Produzierende Unternehmen müssen ihre Prozesse ständig optimieren, um auf dem Markt zu bestehen. Die Auswertung sämtlicher Produktionsdaten mit Big-Data-Analysen ist ein zunehmend wichtiges Werkzeug. Sollen dafür Cloud-Dienste in Anspruch genommen werden, gibt es jedoch etliche Dinge zu beachten.

In modernen Produktionen fallen täglich Datenmengen im Giga- oder sogar Terrabyte-Bereich an. Ein einzelner Computer reicht schon lange nicht mehr aus, um all diese Daten zu speichern und auszuwerten. Daher setzen immer mehr Maschinen- und Anlagenbetreiber auf Datenbanklösungen oder selbst gehostete Clouds, sogenannte Private Clouds.

Eine Private Cloud benötigt ein eigenes Rechenzentrum und IT-Spezialisten, die sich rund um die Uhr um die Verfügbarkeit der Cloud kümmern. Besonders kleinere und mittelständische Unternehmen können diesen Aufwand aus wirtschaftlichen Gründen nicht betreiben. Daher wollen sie die Public Clouds großer Anbieter nutzen. Aufgrund des hohen Datenaufkommens und aus sicherheitstechnischen Gründen ist es jedoch nicht ratsam, alle Produktionsdaten ungefiltert in eine öffentliche Cloud zu schicken.

Edge-Computing mit Aprol

Es bietet sich an, Edge-Computing anzuwenden und nur ausgewählte Daten in die Cloud zu übermitteln. Edge-Computing sieht vor, dass Daten dezentralisiert vorverarbeitet und zwischengespeichert werden, bevor sie zu einer zentralen Stelle übertragen werden. Dadurch wird das Datenaufkommen reduziert und die Funktionsfähigkeit des Systems auch bei Netzwerkausfällen garantiert. Edge-Computing gilt als eine wichtige Voraussetzung für das Internet der Dinge.  Sämtliche Vorteile der Public Cloud stehen zur Verfügung, zum Beispiel eine beliebig skalierbare IT-Infrastruktur, weltweite Verfügbarkeit und Cloud-Services für Big-Data-Analysen. Gleichzeitig werden die Nachteile minimiert.

Mit dem B&R-Prozessleitsystem lässt sich eine solche Lösung ganz einfach einrichten: Aprol lässt sich beliebig skalieren und auch für Factory Automation einsetzen. Mit vorkonfigurierten Paketen lassen sich zum Beispiel ein vollständiges Energie-Monitoring oder ein Condition-Monitoring-System mit wenig Aufwand einrichten.

Für Edge-Computing und Big Data Analysen in der Cloud wird eine Aprol-Installation in der Produktionsstätte auf einem Industrie-PC eingerichtet. Dort werden Daten vorverarbeitet und komprimiert. Eine zweite Installation läuft auf einem virtuellen Computer in der Cloud. Dort können Daten von beliebig vielen Stationen gesammelt werden. Zum Beispiel kann ein Unternehmen mit 50 Produktionsstätten weltweit problemlos alle wichtigen Daten in einem System aggregieren. Durch die Vorkomprimierung wird das Datenaufkommen reduziert. Zudem kann eingestellt werden, dass hochsensible Daten nur lokal gespeichert werden.

Big Data analysieren

In der Cloud können dann mit den eingebauten Analyse- und Reportingtools von Aprol  zum Beispiel leistungsfähige Business-Intelligence-Lösungen ablaufen. Damit werden Analysen großer Datenmengen übersichtlich und aggregiert dargestellt und liefern wertvolle Informationen für die Optimierung der Produktion. Die Datenbank kann natürlich auch mit den Big-Data-Analysetools der Public-Cloud-Anbieter ausgewertet werden.

