Edge & Cloud Compu­ting

In Kombi­na­tion die optimale Archi­tektur für IoT-Platt­formen

Skalier­bar­keit, Pay-per-Use und ein einfa­ches Deploy­ment sind aus Sicht der Entwick­lung einige Vorteile des Cloud-Compu­tings. Mit Edge Compu­ting können diese Stärken nun auch direkt auf dem Shopf­loor genutzt werden. Predic­tive Mainten­ance und Condi­tion Monito­ring sind nur zwei mögliche Anwen­dungs­fälle, die sich mittels Edge und Cloud­tech­no­lo­gien reali­sieren lassen.

In Verbin­dung mit entspre­chenden Kommu­ni­ka­ti­ons­schnitt­stellen entstehen so vielver­spre­chende Lösungen. Wir unter­stützen Sie gerne in allen Phasen Ihrer Edge oder Cloud- Projekte.

Situa­tion in der Indus­trie und Anfor­de­rungen an die IT-Infra­struktur

Indus­trie 4.0 hat zum Ziel, die inter­na­tio­nale Wettbe­werbs­fä­hig­keit der deutschen Indus­trie zu sichern. Durch die digitale Trans­for­ma­tion, also die Vernet­zung und Automa­ti­sie­rung, soll in der Ferti­gung die Indivi­dua­li­sie­rung geringer Losgrößen bei gleich­zeitig hoher Produk­ti­vität und zu geringen Kosten ermög­licht werden. Die Digita­li­sie­rung setzt also die Vernet­zung von Objekten, die Erhebung von Daten auf Feldebene, sowie die Verar­bei­tung dieser Daten bis zur Nutzung durch Extrak­tion zu Infor­ma­tionen voraus. Daraus resul­tieren hohe Anfor­de­rungen an die IT-Infra­struktur.

Durch das Internet der Dinge (IoT, Internet of Things) verschmelzen die virtu­elle mit der realen Welt. Alle Objekte wie z. B. Sensoren und Aktoren mit Netzwerk­zu­griff können über das Internet adres­siert werden, Infor­ma­tionen über ihre Umgebung mitteilen und wiederum beein­flusst werden. Dabei geht es um große Daten­mengen, schnelle Übertra­gungs­ge­schwin­dig­keiten und hohe Rechen­leis­tungen. Zur Lösung dieser Anfor­de­rungen bietet sich der Einsatz von Cloud-Techno­lo­gien an.

Charak­te­ri­sie­rung von Cloud-Techno­lo­gien

On-demand Self-Services

Der Nutzer kann jeder­zeit über das Internet auf IT-Ressourcen in der Cloud zugreifen, ohne Kontakt­auf­nahme mit dem Anbieter.

Broad Network Access

Die Nutzer können mithilfe von statio­nären bzw. mobilen Endge­räten (Computer, Laptop, Tablet, Smart­phone) über das Internet auf die IT-Ressourcen in der Cloud zugreifen.

Resource Pooling

Den Nutzern wird gemeinsam ein Pool an IT-Ressourcen (z. B. Server, Speicher) zur Verfü­gung gestellt, deren Leistungen von jedem Nutzer indivi­duell genutzt werden können.

Rapid Elasti­city

Die IT-Ressourcen und Services werden gemäß den Anfor­de­rungen schnell und flexibel zur Verfü­gung gestellt und können nahezu beliebig angepasst/ skaliert werden.

Measured Service

Die Nutzung der IT-Ressourcen in der Cloud werden trans­pa­rent überwacht und deren Leistung optimiert.

Service­mo­delle von Cloud-Techno­lo­gien

Cloud-Anwen­dungen können durch folgende Service­mo­delle unter­schieden werden:

SaaS sind browser­ba­sierte Software­an­wen­dungen, die i. d. R. kosten­günstig über das Internet angeboten und ohne spezi­elle IT-Kennt­nisse orts- und zeitun­ab­hängig genutzt werden können. Die Software­li­zenzen werden nicht erworben, sondern nur für die Nutzung bzw. Bereit­stel­lung bezahlt (z. B. zeitab­hängig, leistungs­ab­hängig). Zielgruppe sind Software­an­wender.

PaaS bietet eine flexibel erwei­ter­bare Platt­form (mit einer leistungs­fä­higen Umgebung) für Software­ent­wickler, um Anwen­dungen orts- und zeitun­ab­hängig entwi­ckeln und ausführen zu können. Es wird keine Hardware angeschafft, sondern flexibel nach Bedarf genutzt und bezahlt. Zielgruppe sind Software­ent­wickler.

IaaS ist ein virtu­elles Rechen­zen­trum mit flexibel und beliebig skalier­baren IT-Ressourcen (Rechen­leis­tung, Speicher, Netzwerke). Es wird keine Hardware angeschafft, sondern flexibel nach Bedarf genutzt und bezahlt. Zielgruppe sind IT-Archi­tekten.

Bei On Premise werden alle IT-Ressourcen (Rechen­leis­tung, Speicher, Server und Netzwerke) in eigener Verant­wor­tung aufge­baut, genutzt und betrieben. Dies ist also die klassi­sche IT-Infra­struktur, ohne Nutzung von Cloud Techno­lo­gien.

