Vernetzung in der Cloud Der schnelle Weg zur eigenen Connected-Edge-Lösung

Anbieter zum Thema

TQ-Group

Ahlborn Mess- und Regelungstechnik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

NetModule AG

Ist eine IoT-Lösung in Teilaspekten noch in der Schwebe, hilft ein Proof of Concept, um technische Herausforderungen zu testen, den Kunden zu begeistern und das eigene Geschäftsmodell zu evaluieren. TQ unterstützt dabei mit seinen Cloud-Starter-Kits.

Von besonderem Interesse sind die TQ-Starter-Kits für Entwickler, die ohne zeitaufwändiges Layout und Mustererstellung mit standardisierter und geprüfter Elektronik in die Realisierung eines Proof of Concepts (PoCs) starten wollen. Die hohe Skalierbarkeit der TQ-Module bietet zudem die Flexibilität, entsprechend des PoCs zu evaluieren, welche Leistungsklassen für die Anwendung im marktfähigen Produkt benötig werden und sind somit einfach anpassbar auf die Bedürfnisse.

Der typische Anwendungsfall im industriellen Umfeld ist die Übertragung von Daten, etwa die CAN Messages der angeschlossenen Geräte beziehungsweise Sensoren in die Cloud. Dabei spielt die Topologie des Netzwerkes eine wichtige Rolle: Stehen die Maschinen vernetzt in einer Fabrikhalle oder sind sie örtlich verteilt? Im ersten Fall kann ein IoT-Gateway (TQ-Lösung) beispielsweise die Vorverarbeitung der Daten übernehmen und sie dann geschützt an eine Cloud-Plattform schicken – also das klassische OPC-UA-Client-/Server-Szenario. Im zweiten Fall gibt es lokal kein Netzwerk und die Geräte beziehungsweise Sensoren müssen ihre Daten selber in die Cloud schicken. Dabei unterstützt sie das TQ Cloud Starter Kit mit seiner bereits integrierten LTE Connectivity, die eine TLS-verschlüsselte Verbindung in die Cloud ermöglicht. Weitere Übertragungswege wie LoRa, NB-IoT oder Sigfox sind auf Wunsch für die spezifische Lösung durch den TQ-Embedded-Bereich realisierbar. Die Cloud stellt den Broker (MQTT-Server) bereit und damit ist das OPC-UA-Pub-Sub-Szenario gegeben.

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Use Cases

Sind die Daten in der Cloud, kann dort die Datenverarbeitung erfolgen und die Darstellung einem Frontend überlassen werden. Use Cases wie Predictive Maintenance, Maschinenmanagement, KI-basierte Funktionen bis hin zu einem Pay-per-Use-Geschäftsmodell sind möglich.

Ein konkretes Beispiel für eine Cloud-Lösung ist die Integration von Hall-Sensoren, um den Stromverbrauch eines Motors und des gesamten Gerätes zu erfassen. Dies hilft bei der Entwicklung von Neugeräten, aber auch als Nachrüstlösung bei bestehenden Maschinen und Anlagen. In Zeiten stark steigender Stromkosten muss ein erfolgreiches, unternehmensweites Energiemanagement den Verbrauch und die Nutzungsstruktur aller Geräte und Maschinen erfassen und verstehen, um die entsprechende Maßnahmen einleiten zu können.

Ein über die Zeit ansteigender Stromverbrauch ist auch ein wertvolles Indiz, dass es zu Verschleiß beim Motor beziehungsweise der Maschine kommt und eine Wartung fällig wird. Dazu sammelt ein Cloud-Service die erfassten Sensordaten, wertet sie aus und leitet notwendige Schritte ein. Dieses Konzept wird als Predictive Maintenance bezeichnet und verhindert kostspielige Stillstandzeiten in der Fertigung. Aber warum das Ganze als Cloud-Lösung aufsetzen und nicht in die Gerätesoftware integrieren? Für Nachrüstlösungen ist die Antwort naheliegend, denn man will die bestehende Software nicht anfassen und gegebenenfalls neu zertifizieren müssen. Zudem bleibt das bestehende Security-Konzept unangetastet.

