Effiziente Umsetzung von Industrie 4.0-Lösungen dank Azure

Industrial IoT, Connected Factory, Losgrösse 1, Remote Monitoring, Predictive Maintenance - dies alles können Gründe sein, weshalb man neue Industrie 4.0 Lösungen anstrebt und auf Cloud-Technologien setzen möchte. Im folgenden Blog zeigen wir kurz auf, wie M&F Engineering effiziente Industrie 4.0 Lösungen mit Azure umsetzt. 

Unser Ansatz bei der Umsetzung von Industrie 4.0 Lösungen

Die folgende Grafik liefert einen groben Überblick wie M&F Engineering Microsoft Azure in der Umsetzung von Industrie 4.0-Lösungen nutzt. Microsoft ist einer der Marktführer in Cloud Computing und ist bekannt für langfristig wartbare Lösungen für die Industrie. Dies ist einer von vielen Gründen, weshalb wir bei der Umsetzung auf Azure setzen.

Bestehende Kunden-Systeme

Auf der linken Seite der Grafik sind die internen Systeme von Industrieunternehmen dargestellt. All diese Systeme führen wertvolle Daten und können bei der Vernetzung zu potentiellem Mehrwert führen. Die Auswahl der Daten, die man auf die Cloud übertragen möchte, ist ein wichtiger Prozess und muss im Detail analysiert werden. Zu den möglichen Systemen gehören:

• Maschinen / Geräte: 
  • Die Maschinen in der Maschinenhalle und einzelne Sensoren wie Temperatursensoren für Zusatzinformationen. Die Kommunikation umfasst Protokolle wie OPC-UA, CAN, DeviceNet, ModbusTCP, MQTT, REST, etc.
  • Gateways verlinken die Maschinen ins Internet und übernehmen dabei gleich das Konvertieren von Protokollen. Gateways können HW-Geräte oder reine SW-Lösungen sein. Wenn immer möglich werden Standard-Gateways eingesetzt, beispielsweise Gateways von Hilscher oder Kepware, welche auch SPS Anbindungen unterstützen. Moderne Maschinen auch können direkt mit Cloud-Services kommunizieren.
  • Edge Computing ermöglicht, zeitkritische Berechnungen und Analysen auf dem Gerät selber zu rechnen. Dies ist wichtig für Fälle, bei denen die Latenz für die Kommunikation vom Gerät zur Cloud und zurück zu Problemen führen kann oder wenn gewisse Funktionen auch ohne Internet-Verbindung robust weiter laufen müssen. Azure IoT Edge bringt mit der verwendeten Container-Technologie und in Verbindung mit IoT Hub elegante Vorteile bezüglich Entwicklung und Deployment von solchen Lösungen.
• Leitebene: 
  
  • MES Systeme sind die Schnittstelle zwischen den Business Anwendungen wie ERP-Systemen und der Produktionshalle, wo die Business Aufträge in Produktionsschritte herunter gebrochen und automatisiert ausgeführt werden.
  • Häufig existieren noch weitere Systeme, die Daten im File-Format (Textfiles, Konfig-Files, Excel-Files, etc.) oder auf Datenbanken (SQL, MS Access) speichern. Solche Daten lassen sich über ETL Services (bspw. Azure Data Factory) transformieren und standardisiert in der Cloud ablegen
• Business: Die üblichen Systeme sind ERP (bspw. SAP, MS Dynamics, etc.) und CRM Systeme (Salesforce, etc.). Weitere mögliche Systeme sind F&E Tools wie ein PLM oder CAD.

Microsoft Azure Cloud 

In der Mitte zeigt die Grafik einige Features der Azure Cloud auf. Auf der Microsoft Azure Website sind Informationen zu allen Azure Products zu finden.

