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Multiservice Edge Computing nah am Fertigungsprozess

Systemarchitekturen

Multiservice Edge Computing nah am Fertigungsprozess

Ohne Edge Computing wären viele moderne Fertigungsinfrastrukturen kaum zu betreiben. Edge-Systeme mit einer sogenannten serviceorientierten Architektur wollen dabei die Vorteile von Microservices mit denen traditioneller Komponenten kombinieren.

"Hardware follows software": Mit Edge Computing gelingt eine optimale Anbindung von Sensoren an die Cloud. (Bild: Schubert System Elektronik GmbH) [1]

„Hardware follows software“: Mit Edge Computing gelingt eine optimale Anbindung von Sensoren an die Cloud. (Bild: Schubert System Elektronik GmbH)

Im Zuge wachsender Vernetzung steigen die Anforderungen an IIoT-angebundene Maschinen und Anlagen. Die Datenwelt wird größer und komplexer, der Einsatz von Edge Computing-Technologie dadurch unabdingbar. Gerade für eine effiziente Fertigung ist ein durchgängiger und zuverlässiger Informations- und Datenfluss entscheidend. In modernen Infrastrukturen werden Daten von verschiedenen Maschinen, Anlagen und Komponenten unterschiedlicher Hersteller erzeugt und bereitgestellt. Eine Edge Computing Lösung bildet die Schnittstelle. Die aus der Steuerungs- und Prozessleitebene generierten Daten werden benötigt, um Produktionsprozesse zu bewerten, zu beeinflussen und damit die Effizienz der Produktion zu steigern.

Typische Systemanforderungen

Anwender stellen weitere Forderungen an Edge-Computing-Systeme: Diese sollen transparent sein, um einen Überblick über die Datenströme zu vermitteln und das Wissen eines Unternehmens und damit den Wettbewerbsvorteil zu schützen. Gleichzeitig sollen genügend Daten zur Verfügung stehen, um eine durch den Hersteller unterstütze Wartung zu ermöglichen und somit die Verfügbarkeit der Anlage zu erhalten. Die Plattform soll flexibel sein, damit einfach auf unterschiedliche Einflüsse reagiert werden kann. Ebenso ist eine Skalierbarkeit wichtig, um das System auf unterschiedliche Leistungsanforderungen anpassen zu können. Und letztlich wollen viele Anwender offene Systeme, damit sie eigene Software-Umgebungen, Versionen und Libraries nutzen können. Anforderungen, die wie selbstverständlich erscheinen. Dennoch gibt es Stand heute kaum eine Lösung am Markt, die die Bedürfnisse der Unternehmen an Hard- und Software sowie deren Flexibilität und Transparenz tatsächlich erfüllt und die genannten Herausforderungen in eine funktionierende Lösung umsetzen kann.

Technologietrend Microservices

Microservices erfahren seit Jahren immer wieder viel Aufmerksamkeit. In einer Microservice-Architektur werden Softwarefunktionen granular aufgelöst und ermöglichen so die mehrfache Verwendung, schnelle Bereitstellung (Deployment) und gezielte Wartung einzelner Services, unabhängig von der Gesamtfunktion eines Systems. Ebenso lässt sich mit mit Continuous Delivery und einer tiefen Testautomatisierung ein hoher Qualitätsstandard der Software erreichen. Durch die feine Auflösung der Funktionen ist die Größe der Datenpakete bei einem Update der Software verhältnismäßig klein, was etwa bei der Aktualisierung einer Maschine in Bereichen mit niedriger Datenbandbreite von Vorteil ist. Um Microservices konsequent umzusetzen, ist jedoch ein hoher Aufwand zum Aufbau der Architektur notwendig und auch das Management der Services ist ressourcenintensiv. Damit einher geht auch ein hoher Abstraktionsgrad der Funktionen, die sich von für den Anwender logischer Funktionalität löst.

Sensornahe Edge-Lösungen ermöglichen prozessnahe Analyse und Weiterverarbeitung von Daten, z.B. für die ­vorausschauende Wartung und Qualitätssicherung. (Bild: Schubert System Elektronik GmbH) [2]

Sensornahe Edge-Lösungen ermöglichen prozessnahe Analyse und Weiterverarbeitung von Daten, z.B. für die ­vorausschauende Wartung und Qualitätssicherung. (Bild: Schubert System Elektronik GmbH)

Anspruchsvolle Technik

In der Realität werden Microservices oft nicht konsequent umgesetzt und fokussieren sich auf eine Anwendung im Software-Back-End (Verarbeitungsebene), während das Front-End (Eingabe, Visualisierung) oft noch als klassische monolithische Architektur entwickelt wird. Bei der Änderung eines kleinen Softwareteils muss also die Gesamtfunktion des Systems getestet werden. Daraus ergeben sich hohe Testaufwände und eine entsprechend langsamere Bereitstellung von neuen Versionen. Auch bei einem Update muss immer die komplette Software bereitgestellt werden, was entsprechend große Datenpakete zur Folge hat. Ein monolithischer Ansatz hat zwar den Vorteil schnell sichtbare Ergebnisse zu liefern, da der Vorbereitungsaufwand deutlich geringer ausfällt. Er ist jedoch in Bezug auf Wartung, Flexibilität, Transparenz und Qualität im Nachteil. Betrachtet man die Datentransparenz, ist ein Monolith eine Black Box, die sich zudem schwer verändern lässt.

Serviceorientierte Architektur

Eine serviceorientierte Architektur kombiniert Ansätze aus den beiden Welten (Microservices und Monolith). Funktionen werden logisch gebündelt und die Komplexität so reduziert. Anwender müssen sich weniger Sorgen über Abstraktionen ihrer Funktionen machen. Die Bündelung von Services in logische Anlagenfunktionen kann für gute Übersicht bei gleichzeitiger Nutzung der Vorteile von Microservices hinsichtlich Deployment, Wartung und Qualität sorgen. Durch definierte Schnittstellen zwischen den Services können der Datenfluss transparent dargestellt und einzelne Services angepasst oder abgeschaltet werden, beispielsweise um kritische Daten im System zu belassen. Durch den Einsatz einer Container-Engine können neben selbst entwickelten auch Container anderer Anbieter integriert werden. Damit eröffnet sich ein weites Anwendungsfeld und die Möglichkeit auch weitere Anlagenfunktionen auf Microservice-getriebene Plattformen zu verlagern.