Darüber hinaus punkten Cloud-Lösungen besonders, wenn mehrere Firmen zusammenarbeiten sollen. Im obigen Beispiel informiert die Cloud-Lösung den Fertigungsleiter über die Situation und gleichzeitig auch den Maschinenhersteller und seine Wartungs-Crew. Dass aber nur zwei Firmen beteiligt sind, wird immer seltener. So erfolgt beispielsweise die Wartung immer häufiger über Sub-Unternehmer. Die Maschinen selbst sind geleast und der eigentliche Eigentümer ist ebenfalls zu informieren. Bei allen beteiligten Firmen die jeweilige Unternehmenssoftware anzupassen, ist wirtschaftlich kaum darstellbar. Eine Cloud-Lösung ist erheblich einfacher in den jeweiligen Workflow integrierbar und die zugehörigen geringeren Kosten zuverlässiger ermittelbar – sogar per „Feldversuch“.

Flexibel durch Unabhängigkeit

In der konkreten Evaluierung hilft TQs Cloud-Starter-Kit Daten von CAN-Geräten/Sensoren per LTE in eine Cloud zu übertragen. Dabei kann man sich voll auf die Applikation und die Business-Logik konzentrieren: Die technischen Zwischenschritte wie die Sensor- und Maschinenanbindung am Edge, Datenaggregation, Cloudverbindung und die Protokollverarbeitung sind im Starter-Kit praxisgerecht zusammengefasst.

Für Entwickler bietet die Implementierung zahlreiche Vorteile. An erster Stelle steht die nahezu unbegrenzte Möglichkeit der Datenauswertung und Visualisierung durch die Cloud, je nachdem welche Cloud genutzt wird. Wer diese oder den MQTT Broker wechseln will, muss nur die gleichen Einstellungen wie der AWS Broker verwenden. Damit ist die Nutzung von anderen kommerziellen Anbietern ebenso möglich, wie eine selbstgehostete Cloud oder einen lokalen MQTT Broker im eigenen Netzwerk, also ohne Internetverbindung etwa zu Testzwecken.

Die konsequente Nutzung von standardisierten Protokollen wie MQTT und CAN eröffnet zahlreiche Anpassungsmöglichkeiten – auch für künftige Veränderungen. Sollte sich etwa ein neues, besseres Übertragungsprotokoll als MQTT etablieren und in open62541 implementiert werden, ist ein Wechsel des Protokolls möglich, ohne das OPC-UA-Datenmodell verändern zu müssen.

Die vielen Praxisbeispiele im Cloud-Starter-Kit unterstützen bei der Adaption eigener Use Cases, sind Vorlage für einen sicheren Verbindungsaufbau mit der Cloud sowie für das Versenden und Empfangen von Daten. Die Konfiguration ist über eine Serviceoberfläche im lokalen Netzwerk ohne Code-Anpassungen problemlos möglich, was Anwendern mit geringem Software-Hintergrund zu Gute kommt. Auch eine Einbindung in die eigene IT-Infrastruktur ist nicht nötig, da die direkte Anbindung an die Cloud einfach über 4G erfolgt.

Auch das Frontend ist leicht zu konfigurieren, ebenso die Einbindung in eine eigene AWS-Cloud-Umgebung. Zertifikate ermöglichen eine sichere Datenübertragung der CAN-Sensoren in die Cloud ebenso wie die Steuerbefehle für CAN-Aktuatoren aus der Cloud heraus. Mit einer Web-Oberfläche lassen sich die CAN-Daten in Echtzeit visualisieren. Ebenso wichtig ist die Anzeige des übertragenen Daten-Volumens der LTE-Schnittstelle, um das IoT-Geschäftsmodell entsprechend anpassen zu können.

Fazit

Mit TQs Cloud-Starter-Kit kann man einfach loslegen: Die SIM-Karte aktivieren, alles losgelöst von der Firmeninfrastruktur testen und dabei den (Daten-)Verbrauch beobachten. Aber nicht nur die Evaluation vereinfacht sich, das Kit liefert auch gebrauchsfertige Building Blocks, um die Entwicklung eigener Lösungen zu beschleunigen. (mk)

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