Cloud Compu­ting im Kontext von IoT-Platt­formen

Der Begriff Cloud (dt.: Wolke) ist definiert als die Nutzung von spezi­eller IT-Infra­struktur, um IT-Ressourcen über das Internet dynamisch zur Verfü­gung zu stellen und die Nutzung nach flexi­blen Bezahl­mo­dellen abzurechnen.

Eine Public Cloud ist die öffent­liche Cloud eines belie­bigen Anbie­ters. Sie kann sich von einer SaaS-Anwen­dung wie Google Docs oder Micro­soft Office 365 bis hin zur IaaS-Lösung durch die Clouds von Google, Amazon oder Micro­soft erstre­cken. Ein Vorteil der Public Cloud ist, dass sie sich beson­ders schnell bedarfs­ge­recht einrichten lässt. Dafür gilt sie aber aufgrund der Rechts­lage in einigen Ländern als unsicher.

Eine Commu­nity Cloud sind Infra­struk­turen, die von mehreren Unter­nehmen – beispiels­weise im Kontext eines Projekts – gemeinsam betrieben und genutzt werden, wobei bestimmte Dienste geteilt werden.

Vorteile

  • Sehr kurzfris­tige und belie­bige Skalier­bar­keit hinsicht­lich Rechen­leis­tung und Speicher­platz
  • Nutzung standar­di­sierter, digitaler Services aus Online-Markt­plätzen (Mehrwert­dienste) bzw. Anbieten und Vermark­tung eigener Services
  • Möglich­keit des Kunden­kon­takts und der Kunden­bin­dung über die Cloud bis hin zu neuen Geschäfts­mo­dellen
  • Zugriff auf die IT-Ressourcen ist jeder­zeit (365/24/7) und weltweit von jedem Ort aus (z. B. von jedem Unter­neh­mens­standort) möglich
  • Keinerlei Aufwand mit der Adminis­tra­tion der Infra­struktur, inkl. Daten­si­che­rung, keine Inves­ti­ti­ons­kosten und keine Risiken bezüg­lich des Ausfalls der Infra­struktur
  • Abrech­nung erfolgt entspre­chend der tatsäch­li­chen Nutzung (Pay-per-Use-Konzept)
Grafik zeigt Funktionsweise von Cloud Computing

Nachteile

  • Keine Echtzeit­fä­hig­keit durch die Latenz­zeit, also die Verzö­ge­rungs­zeit zwischen dem Auftritt eines Ereig­nisses und dem Eintreten einer Reaktion
  • Zugriff ist abhängig von der Inter­net­ver­bin­dung (Risiko der zeitweisen Störung/ des Ausfalls, i. d. R. verfüg­bare Daten­über­tra­gungs­rate begrenzt bzw. hohe Bandbreite erfor­der­lich)
  • Bei hohen Anfor­de­rungen an die IT-Ressourcen können höhere Kosten anfallen
  • Gewisses Sicher­heits­ri­siko (Standort der Server häufig im Ausland, DSGVO, vertrau­liche Infor­ma­tionen, Übertra­gung der Daten vom Standort in die Cloud und zurück)
  • Vendor Log-in: Genutzte Services können bei einem Anbie­ter­wechsel nur mit höherem Aufwand durch eine gleich­wer­tige Lösung ersetzt werden
Grafik zeigt Funktionsweise von Cloud Computing

Edge/ Fog Compu­ting im Kontext von IoT-Platt­formen

Edge Compu­ting beschreibt eine Art und Weise der dezen­tralen Daten­ver­ar­bei­tung, welche „am Rand des Netzwerks“ statt­findet. Dabei werden Daten in direkter Nähe dort verar­beitet, wo sie generiert bzw. gesam­melt werden.

Edge Compu­ting wird in Form einer Private Cloud mit eigenen Servern, Rechnern und Speichern am Unter­neh­mens­standort betrieben. Dies hat Vorteile bezüg­lich des Daten­schutzes, der IT-Sicher­heit und der Perfor­mance. Der Zugang ist häufig ausschließ­lich für eigene Mitar­beiter einge­richtet. Bei einer solchen Private Cloud handelt es sich oft um unter­neh­mens­spe­zi­fi­sche Software, eine Platt­form oder ein Intranet. Der gesicherte Zugriff über das Internet kann nach Bedarf ebenfalls einge­richtet werden. 

