalen Datenaustausch genutzt werden. In einer Produktionsstraße für Schokoriegel kann zum Beispiel Maschine B von der vorgelagerten Maschine A die Abweichungen vom Soll-Gewicht abonnieren, so dass es bei Bedarf mehr oder weniger Schokomasse auftragen kann, um Ausschuss zu vermeiden. Oder eine Deep-Learning-Applikation in der Public Cloud abonniert Sensordaten von weltweit verteilten Produktionsmaschinen, um die Parameter seines neuronalen Netzes zu optimieren.

Der ISB beruht auf einer Microservices-Architektur und ist mit der Distributed Application Runtime (Dapr) implementiert, einer quelloffenen ereignisgesteuerten Laufzeitumgebung. Maschinen und Applikationen kommunizieren mit Dapr – Dapr wiederum regelt die Kommunikation mit der Technologie, über die der Datenaustausch abgewickelt wird, etwa „nats.io“, „RabbitMQ“ und „Kafka“. Dadurch ist der ISB Technologie-unabhängig, fügt sich in bestehende Messaging-, Streaming- und Protokoll-Umgebungen ein, und diese können mit relativ geringem Aufwand ausgetauscht werden.

Hard- und Softwarekomponenten der Distributed Industrial Cloud

Außer dem ISB umfasst die Distributed Industrial Cloud unter anderem die folgenden Technologien und Plattformen, mit denen sich eine komplette Edge-to-Cloud-Umgebung für Industrie 4.0 einrichten lässt:

• „HPE Edgeline EL300 Converged Edge System“ – ein Edge-optimiertes System, das die physische OT-IT-Schnittstelle bildet. Es kann sowohl für die Echtzeit-Datenanalyse vor Ort als auch für den Datentransfer in die Cloud genutzt werden. Das System beherrscht die bi-direktionale Steuerung und Kommunikation mit industriellen Systemen, etwa über High Speed Digital Input/Output, CAN-Bus, Modbus oder Profinet.

• „HPE Edgeline OT Link Plattform“ – verfügt über eine Workflow-Engine, mit der das Zusammenspiel von industriellen Netzen, Steuerungen und Daten mit Treibern, Middleware und IT-Anwendungen über eine grafische Benutzeroberfläche orchestriert und automatisiert werden kann. Gleichzeitig ermöglicht OT Link den Betrieb von Container-Anwendungen direkt am Edge. Dabei erfolgt die zentrale Administration der verteilten Infrastruktur mit dem „Edgeline Workload Orchestrator“.

• „Intel Openvino“ – ein kostenloses Toolkit für die schnelle Entwicklung von Anwendungen für das maschinelle Sehen mit Deep Learning. Es ermöglicht Deep Learning auf der Basis von Hardwarebeschleunigern und auf verschiedenen Intel-Plattformen. Es beinhaltet das „Intel Deep Learning Deployment Toolkit“ mit einem Model Optimizer und einer Inference Engine sowie optimierten Computer-Vision-Bibliotheken und -Funktionen für OpenCV und OpenVX. Damit unterstützt Openvino das gesamte Spektrum von Bilderkennungsanwendungen.

• „Microsoft Azure“ und „Microsoft Azure Stack“ – eine große Sammlung von Diensten, zum Beispiel PaaS- (Platform as a Service), IaaS- (Infrastructure-as-a-Service) und verwaltete Datenbankdienste, die in der Public Cloud (Azure), Hybrid oder Private Cloud (Azure Stack) betrieben werden können. Damit können Produktionsunternehmen ihre Dienste dort betreiben, wo ihre technischen, regulatorischen oder organisatorischen Kriterien am besten erfüllt werden.

