Die Benutzeroberfläche von Dataeagle zeigt die Parameter auch grafisch.

Bild: Schildknecht AG

Industrie 4.0 in der Automatisierungstechnik Edge-Gateway mit Device-Cloud

31.08.2018

Im Zusammenspiel von Edge-Gateways mit einer globalen, bei vielen Hundert Mobilfunk-Providern gültigen eSIM-Karte und einer zentralen Device-Cloud mit Managementfunktionen entstehen attraktive Industrie-4.0-Lösungen. Besonders der Maschinenbau sieht große Chancen, wegen niedriger und konstanter Übertragungskosten.

Industrie-4.0-Geschäftsmodelle werden variantenreich konzipiert und gelöst. Gemeinsam ist vielen Lösungen speziell im Maschinenbau die Aufgabe, die Daten von global installierten Maschinen zu erfassen, zu möglichst niedrigen Kosten einem zentralen „Manager“ für die Daten und Geräte zu senden, dort einer Vorverarbeitung zu unterziehen und die Ergebnisse in einem Portal grafisch darzustellen. Eine neue Generation von Edge-Gateways samt Device-Cloud als „Manager“ löst genau diese Aufgabe und kann zusätzlich aktiv (programmierend) auf die Maschinen zugreifen.

Stand der Technik

Die Kommunikation mit global installierten Maschinen wurde bislang meist über VPN-Tunnel oder regionale Mobilfunknetzte realisiert. Beide Verfahren haben Nachteile: VPN-Tunnel müssen immer wieder neu aufgebaut werden und sind oft nicht oder nur eingeschränkt realisierbar. Bedingt durch fehlende Internet-Verfügbarkeit oder Blockade seitens der IT-Abteilung. Regionale Mobilfunknetze erfordern jeweils spezifische SIM-Karten, die kein Ausweichen auf Alternativ-Netze bieten, ihre Nutzung kann zusätzlich sehr kostenintensiv sein. Für die Branche der Maschinenbauer waren das bisher deutliche Hindernisse für die Umsetzung von Konzepten im Rahmen von Industrie 4.0.

Neuer Lösungsansatz

Der neue Lösungsansatz beruht auf zwei kompakten Geräten der Reihe Dataeagle–Funkmodule (DE 7050 und DE 7051) und deren Zusammenspiel mit einer direkt zugeordneten Device-Cloud des Herstellers für Datenfunksysteme Schildknecht. Die Eingangs- und Ausgangsfunktionen beider Gateways sowie der dazwischen liegende Funktionsbereich wurden bei der Entwicklung sehr genau auf die Anforderungen eines Edge-Gateways ausgerichtet: Weltweit Daten von Anlagen, Maschinen, Geräten direkt an der Datenquelle und zugleich am Rand eines Netzwerkes sammeln, direkt vorverarbeiten, komprimieren und dann möglichst günstig an eine zugeordnete Device-Cloud zur weiteren Verarbeitung senden.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe bieten die DE 7050/51-Geräte eingangsseitig viele Signaleingänge, vom klassischen 0-10 V/4-20 mA analogen Sensorsignal, über SPI und RS232/485 bis zum Feldbusanschluss für Profibus, Profinet oder Powerlink. Auch kabellose, bluetoothbasierte Sensoranschlüsse sind vorhanden. Ausgangsseitig sind die Geräte mit einer universellen, bei etwa 400 Mobilfunk-Providern weltweit akzeptierten eSIM-Karte zur automatischen Einwahl in das vor Ort jeweils stärkste Mobilfunknetz ausgerüstet, um die Daten über dieses dichte „Wegnetz“ an das Internet oder eine definierte Cloud zu senden.

Die Datenübertragung ist angesichts der eingesetzten Verschlüsselungsverfahren AES (Advanced Encryption Standard) und RSA (Rivest, Shamir und Adleman) und Nutzung eines professionellen Servers bestmöglich gesichert. Mit den übertragenen Messdaten werden keine weiteren erklärenden Informationen übertragen, sodass sie nur für die autorisierten Empfänger sinnvolle Informationen enthalten. Die Geräte (Bild 2) sind in den Schutzarten IP 20 erhältlich, können jedoch auch an bestimmte Applikationen angepasst werden. Was ihre Konnektivität betrifft: Mit Mobilfunk nutzten die Dataeagle die Kommunikationstechnologie mit der weltweit höchsten regionalen Abdeckung bei vergleichsweise sehr geringen Übertragungskosten.