Grafik zeigt Vorteile von Edge Computing

Vorteile

  • Zugriff ist jeder­zeit mit sehr hoher Daten­über­tra­gungs­rate verfügbar, geringe Latenz­zeit und echtzeit­fähig (!)
  • Volle Hoheit über die Daten (Standort der Server im Unter­nehmen, vertrau­liche Infor­ma­tionen verlassen nicht das Unter­nehmen)
  • Keine vertrag­liche Bindung und Abhän­gig­keit von einem externen Cloud-Anbieter
  • Zugriff auf Daten von anderen Stand­orten aus über das Internet oder ein Intranet möglich

Nachteile

  • Aufwand und Verant­wor­tung für die Adminis­tra­tion der Infra­struktur (Personal, Know-how, Daten­si­che­rung, Kosten), Inves­ti­tions- und Wartungs­kosten sind vom Unter­nehmen zu tragen
  • Keine kurzfris­tige Skalier­bar­keit hinsicht­lich Rechen­leis­tung und Speicher­platz

Unsere Empfeh­lung: Hybrid-Lösung aus Edge und Cloud Compu­ting

Einsatz einer Hybrid-Cloud-Lösung bestehend aus

  1. einer Edge Lösung mit lokalen Servern und der Software für die Erfas­sung und Auswer­tung der lokalen Sensor‑, Maschinen- und Ferti­gungs­daten etc. nahe am Entste­hungsort zur direkten Beein­flus­sung und Steue­rung der Prozesse
    und
  2. einer Cloud Lösung mit virtu­ellen Servern und der Software zur stand­ort­über­grei­fenden Aggre­ga­tion von Anlagen‑, Prozess- und Logis­tik­daten etc. zur stand­ort­über­grei­fenden Steue­rung und für das Deploy­ment neuer Software etc.

Die Hybrid-Cloud-Lösung ist eine Misch­form aus Private Cloud und Public Cloud, die bestimmte Services über das Internet bei öffent­li­chen Anbie­tern und daten­schutz­kri­ti­sche oder leistungs­in­ten­sive Anwen­dungen und Daten in der eigenen Cloud betreibt.

Durch den sich ergän­zenden Einsatz von Edge- und Cloud-Compu­ting bietet sich die Möglich­keit, große Mengen unstruk­tu­rierter Daten effizient zu verar­beiten. Die Ziele hierbei sind eine Batch-Daten­ver­ar­bei­tung und das Generieren von Echtzeit­in­ter­ak­tionen. Die vernetzten IoT-Objekte müssen keine perma­nente Inter­net­ver­bin­dung haben. Die anfal­lenden Daten werden möglichst in den jewei­ligen lokalen Geräten verar­beitet und nur deutlich reduzierte Daten­mengen werden zu anderen IT-Instanzen bzw. in die Cloud trans­por­tiert. Aus diesem Ansatz ergeben sich neben Zeit- und Kosten­vor­teilen auch Vorteile bezüg­lich Sicher­heit und Verschlüs­se­lung von Daten.

Grafik zeigt Funktionsweise von Edge Computing

Vorteile

  • Schonung von Bandbreiten, weil Daten­trans­fers in die Cloud auf ein Minimum reduziert werden
  • Reduk­tion von Latenz­zeiten
  • Ununter­bro­chene Funkti­ons­weise der vernetzten IoT-Objekte auch bei Ausfall der Inter­net­ver­bin­dung oder bei Verzö­ge­rungen zur Cloud-Anbin­dung
  • Erhöhung der Sicher­heit, weil kritische/ sensible Daten in der unter­neh­mens­ei­genen Edge Cloud gespei­chert werden können
  • Zugriff auf Daten von anderen Stand­orten weiterhin über das Internet oder ein Intranet möglich

Anwen­dungs­bei­spiele

Condi­tion Monito­ring

Zustands­über­wa­chung von Produk­ti­ons­daten mit dem Ziel der Prozess- und Anlagen­op­ti­mie­rung

Predic­tive Mainten­ance

Als Erwei­te­rung des Condi­tion Monito­rings mit Zustands­daten in Echtzeit können Maschinen und Anlagen in Form der voraus­schau­enden Instand­hal­tung gewartet werden.

Unser Angebot

Unsere Kernkom­pe­tenz als Dienst­leister liegt in der Entwick­lung anspruchs­voller, indivi­du­eller Software­lö­sungen im indus­tri­ellen Umfeld. Dabei haben wir ein sehr breites Spektrum an Erfah­rungen in der Software­ent­wick­lung für Kompo­nenten und Maschinen, über die Vernet­zung von Anlagen bis zur Anbin­dung zu Cloud-Appli­ka­tionen. Mit diesem Wissen und unserem Know-how in der Gestal­tung von Schnitt­stellen, können wir auch für Ihren Anwen­dungs­fall die optimale IoT-Infra­struktur aufbauen und zum Leben erwecken. Eine durch­dachte Kombi­na­tion von Edge- und Cloud-Lösungen ist die optimale Grund­lage beispiels­weise zur Nutzung von Predic­tive Mainten­ance mit modernen Techno­lo­gien wie Machine Learning und künst­liche Intel­li­genz. Genau für solche Einsatz­fälle haben wir auch in Form von Software­tools die IIoT Building Blocks entwi­ckelt.

Wir verstehen uns als Ihr verläss­li­cher Entwick­lungs­partner und Impuls­geber: Von der Konzep­tion eines Archi­tek­tur­mo­dells Ihrer IoT-Platt­form mit Cloud-Techno­lo­gien, über die Program­mie­rung der Schnitt­stellen und die Imple­men­tie­rung bis zur konti­nu­ier­li­chen Weiter­ent­wick­lung, decken wir alle Phasen des Projekt­ver­laufs ab.

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