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Mit der Cloud Prozesse optimieren

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.

APROL-Cloud-Edge-Fog-Computing
Eine APROL-Installation in der Cloud bietet maximale Flexibilität bei maximaler Sicherheit.

„In modernen Produktionen fallen täglich Datenmengen im Giga- oder sogar Terabyte-Bereich an“, erklärt Martin Reichinger, Business Manager Process Automation bei B&R. 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“, sagt Reichinger.

Daten vorverarbeiten

Es bietet sich an, die Daten vorzuverarbeiten und nur ausgewählte Daten in die Cloud zu übermitteln. Bei diesem Vorgehen handelt es sich um das sogenannte Edge-Computing*. 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 APROL* lässt sich eine solche Lösung ganz einfach einrichten“, erklärt Reichinger. Eine APROL-Installation wird 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 APROL-Installationen gesammelt werden. „Ein Unternehmen mit 50 Produktionsstätten weltweit kann 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 kann ich die eingebauten Analyse- und Reportingtools von APROL nutzen, zum Beispiel unsere leistungsfähige Business-Intelligence-Lösung“, sagt Reichinger. Damit werden Analysen großer Datenmengen übersichtlich und aggregiert dargestellt und liefern wertvolle Informationen für die Optimierung der Produktion. Die Datenbank kann genauso von den Big-Data-Analysetools der Public-Cloud-Anbieter ausgewertet werden.

Für die Datenübertragung von der lokalen APROL-Installation in das Cloud-APROL setzt B&R auf das herstellerunabhängige Kommunikationsprotokoll OPC UA*. Um eine problemlose Übertragung auch bei hoher Latenzzeit und schlechter Netzwerkqualität zu garantieren, lassen sich die OPC-UA-Datenpakete auch über AMQP und MQTT* übertragen.

Um auf die Auswertungen des Cloud-APROLs zuzugreifen, stehen die integrierten Interfaces von APROL zur Verfügung. Zudem gibt es eine REST-Schnittstelle für den Zugriff auf die Auswertungen der integrierten Business-Intelligence-Lösung. Durch die zentrale Datenhaltung können alle Informationen weltweit dezentral abgerufen werden.

Optimale Systemarchitektur

Mit dieser Systemarchitektur werden alle anfallenden Aufgaben einer vernetzten Produktion optimal abgedeckt:

  • Steuerungsebene: Auf 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.
  • Lokales APROL: Zur mittelfristigen Archivierung werden die Daten in der lokalen APROL-Installation aufbereitet und gespeichert. „Dort sind die Daten für Stunden, Tage oder Monate verfügbar“, erklärt Reichinger. Je nach Performance und Speicherkapazität der verwendeten Hardware reicht die Zeitauflösung bis in den Mikrosekundenbereich. „Das schafft uns die Möglichkeit, Big-Data-Auswertungen von Echtzeitdaten auch direkt im lokalen APROL zu machen.“
  • Cloud-APROL: 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 bewegen wir uns in der Cloud meist im Minuten- oder gar im Stundenbereich“, sagt Reichinger. „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.“

APROL Cloud
Durch die Systemarchitektur mit zwei APROL-Installationen werden alle Anforderungen einer vernetzten Produktion optimal erfüllt.

Global verteilte Entwicklerteams

Die Cloud lässt sich mit APROL noch für einen weiteren Zweck einsetzen: Das Engineering einer APROL-Applikation lässt sich vollständig in der Cloud umsetzen. „Besonders bei weltweit verteilten Entwicklerteams bietet das viele Vorteile“, erklärt Reichinger. Da APROL von Haus aus das gleichzeitige, sogenannte Concurrent Engineering, unterstützt, lässt sich die Entwicklungsarbeit auch bei vielen Beteiligten sehr effizient online in einem gemeinsamen Projekt umsetzen.

Virtuelle Inbetriebnahme in der Cloud

„Wir können sogar eine komplette virtuelle Anlage in der Cloud in Betrieb nehmen“, sagt Reichinger. Dazu werden neben einem APROL-Runtime-Server die benötigte Anzahl von Simulations-Controllern und eventuell sogar der gesamte Prozess simuliert. „Sämtliche Funktionen und die Lauffähigkeit der Anlage können bei einer virtuellen Inbetriebnahme 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 APROL-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. „Durch die Installation von APROL in der Cloud ermöglichen wir unseren Kunden gleich mehrfaches Sparpotenzial: Während des Engineerings, zur Laufzeit und bei der Wartung“, fasst Reichinger die Vorteile zusammen.

Wichtige Begriffe

*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.

*APROL ist das Prozessleitsystem von B&R. Im Gegensatz zu herkömmlichen Prozessleitsystemen lässt es 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.

*OPC UA ist 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.

*MQTT und AMQP sind sogenannte Queuing-Protokolle. Sie ermöglichen es, Datenpakete zuverlässig zu übertragen, auch wenn die Netzwerkverbindung schlecht oder zeitweise unterbrochen ist. Dazu werden die Datenpakete gegebenenfalls gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt versendet. Andere Protokolle, zum Beispiel OPC UA, können über MQTT und AMQP übertragen werden.

  • Reichinger Martin_SPS 2013
    Martin Reichinger
    Business Manager Process Automation, B&R
    „In der Cloud stehen alle Reporting- und Analysefunktionen von APROL zur Verfügung.“
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