• Device Management System: IoT Hub zum Verbinden, Überwachen, und Managen von IoT Assets, wie beispielsweise den Maschinen, Gateways und Sensoren
• Data Storage: Für die Speicherung der Daten gibt es je nach Anforderung wie Performance, Skalierbarkeit verschiedene Azure Produkte: SQL Datenbanken, Azure Cosmos DB, SQL Data Warehouse und Azure Redis Cache
• Data Processing: Zum Data Processing zählen wir verschiedenste Azure Features. Beispielsweise wird Stream Analytics benutzt, um die vom IoT Hub erhaltenen Daten in Echtzeit zu analysieren und verarbeiten, Anomalien und Trends zu detektieren und an andere nachgelagerten Applikationen weiterzugeben. Ein weiteres Beispiel sind Azure Functions, die benutzt werden, um einzelne Funktionalitäten als Microservices entwickeln zu können, ohne sich um die nötige dazugehörige Infrastruktur kümmern zu müssen. Azure bietet viele weitere Services im Bereich ML und AI wie Cognitive Services als fertig trainierte Modelle oder mit Custom Vision eine Plattform für selber trainierbare Vision Modelle. 
• Platform Services & Apps: Azure Acitve Directory B2C ist ein Single Sign-On (SSO) Identity and Access Management System. Dadurch kann man vereinfacht mandantenfähige Applikationen entwickeln und Benutzer/Berechtigungen managen. 

Applikationen

Auf der rechten Seite sind die Frontend-Applikationen dargestellt. Dies sind in der Regel responsive Web Apps, die auch auf mobilen Endgeräten genutzt werden können.

• Standards Apps: Als Standard Apps bezeichnen wir hier Applikationen, die ohne Programmierung durch reine Konfiguration verfügbar sind. Dazu zählen bspw. einfache Monitoring Dashboards und Alert Applikationen (Benachrichtigungen bspw. als Mail, App Push notification, etc.). In die gleiche Kategorie fallen Analytics Plattformen wie bspw. Power BI.
• Specific Apps: Massgeschneiderte Anwendungen, welche es nicht als Standard-Produkt gibt: Remote Control, spezifisches Analytics Dashboards, Predictive Maintenance, Trendanalyse etc. Wenn es darum geht, gewisse Daten möglichst in Echtzeit (Verzögerungen im Zehntelsekunden-Bereich) darzustellen oder auf einen Prozess aktiv Einfluss zu nehmen und Stellwerte oder Befehle zurück an die Maschinen zu schicken, müssen praktisch immer spezifische Applikationen entwickelt werden. M&F Engineering hat viel Erfahrung in diesem Bereich und entwickelt effizient moderne und nutzerfreundliche Applikationen. 

Erfahrungen mit Azure

• Effiziente Umsetzung dank PaaS und Services: Out-of-the-Box Komponenten verringern die Entwicklungskosten und beinhalten einen breiten Funktionsumfang.
• Komplexität: Die Themenbereiche im Cloud Computing sind extrem vielfältig mit allen PaaS Komponenten, dem breiten Technologie-Stack, allen Frameworks und Tools. Neben dem breiten Know-how braucht es aber vor allem auch eine gewisse Tiefe.
• Frontend: Neben den Möglichkeiten BI-Tools und Prototypen-Frameworks wie PowerApps zu verwenden, wird für eine differenzierte Industrie 4.0 Lösung noch immer eine eigene Software-Entwicklung für gebraucht.
• Azure IoT Solution Accelerators (Remote Monitoring, Connected Factory) sind super als Beispiele für Referenz-Architektur und die Verwendung von PaaS-Komponenten. Jedoch sind es keine fertigen, brauchbaren Lösungen.
• Azure Komponenten werden kontinuierlich weiterentwickelt. Die Wartung von Lösungen ist erforderlich.
• Azure Ressourcen mit der Azure CLI zu Managen ist der richtige Engineering Ansatz.
• Der Support von Microsoft ist gut und schnell. Bei Problemen kann die spezifische Azure Ressource direkt mit der Anfrage verlinkt werden.

Schlussfolgerung

Der wirkliche Mehrwert einer Industrie 4.0-Lösung zeigt sich erst, sobald die richtigen Daten mit Cloud Services zu smarten Applikationen kombiniert werden können. Der Weg bis zu einer Industrie 4.0 Lösung und der Einfluss auf das zukünftige Business ist schwer abschätzbar. Azure unterstützt dieses Vorhaben in vielen Bereichen und vereinfacht einzelne Schritte wie Connectivity, Nutzung von Services, etc. Durch Azure Cloud Computing ist M&F Engineering heute fähig, effizient robuste und kostengünstige Industrie 4.0 Lösungen zu bauen. Unter Azure Solutions erfahren Sie alles über das Industrie 4.0 Starter Kit - die ideale Plattform für ihre individualisierte Industrie 4.0 Lösung.