Das Gateway DE 7051 enthält zusätzlich das Softwarepaket Accon-AGLink von Delta Logic, wodurch es möglich wird, direkt und ohne Steuerungs-Know-how vor Ort über das Dataeagle-Portal auf Siemens-Steuerungen zuzugreifen, um Daten auszutauschen. Das ermöglicht beispielsweise die Programmierung und Inbetriebnahme von Maschinen über die Cloud, eine für neue Geschäftsmodelle sehr wichtige Funktion. Ein weiteres Leistungsmerkmal dieser Software ist die Möglichkeit, Projektdaten aus dem Engineering-Framework TIA-Portal V14 einlesen zu können; darüber hinaus stehen auch bereits ausprogrammierte Funktionen beispielsweise für das Visualisieren, Überwachen oder Archivieren von Daten zur Verfügung.

Die Entwicklung der Gateways DE 7050 und 7051 ist die Antwort auf den deutlichen Trend, dass Industrie-4.0-Konzepte jetzt zunehmend in praktische Lösungen umgesetzt werden, wozu diese Geräte mit ihren Eigenschaften und speziell der Programmierfunktion wichtige Unterstützung leisten. Hierzu trägt auch bei, dass das DE 7051 Embedded Linux nutzt, was die zukünftige Integration weiterer Softwarepakete wie zum Beispiel OPC UA erleichtert.

Die Device-Cloud Dataeagle-Portal

Zum neuen Lösungsansatz gehört auch die vom Datenfunkspezialisten seit Jahren auf einem hochsicheren Server betriebene Schildknecht-Device-Cloud mit dem Namen Dataeagle-Portal. Diese Cloud bietet viele und vielseitige Funktionen:

  • Sie übernimmt und sammelt die von den weltweit installierten DE 7050/7051-Gateways gesendeten Daten,

  • sie stellt diese Daten in aufbereiteter Form den Nutzern in einem Portal beziehungsweise zum Abruf zur Verfügung,

  • sie übernimmt Management-Aufgaben an den installierten Gateways wie Umsetzung von Updates, Einspielen neuer Betriebssystem-Software over-the-air (OTA) oder Koordination von Zugriffsrechten von Nutzern auf Geräte,

  • sie kann - über das DE 7051 – Änderungen im Projekt der Maschine vornehmen,

  • sie kann Daten in aufbereiteter Form über ein Standard-API höheren Clouds wie SAP Hana, Microsoft Azure, Siemens Mindsphere und anderen zur Verfügung stellen und

  • die Abrechnung der Mobilfunkkosten vornehmen, ein Kernelement für die Skalierbarkeit.

Ohne diese Device-Cloud müsste jedes „Ding“ mit seinen Daten einzeln in übergeordnete Clouds integriert werden; eine für die Nutzer, wie vor allem Maschinenbauer, inakzeptable Lösung.

Zielgruppen

Zielgruppen der beschriebenen Gerätetechnik sind primär der Maschinenbau und im weiteren Sinn die gesamte Automatisierungstechnik. Im Maschinenbau gibt es den Trend zu immer leistungsfähigeren und mit immer mehr Sensorik für Überwachungszwecke ausgerüsteten Systemen, die weltweit auch an sehr abgelegenen Orten installiert sind. Die Betreiber oder auch die Hersteller haben großes Interesse, diese Systeme mit einer Cloud zu vernetzen und auf diese Weise deren Funktion zu überwachen, um in kritischen Fällen kurzfristig eingreifen zu können.

Durch den Einsatz der Remote-Monitoring-Technologie mit den Edge-Gateways und der Device-Cloud Dataeagle-Portal entstehen neue Geschäftsmodelle, die sich in der Praxis bereits gut bewähren. Ein Beispiel sind Portalkräne zum Containertransport in zum Teil sehr abgelegenen Häfen, deren Stromversorgung nicht ausschließlich über Schleifkontakte, sondern auch durch riesige Batterie-Container erfolgt. Das hierauf spezialisierte deutsche Unternehmen Conductix-Wampfler hat zur Funktionsüberwachung dieser Container die hier beschriebene DE 7050-Technologie erfolgreich im Einsatz.

Bildergalerie

  • Der kompakte Dataeagle7050

    Bild: Schildknecht AG

  • Der Aufbau eines Edge-Gateways mit dem Dataeagle

    Bild: Schildknecht AG

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