Skalierung von Edge Computing in der Fertigung – mit Hybrid Cloud-Technologien

Digitale Fertigung erfordert Agilität und Sicherheit

Im Zuge von Industrie 4.0 – der vierten industriellen Revolution – sorgen vernetzte, reaktionsschnelle Technologien dafür, dass Unternehmensumgebungen an Edge-Standorten zunehmend datenintensiver werden. Der traditionelle Fertigungssektor führt moderne, softwaredefinierte Verfahren und Automatisierung ein, um neue Formen der Produktion, Wertschöpfung und Optimierung zu fördern. Die erfolgreiche Implementierung neuer Industrie 4.0-Technologien in der Fertigung erhöht die Transparenz von Prozessen. So können sich Unternehmen schnell an Marktveränderungen anpassen und Wettbewerbsvorteile erzielen.

Die Konvergenz von IT (Information Technology) und OT (Operational Technology) ist eine der Grundlagen für die Einführung von Industrie 4.0 und den Übergang zu einem intelligenten Unternehmen. Beim Edge Computing bieten sich dadurch mehrere wichtige Vorteile für die OT:

• Global skalierbare Abläufe und Automatisierung von komplexen Day-2-Operationen
• Integration von IoT-Daten (Internet of Things) in cyber-physische Systeme
• Effektive und effiziente Datenanalyse näher an der Quelle
• On-Premise-KI-Infrastruktur (künstliche Intelligenz) für prädiktive Analysen nahezu in Echtzeit
• Moderne softwaredefinierte Kommunikations- und Netzwerktechnologien mit geringer Latenzzeit
• Hybrid Cloud Computing mit Integration von Data Lakes und erweiterten Datenanalysen

Dieser Wandel hin zu automatisierten, datenzentrierten Abläufen verspricht enorme Chancen für Innovation, Effizienz und Wachstum und minimiert das Risiko durch vorhersehbare und wiederholbare Abläufe. Es bestehen jedoch weiterhin Bedenken, die angegangen werden müssen, um die mit diesen neuen Edge-Funktionen verbundenen Risiken zu begrenzen. So stellt beispielsweise das Thema Cybersicherheit eine große Herausforderung für die IT-OT-Konvergenz dar. Bisher waren OT-Komponenten in Fabriken offline, da sich die Sicherheit hauptsächlich auf die physische Trennung der Netzwerke konzentrierte. Die Integration von OT in ein IT-Netzwerk verändert die Cyberumgebung und setzt den Fabrikbetrieb digitalen Bedrohungen aus.

Ein weiterer Aspekt der Integration von OT in das IT-Netzwerk ist die Heterogenität der OT-Systeme. Sie sind in der Regel kundenspezifisch, wobei jeder Use Case eine eigene Infrastruktur hat. Daher sind die Infrastrukturen in den Werken von Fertigungsunternehmen oft veraltet, ungewöhnlich oder variabel und erschweren die Konsolidierung von OT auf modernen IT-Plattformen zur Steigerung des Geschäftswerts.

Red Hat unterstützt Hersteller bei der Konvergenz von IT und OT in großem Umfang

Mit der Realisierung von Industrie 4.0 müssen Unternehmen, die ihre Wettbewerbsvorteile erhalten oder ausbauen wollen, ihre technologischen Fähigkeiten auf die neue Umgebung abstimmen. Die meisten Hersteller fragen sich nicht, ob sie zu automatisierten, datenzentrierten Abläufen übergehen sollen, sondern vielmehr, wie schnell sie dies tun können. Außerdem wollen die Unternehmen wissen, wie sie IT und OT in großem Umfang synchronisieren können – auf sichere Weise und in einer Arbeitsumgebung, in der nur wenige Mitarbeitende sowohl in OT als auch in Cybersicherheit ausgebildet sind.

Red Hat unterstützt Hersteller dabei, ihre IT-Infrastrukturen strategisch zu modernisieren und mit OT-Systemen zusammenzuführen. Zur Verwaltung und Skalierung neuer Workflows in intelligenten Fabriken bietet Red Hat Anleitungen sowie die Technologie und Infrastruktur für die Entwicklung von daten- und event-gesteuerten Systemen. Diese Funktionen unterstützen unter anderem Folgendes: 

• die automatisierte Fertigung
• die Verfeinerung der Robotik und Verbesserung des Produktdesigns mithilfe von Datenanalysen
• den Aufbau einer Machine-to-Machine-Kommunikation (Abbildung 1)
  
  

Effizienteres Management von Fertigungsabläufen mit Edge Computing

In konventionellen Fertigungsumgebungen werden Daten oft lokal in isolierten und proprietären Closed-Loop-Systemen erfasst, die nicht in die zentralen Analysesysteme eines Unternehmens integriert sind. Das Extrahieren relevanter Informationen erfolgt in der Regel über einen Batch-Prozess oder sogar manuell und wird zur weiteren Analyse an eine zentrale Stelle gesendet. Das setzt voraus, dass die Daten überhaupt exportiert werden können.