Für die Datenübertragung von der lokalen Aprol-Installation in die Cloud setzt B&R auf OPC UA, ein herstellerunabhängiges Kommunikationsprotokoll für Automatisierungsanwendungen in der Industrie. Es basiert auf dem Client-Server-Prinzip und ermöglicht die durchgängige Kommunikation von einzelnen Sensoren und Aktoren bis zum ERP-System oder in die Cloud. Das Protokoll ist plattformunabhängig und verfügt über eingebaute Sicherheitsmechanismen. Da OPC UA flexibel und vollständig unabhängig ist, wird es als ideales Kommunikationsprotokoll für die Umsetzung von Industrie 4.0 angesehen.

Um eine problemlose Datenübertragung auch bei hoher Latenzzeit und schlechter Netzwerkqualität zu garantieren, lassen sich die OPC-UA-Datenpakete auch über AMQP und MQTT, sogenannte Queuing-Protokolle, übertragen. Sie ermöglichen es, Datenpakete zuverlässig zu übermitteln, auch wenn die Netzwerkverbindung schlecht oder zeitweise unterbrochen ist. Dazu werden die Datenpakete gegebenenfalls gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt versendet.

Optimale Systemarchitektur

Mit dieser Systemarchitektur werden alle anfallenden Aufgaben einer vernetzten Produktion optimal abgedeckt. Auf der Steuerungsebene sind Reaktionszeiten und Auflösungen bei der Signalabtastung im Sub-Millisekundenbereich realisierbar, um zum Beispiel mechanische Schwingungen hochpräzise zu erfassen. Daten werden dort nur vorübergehend gespeichert, die Datenmengen bewegen sich im Kilo- oder Megabytebereich. Zur mittelfristigen Archivierung werden die Daten in der lokalen Aprolo-Installation aufbereitet und gespeichert und sind dort für Stunden, Tage oder Monate verfügbar. Je nach Performance und Speicherkapazität der verwendeten Hardware reicht die Zeitauflösung bis in den Mikrosekundenbereich. Das schafft die Möglichkeit, Big-Data-Auswertungen von Echtzeitdaten auch direkt im lokalen Aprol zu machen.

Zur Langzeit-Archivierung und für langfristige Big-Data-Analysen werden Daten vorzugsweise aggregiert in die Cloud übertragen. Dort können sie zeitlich unbegrenzt gespeichert werden, auch der Speicherplatz ist nahezu unendlich. Beim Zeitverhalten liegt man in der Cloud meist im Minuten- oder gar im Stundenbereich. Das erklärt auch, wieso es derzeit noch nicht ratsam ist, Steuerungsaufgaben in die Cloud zu verlagern: Die nötigen Reaktionszeiten und auch die Verfügbarkeit werden mit Standardlösungen heute noch nicht zuverlässig erreicht.

Verteilte Teams und virtuelle Inbetriebnahme

Die Cloud lässt sich auch für das Engineering einer Aprol-Applikation nutzen. Besonders bei weltweit verteilten Entwicklerteams bietet das viele Vorteile. Da Aprol das gleichzeitige, sogenannte Concurrent Engineering, unterstützt, lässt sich die Entwicklungsarbeit auch bei vielen Beteiligten sehr effizient online in einem gemeinsamen Projekt umsetzen.

Auch die Inbetriebnahme einer kompletten virtuellen Anlage in der Cloud ist möglich. Dabei können sämtliche Funktionen und die Lauffähigkeit der Anlage getestet werden. Das spart sehr viel Zeit und Geld. Negative Überraschungen bei der tatsächlichen Inbetriebnahme nehmen deutlich ab.

Auch wenn ein Umstieg auf eine neue Systemsoftware geplant ist, kann das Update in der Cloud getestet werden. Dazu stellt B&R Images bereit, mit denen sämtliche aktuell unterstützten Aprol-Releases in der Cloud innerhalb kurzer Zeit installiert und verwendet werden können. So werden umfassende Sparpotenziale während des Engineerings, zur Laufzeit und bei der Wartung realisiert.