Der Weg in die Public Cloud
Cloud-basierte Kommunikations- und Datendienste versuchen nun die genannten Nachteile zu vermeiden, indem sie dem Anwender eine abstrahierte Sichtweise auf die zugrunde liegenden Hard- und Software-Systeme zur Verfügung stellen. Abstrahiert bedeutet hierbei, dass ein Anwender sich bei der Nutzung eines Dienstes keinerlei Gedanken um das jeweilige Serversystem machen muss. Er muss sich lediglich um die jeweilige Dienste-Nutzung kümmern. Sämtliche Wartungs- und Pflegearbeiten der IT-Infrastruktur werden seitens des Anbieters eines Cloud-Systems durchgeführt. Solche Cloud-Systeme lassen sich in die Begriffe Public und Private Cloud unterteilen. Die sogenannten Public Cloud Service Provider, wie z.B. Microsoft Azure oder Amazon Web Services (AWS), stellen dem Anwender diverse Dienste aus den eigenen Rechenzentren zur Verfügung. Dies beginnt bei virtuellen Maschinen, in denen der Anwender selbst die Kontrolle über das Betriebssystem und die darauf installierten Anwendungen hat, und reicht bis hin zu abstrahierten Kommunikations- und Datendiensten, die vom Nutzer in eine Applikation integriert werden können. Letztere beinhalten z.B. auch den Zugriff auf Machine-Learning-Algorithmen, die auf Basis bestimmter Maschinen- und Produktionsinformationen Voraussagen und Klassifizierungen hinsichtlich gewisser Datenzustände treffen können. Die notwendigen Inhalte hierfür erhalten die Algorithmen mit Hilfe der Kommunikationsdienste. Solche Kommunikationsdienste basieren üblicherweise auf Kommunikationsprotokollen, die auf dem Publish/Subscriber-Prinzip basieren. Dies bringt durch eine hierdurch entstehende Entkopplung aller miteinander kommunizierenden Applikationen durchaus Vorteile mit sich. Zum einen müssen sich alle Kommunikationsteilnehmer nicht mehr untereinander kennen, d.h. eine ggf. aufwendige Bekanntgabe von Adressinformationen wird reduziert. Alle Applikationen kommunizieren über den zentralen Cloud-Dienst. Zum anderen handelt es sich bei der Datenkommunikation mit dem Cloud-Dienst, dem sogenannten Message Broker, aus Sicht des Endgeräts um eine rein ausgehende Kommunikationsverbindung – egal ob Daten gesendet (Publish) oder empfangen (Subscribe) werden. Die sich dadurch ergebenden Vorteile bei der Konfiguration der IT-Infrastruktur sind offensichtlich: Es müssen keinerlei eingehende Kommunikationsverbindungen konfiguriert werden, z.B. in Firewalls oder anderen Netzwerkendgeräten. Dies reduziert die Einrichtungs- und Wartungskosten seitens der IT-Infrastruktur erheblich. Bei den für die Datenkommunikation verwendeten Transportprotokollen handelt es sich um sehr schlanke und standardisierte Protokolle, wie z.B. MQTT und AMQP. Zudem sind hierin auch diverse Sicherheitsmechanismen verankert, z.B. die Verschlüsselung der Datenkommunikation und die Authentifizierung gegen den Nachrichten-Broker. Das standardisierte Kommunikationsprotokoll OPC UA hat den Mehrwert eines Publish/Subscribe-basierten Kommunikationsszenarios ebenfalls erkannt und entsprechende Schritte eingeleitet, um dieses Kommunikationsprinzip in die Spezifikation zu integrieren. Somit wird zusätzlich zu MQTT und AMQP ein weiterer Standard als Transportmechanismus bis in die Cloud zur Verfügung stehen.
Die Private Cloud
Solche Publish/Subscribe-Mechanismen lassen sich jedoch nicht nur in Public-Cloud-Systemen, sondern auch im Unternehmens- oder Maschinennetzwerk nutzbar machen. Im Falle von MQTT und AMQP kann die hierfür benötigte Infrastruktur in Form eines sogenannten Message Brokers ganz einfach auf einem beliebigen PC installiert und zur Verfügung gestellt werden. Dadurch lassen sich sowohl M2M-Szenarien als auch die Anbindung von beliebigen Endgeräten, wie z.B. Smartphones, an die Steuerung realisieren. Außerdem wird der Zugriff auf diese Geräte durch Firewall-Systeme weiter abgesichert. Auch die Erweiterungen der OPC-UA-Spezifikation hinsichtlich Publish/Subscribe vereinfachen zukünftig die Konfiguration und Nutzung von 1:N-Kommunikationsszenarien innerhalb eines Maschinennetzwerkes.
Produkte für Industrie 4.0 und IoT
Beckhoff stellt dem Anwender diverse Komponenten für eine einfache und standardisierte Integration in Cloud-basierte Kommunikations- und Datendienste zur Verfügung. Die IoT-Produkte innerhalb der Automatisierungs-Software Twincat 3 bieten diverse Funktionalitäten, um Prozessdaten über standardisierte Publish/Subscribe-basierte Kommunikationsprotokolle auszutauschen und auf spezielle Daten- und Kommunikationsdienste von Public Cloud Service Providern zuzugreifen. Entsprechende Dienste können in Public-Cloud-Systemen, wie Microsoft Azure oder Amazon Web Services (AWS) gehostet werden, aber ebenso gut in Private-Cloud-Systemen zum Einsatz kommen. Der Zugriff auf diese IoT-Funktionen kann wahlweise über spezielle Funktionsbausteine direkt aus dem Steuerungsprogramm heraus erfolgen oder über eine ‚Twincat IoT Data Agent‘ genannte Applikation außerhalb des Steuerungsprogramms konfiguriert werden. Die zu übermittelnden Prozessdaten lassen sich auf einfache Art und Weise über einen grafischen Konfigurator selektieren und für den Transfer an einen bestimmten Dienst konfigurieren. Ein großer Vorteil hierbei ist, dass der Data Agent auch die Integration von Cloud-basierten Diensten in ältere, bereits existierende Twincat-Anlagen ermöglicht. Weiterhin kann das Auslesen der Prozessdaten hierbei auch über das standardisierte Kommunikationsprotokoll OPC UA erfolgen, sodass Daten von Nicht-Beckhoff-Systemen ebenfalls verwendet werden können. Eine zusätzlich erhältliche Smartphone App ermöglicht die mobile Anzeige von Alarm- und Statusmeldungen einer Maschine. Geht es um die direkte Weiterleitung von I/O-Signalen ohne Steuerungsprogramm, so lassen sich über den IoT-Buskoppler EK9160 von Beckhoff die I/O-Daten über eine einfach zu konfigurierende Website auf dem Gerät für den Versand an einen Cloud-Dienst parametrieren. Der Buskoppler übernimmt dann eigenständig den Versand der digitalen oder analogen I/O-Werte an den Cloud-Dienst. Eine IoT-Kopplerstation besteht hierbei aus einem EK9160 und einer nahezu beliebigen Anzahl an leistungsfähigen und schnellen Ethercat-Klemmen. Die an den Cloud-Dienst wahlweise auch verschlüsselt übertragenen Daten werden in einem anwenderfreundlichen und standardisierten JSON-Format versendet. Erweiterte Mechanismen, wie ein lokales Buffering der I/O-Daten im Falle einer unterbrochenen Internetverbindung, stehen hierbei genauso zur Verfügung wie das Monitoring von angeschlossenen Feldbussen. Somit können die I/O-Signale nicht nur über Ethercat, sondern z.B. auch über CANopen oder Profibus eingesammelt werden.
