Linux-Plattform für Digitalisierungsanwendungen Steigerung der Unternehmensleistung mithilfe von Edge-Computern der zweiten Generation

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Ständiger Wandel ist ein charakteristisches Merkmal des industriellen Edge-Computing. Entwickler industrieller Netzwerke benötigen Plattformen, die die Leistung und Flexibilität bieten, die durch die Konvergenz von IT- und OT-Netzwerken gefordert wird - andernfalls laufen sie Gefahr, den Anschluss zu verlieren.

Ein Edge-Computer mit Linux-basierter Open-Source-Software und Docker-Containern kann es Anwendern ermöglichen, IT- und OT-Netzwerke sowie die Verbindung vom Fertigungsbereich zur Cloud nahtloser zu verknüpfen und so den gesamten Unternehmensbetrieb zu optimieren. Auch aufrüstbare Hardware ist eine grundlegende Voraussetzung.

Um riesige Datenmengen in Echtzeit verarbeiten zu können, sind die neuesten Prozessoren erforderlich. Um die wachsenden Datenmengen lokal verwalten zu können, ohne alles direkt in die Cloud senden zu müssen, sind erweiterte Arbeitsspeicher- und Datenspeicherkapazitäten erforderlich.

Linux-basierte Systeme mit leistungsstarken Prozessoren und erweitertem Speicher unterstützen zudem die fortschrittlichen Sicherheitsfunktionen, die für die komplexen IoT-Umgebungen von heute erforderlich sind. Diese Systeme der zweiten Generation unterstützen eine Vielzahl vorgefertigter, Open-Source- und Drittanbieter-Edge-Anwendungen, die die Performance steigern und die Bereitstellung beschleunigen.

Flexible Vernetzung ist unerlässlich, um den vielfältigen Kommunikationsanforderungen sich weiterentwickelnder Anlagen gerecht zu werden. Edge-Computer, die für Ethernet-, serielle und CAN-Anschlüsse angepasst werden können und über zusätzliche Anschlüsse für Monitore und andere Peripheriegeräte verfügen, sind ein Muss.

In diesem Artikel wird untersucht, wie Edge-Computer der zweiten Generation ein hohes Leistungsniveau in Unternehmen gewährleisten, die Sicherheit verbessern, die Installation beschleunigen und dazu beitragen können, den Betrieb zukunftssicher zu gestalten. Diese Vorteile gelten sowohl für Neuinstallationen als auch für die Modernisierung bestehender Edge-Computing-Umgebungen.

Die Entwicklung von Industrie 4.0 schreitet weiter voran

Der Netzwerkrand (Edge) ist ein entscheidender Standort in der Industrie 4.0. Edge-Computing findet dort statt, wo die Daten in OT-Netzwerken entstehen, und nicht auf weit entfernten Cloud-Servern. Die ständig wachsenden und sich weiterentwickelnden Sensornetzwerke, die zur Unterstützung moderner Automatisierung und Robotik erforderlich sind, erfordern neue Ansätze in der Datenverarbeitung sowie eine hohe Rechenleistung, die Edge-Computer der zweiten Generation wie die Modelle 752-9412 und 752-9813 von Wago bieten.

Der Netzwerkrand ist die Trennlinie zwischen lokalen OT- und externen IT-Diensten. Das bedeutet, dass Edge-Computer eine sichere Anbindung an die Cloud sowie an ein immer dichter werdendes Netzwerk aus vernetzten Sensoren, Steuerungen und anderen Geräten gewährleisten müssen. Dazu sind vielfältige Verbindungen erforderlich. Auch hier überzeugen die Computer der zweiten Generation von Wago.

Diese Computer eignen sich für den Einsatz in Schaltschränken in der Fertigungshalle, wo die Edge-Verarbeitung und die Kommunikation stattfinden. Sie sind in einem robusten Aluminiumgehäuse untergebracht, das durch lüfterlose Kühlung mittels natürlicher Konvektion für eine optimale Wärmeableitung sorgt, und verfügen über die Schutzart IP40. Der zulässige Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -20 °C und +60 °C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit (RH) von bis zu 95%. Sie werden direkt auf eine Standard-Hutschiene montiert und benötigen eine industrielle 24-VDC-Standardstromversorgung (siehe Bild 1).

Zuverlässige Optionen

Mit Wago haben Entwickler von Industrienetzwerken die Wahl. Für Anwendungen im mittleren Leistungsbereich, wie beispielsweise die Echtzeit-Zustandsüberwachung von Maschinen, können sie auf das Modell 752-9412 mit seinem Quad-Core-Prozessor Atom X6413E von Intel zurückgreifen.