• Hard- und Software-basierte Sicherheitsfunktionen von HPE, Intel und Microsoft – etwa hardwarebasierte Kryptographie, manipulationsresistente Daten, Zero-Trust-Netzwerksicherheit und User and Entity Behavior Analytics

Fast-Start-Paket und As-a-Service-Modell

HPE bietet Beratungs-, Implementierungs- und Betriebsdienstleistungen für die Distributed Industrial Cloud. Dazu gehört ein Fast-Start-Paket, das einen Workshop und alle erforderliche Software, Hardware und Services für die zügige Umsetzung eines ersten Anwendungsfalles umfasst. Die Architektur ermöglicht danach eine Skalierung vom ersten Probelauf bis zur globalen Edge-to-Cloud-Fertigungsinfrastruktur.

Über HPE Greenlake kann die Distributed Industrial Cloud auch im As-a-Service-Modell bezogen werden – etwa durch eine Bepreisung pro Monat und Maschine für alle bereitgestellten Hardware-, Software- und Service-Bausteine. Produktionsunternehmen reduzieren damit ihre Anfangs-Investitionen und ihre Kosten skalieren parallel zur Auslastung. Dabei übernimmt HPE die Ende-zu-Ende-Betreuung der Umgebung und entlastet damit den Kunden vom Management der Edge-to-Cloud-Infrastruktur.

Die Preise für das Fast-Start-Paket beginnen bei 20.000 Euro. Wird die Übertragung in die Azure Cloud wahrgenommen bepreist sich die Übertragung vom IoT-Hub in die Cloud nach Message-Größe, laut Max Moorwind, EMEA Global Black Belt IoT Technical Sales Lead bei Microsoft, sei das aber eine „überschaubare Größe“. Dazu kommt noch das, was in der Cloud gerechnet werden muss.

Das meiste müsse einfach lokal gerechnet oder auch aggregiert werden, erläutert Dieter Hoffend, Director Sales Industry 4.0 bei Intel. Zum Beispiel sollten nur Daten in die Cloud gehen, die zum Training eines neuronalen Netzes oder eines Deep-Learning-Modells notwendig seien. Die Ergebnisse könnten dann gezielt an die Inferenz-Maschinen zurückgespielt werden. Die Logik in dem gemeinsamen Angebot von HPE, Intel und Microsoft erlaube sowohl eine Differenzierung der Anwendungen als auch eine Kostenoptimierung.

Standardisierung adressiert

In einer idealen Welt wäre die Standardisierung der Protokolle und der Application Programming Interfaces (APIs) auch in der operativen Technik gegeben. Und tatsächlich bewege sich die Industrie in Richtung Standards, etwa OPC UA. Doch betrachte man es realistisch dauerte es gewiss noch Jahrzehnte, bis sich überhaupt ein der IT vergleichbares Szenario einstellen werde, sind die die Vertreter von HPE, Microsoft und Intel einig. Allerdings gaben auch hier Microservices und Container-Technologie die Richtung für skalierbare Anwendungen vor.

Bis dahin seien OT-Links Teil der Lösung, die die Partner mit der Distributed Industrial Cloud nun anbiete. Laut Moorwind gibt es zudem bereits Hunderte Adaptoren, Übersetzungsmodule, die über Github als Open Source zur Verfügung stehen. Noch bedeuteten diese einen Mehraufwand in der Implementierung, doch das gemeinsame Angebot biete eben nicht nur Hardware und Software sondern auch Beratung und Support.

Sicherheit gehört organisiert

Gibt es eine Verbindung von der Produktionsstraße in die Cloud, braucht es zudem Sicherheit auf verschiedenen Ebenen. Zum Teil seien die Produktionsanlagen schlichtweg mit Industriekomponenten bestückt, die sich nicht sicherer machen ließen, erläutert Dörr. So gebe es beispielsweise Betriebssysteme, die weder ein Update erfahren könnten noch Patches vertrügen. „Da muss sich die Security auf der Netzwerkebene abspielen, um diese Technik quasi abzukapseln.“

Intel-Mann Hoffend ergänzt: „Die Netze müssen sich mithilfe von Künstlicher Intelligenz dynamisch segmentieren lassen.“ KI-gestützte Automatismen müssten helfen, Geräte zu authentifizieren, Abhängigkeiten zu erkennen und Profile richtig zuzuweisen.

(ID:46959563)