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)
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
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.
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
- 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 - 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.
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.