Das Modell 752-9813 mit seinem Quad-Core-Prozessor Core i7-1185G7E von Intel bewältigt anspruchsvollere Anwendungen im Bereich maschinelles Lernen (ML) und künstliche Intelligenz (KI) direkt in der Fertigung und eliminiert so Latenzzeiten bei Cloud-Verbindungen. Der Core-i7-Prozessor von Intel eignet sich zudem hervorragend für Multitasking-Aufgaben wie das gleichzeitige Protokollieren von Daten, die Videoverarbeitung und den Einsatz von ML-/KI-Tools, ohne dass es dabei zu Leistungseinbußen kommt.

Beide Edge-Computer verfügen über TPM 2.0 (Trusted Platform Module) und eine Funktion für sicheres Booten mit UEFI (Unified Extensible Firmware Interface), wodurch die Systeme die Cybersicherheitsanforderungen der Norm IEC 62443 erfüllen. Dadurch wird sichergestellt, dass auf dem System nur autorisierte Software ausgeführt wird.

Sicheres UEFI-Booten (UEFI Secure Boot) ist ein Firmware-Sicherheitsstandard, der gewährleistet, dass ein Computer ausschließlich mit Software und Betriebssystemen startet, denen der Originalhersteller (OEM) vertraut. Es verhindert die Ausführung von nicht autorisiertem Code beim Systemstart und bietet so einen zuverlässigen Schutz vor Rootkits und Malware.

Der TPM2.0-Chip speichert kryptografische Schlüssel, Passwörter und biometrische Daten sicher. Nicht zuletzt ist das Betriebssystem Debian-Linux zu nennen .

Technische Daten:

Debian + Docker

Das in den Edge-Computern der zweiten Generation von Wago integrierte Debian-Linux-Betriebssystem wird wegen seiner hohen Stabilität, seiner robusten Sicherheit und seines konsequenten Bekenntnisses zu freier Open-Source-Software sehr geschätzt.

Wichtig ist, dass Debian Linux native Unterstützung für TPM 2.0 bietet. Der Linux-Kernel unterstützt die erforderlichen Hardwaretreiber, und es ist einfach, Open-Source-Dienstprogramme zu installieren, um den TPM-Chip für Aufgaben wie Festplattenverschlüsselung und sicheres Booten zu verwalten.

Debian unterstützt sicheres UEFI-Booten vollständig. Der Debian-Installer erkennt das System und installiert automatisch „grub-efi“, die UEFI-Version des GRand Unified Bootloader (GRUB). Außerdem bietet es native Unterstützung für einen von Microsoft signierten Bootloader.

Debian ist eine bevorzugte Umgebung für Docker-Container. Es dient als Grundlage für die meisten offiziellen Docker-Images wie Nginx, Python und MySQL. Die enge Integration von Debian und Docker in den Edge-Computern der zweiten Generation von Wago beschleunigt Downloads und spart Speicherplatz.

Docker-Container = Vorteile für IIoT

Der Einsatz von Docker-Containern auf Edge-Computern der zweiten Generation von Wago bietet Netzwerkplanern wichtige Vorteile, darunter:

• Programme, die auf Entwicklungscomputern erstellt wurden, laufen auf einem Wago-Edge-Computer auf genau dieselbe Weise.

• Container sind voneinander isoliert, und wenn ein Programm ausfällt oder abstürzt, hat dies keine Auswirkungen auf andere Programme.

• Docker-Container nutzen minimale Speicherressourcen optimal aus und eignen sich daher hervorragend für Edge-Computer.

Programme können aktualisiert oder gelöscht werden, ohne dass der Computer ausgeschaltet werden muss, wodurch eine maximale Verfügbarkeit kritischer Systeme gewährleistet wird.

Auswahl an Docker-Containern

Entwickler von Industrienetzwerken können bei der Bereitstellung von Docker-Containern auf Edge-Computern der zweiten Generation von Wago zwischen drei Ansätzen wählen. Der Wago Docker Hub bietet vorgefertigte Container für Cloud-Gateways wie AWS IoT Greengrass und Azure IoT Edge sowie IoT-Brücken von lokalen Hardwareprotokollen wie Modbus und OPC-UA zu Cloud-Diensten, Datenbanken, Servern und vielem mehr.

In vielen Fällen sind Anwendungen, die nicht im Wago Docker Hub verfügbar sind, bei zugelassenen Drittanbietern erhältlich. Einige Beispiele sind:

Mit Grafana lassen sich Diagramme zur Visualisierung von Maschinendaten erstellen.

Mit der visuellen Low-Code-Programmierung von Node-RED lassen sich Verbindungen für Hardwaregeräte, APIs und Online-Dienste erstellen.

InfluxDB kann zur Protokollierung und Speicherung riesiger Mengen von Sensordaten genutzt werden, die von IIoT-Netzwerken geliefert werden.

Welotec- oder Toshibox-Container ermöglichen einen sicheren Zugriff auf Edge-Computer von entfernten Standorten aus.

Fortgeschrittenere Funktionen wie Datenanalyse mittels ML/KI und kontinuierliche Prozessoptimierung oder die Erstellung digitaler Zwillinge können individuell entwickelt werden. Container lassen sich mithilfe einer Kombination aus Docker Desktop - zum Erstellen und Testen von Docker-Images auf einem Entwicklungsrechner - und dem Texteditor Visual Studio Code- zum schnellen Erstellen der Container- und Konfigurationsdateien - entwickeln.

Netzwerkentwickler können ein Tool wie Portainer nutzen, um Docker-Container direkt auf einem Wago-Edge-Computer per Drag&Drop zu verschieben, zu starten und zu stoppen. Dadurch lassen sich die Vorteile von Docker-Containern schnell nutzen.

Optionen für die Stromversorgung

Für die Installation und Integration von Edge-Computern sind Stromversorgung und in manchen Fällen erweiterte Vernetzung erforderlich. Wago deckt den gesamten Bedarf von Planern industrieller Netzwerke ab.

Der Edge-Computer 752-9412 hat eine typische Leistungsaufnahme von 19 W, die je nach Peripheriegeräten und Rechenanforderungen auf maximal 54 W steigen kann. Der Leistungsbedarf des Modells 752-9813 reicht von etwa 30 W (typisch) bis zu maximal 95 W.

Die hocheffizienten Industrie-Netzteile der Serie Pro 2 von Wago können die von diesen Edge-Computern benötigte 24V-Gleichspannung liefern. Das Modell 2787-2144 ist für einphasige Stromversorgungssysteme ausgelegt, während das Modell 2787-2344 über einen dreiphasigen Eingang verfügt. Beide liefern 120 W bei hoher Leistungsdichte in einem schlanken Design, das sich besonders gut für den Einbau in beengten Schaltschränken eignet.

Interne Erweiterung

Bei manchen Installationen können spezielle Kommunikationsanschlüsse, erweiterter Speicherplatz oder der Anschluss an ältere Geräte von Vorteil sein. Die Edge-Computer Wago 752-9412 und 752-9813 verfügen über mehrere interne Erweiterungssteckplätze, um diesen Anforderungen gerecht zu werden.

Beide Modelle verfügen über einen mPCIe-Steckplatz, der eine Vielzahl von Erweiterungskarten wie WLAN, 5G/LTE-Mobilfunk oder spezielle Feldbusmodule unterstützt. Es gibt einen M.2-B-Key-Steckplatz für den Einbau von Highspeed-SSDs sowie einen 2,5"-SATA-SSD-Steckplatz für den Einbau herkömmlicher interner Speicherlaufwerke mit großer Kapazität.

Externe Erweiterung

Um komplexere oder sich weiterentwickelnde Netzwerke zu unterstützen, bietet Wago externe Erweiterungsgehäuse in den Ausführungen mit 1 Steckplatz (758-9400) und 2 Steckplätzen (758-9800) an. Mit optionalen Erweiterungsmodulen lassen sich Anschlüsse für gängige Kommunikationsschnittstellen hinzufügen (Bild 3):

• RS232-Modul, 758-9011

• RS422/485-Modul, 758-9012

• Ethernet-Modul, 758-9013

• CAN-Modul, 758-9016

Fazit

Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verfeinerung von Industrie 4.0 stellt Entwickler industrieller Netzwerke vor die Herausforderung, zukunftssichere Lösungen zu implementieren. Die Edge-Computer der zweiten Generation von Wago können einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, wichtige Funktionen von der Fertigung bis in die Cloud zukunftssicher zu gestalten. Dank ihrer höheren Rechenleistung können lokale Datenverarbeitung und -steuerung verstärkt genutzt werden, wodurch Probleme mit Latenzzeiten bei Cloud-Verbindungen entfallen.

Verbesserte Sicherheitsmaßnahmen gewährleisten einen geschützten Betrieb, einschließlich sicheres Booten und sicherer Kommunikation mit allen angeschlossenen Geräten. Debian Linux unterstützt zukunftssichere Lösungen, indem es eine effiziente und schnelle Entwicklung und Bereitstellung von Docker-Containern ermöglicht, um neuen Anforderungen im Bereich IT und OT gerecht zu werden, sobald diese entstehen. Schließlich sorgt die Möglichkeit, die Vernetzung bei sich wandelnden und wachsenden Systemen problemlos zu erweitern, für zusätzliche Zukunftssicherheit und verlängert die Nutzungsdauer der Investitionen in Edge-Computing-Netzwerke. (sg)

* Jeff Shepard ist Mitgründer von Jeta Power Systems

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