Grundlegende Funktionen von datengesteuerten Abläufen in Echtzeit – wie etwa prädiktive Analysen und vollautomatisierte Systeme – erfordern den Zugriff auf die in diesen isolierten, Closed-Loop-Systemen gespeicherten Informationen, um eine Aggregation von verwertbaren Daten zu erstellen. In der Anfangsphase von Industrie 4.0 wurden OT-Daten-Streams in die Systeme von Cloud-Anbietern integriert, wodurch Data Storage, Analyse und Entscheidungsfindung in zentralisierte Prozesse verlegt wurden. Dieser Ansatz war für die ersten Benutzenden aus finanzieller Sicht zunächst sinnvoll, da sie von Vorteilen wie niedrigen Kosten und weit verbreiteter Rechenleistung profitieren konnten. Dass sie von zentralisierten Systemen abhängig waren und die Rechenleistung nicht lokal bereitgestellt wurde, erschwerte jedoch die Skalierung von Abläufen. 

Eines der Hauptprobleme bei der Skalierung von Industrie 4.0-Funktionen ist, dass viele Fabriken als Closed-Loop-Systeme arbeiten. Dennoch müssen sie sowohl für Off- als auch für On-Site-Verbindungen eine hohe Verfügbarkeit bieten, die bei ausschließlicher Abhängigkeit von einem Remote- oder Cloud-Betrieb nicht möglich ist. Die Einführung von Loops mit hoher Latenzzeit in Fabriksystemen wirft ein weiteres Problem auf. Für kleine Daten-Streams sind diese Loops vielleicht geeignet, aber sie sind keineswegs für komplexe Funktionen wie Video- oder Fotoanalyse ausgelegt, wodurch die erwarteten Vorteile für derartige Use Cases eingeschränkt werden. 

Zur Minderung dieser beiden Probleme hat Red Hat moderne Open-Hybrid-Cloud-Technologien entwickelt, mit denen Rechenkapazitäten standortunabhängig und im Prinzip zu jeder Zeit genutzt werden können. Dazu gehören moderne Edge-Computing-Funktionen, mit denen eine herstellerunabhängige Hybrid Cloud bis in die Fabrikhalle vordringen und die Betriebszeit von latenzempfindlichen Systemen verbessern kann. Mit vollständig in eine Open Hybrid Cloud integrierten Edge-Architekturen können Hersteller intelligente Fabriken betreiben. Dank der sicheren Aggregation von Daten aus Sensoren, Steuerungen und Robotern können Analysen, die näher an der Datenquelle durchgeführt werden, verwertbare Informationen fast in Echtzeit liefern.

Denken Sie an die Hunderte oder Tausende von Fabrikkomponenten, die derzeit eingesetzt werden, um Daten zu erfassen und zu verarbeiten. Mit Edge Computing haben Industrieunternehmen einen noch nie da gewesenen Einblick in ihre Anlagensysteme und das Verhalten ihrer Ressourcen. Als Teil einer Open-Hybrid-Cloud-Strategie bietet diese Transparenz die Chance für erhebliche Ablaufverbesserungen und letztlich einen Wettbewerbsvorteil.

Erreicht beispielsweise ein Hydrauliksystem in einer OT-Umgebung einen Überdruckschwellenwert, so wird das System durch sein automatisiertes Sicherheitsmodul abgeschaltet. Dieser Automatisierungsgrad wird als Industrie 3.0-Verhalten betrachtet. Edge Computing verfügt über eine größere Kapazität an intelligenter Technologie: Es kann die Nutzung des Systems verlangsamen, um eine Charge abzuschließen, oder sogar die Maschine neu konfigurieren, um ein Abschalten zu vermeiden, was die Gesamteffizienz der Anlage erhöht. Und das ist nur ein Beispiel für einen einzelnen Prozess. 

Fertigungsprozesse können mehrere Teilprozesse umfassen. So umfasst beispielsweise die Herstellung von Autoscheinwerfern die Prozesse Modellierung, Beleuchtung und Zusammenbau. Eine integrierte Edge-Computing-Umgebung mit Industrie 4.0-Funktionen kann diese Teilprozesse in Echtzeit überwachen und Verhaltensweisen wie Geschwindigkeitsanpassungen, Wartungsalarmierung und, falls erforderlich, das Herunterfahren des gesamten End-to-End-Produktionsprozesses veranlassen. Darüber hinaus bietet dies die Möglichkeit, das Verhalten externer Prozesse zu integrieren und anzupassen. So können etwa bei der Lieferkette durch einen gestörte Prozess Warnungen ausgelöst werden, um die Lieferung von Teilen an das betroffene System zu verlangsamen.

In diesem Szenario wird davon ausgegangen, dass das System nur Daten aus den integrierten Komponenten des Prozesses einbezieht. Wenn Edge-Systeme mit Industrie 4.0-Funktionen ausgestattet sind, können sie Daten erfassen, die außerhalb der typischen OT-Systeme gesammelt werden, wie etwa Stromverbrauch, Luftqualität (beispielsweise Ozonerkennung) oder Arbeitssicherheit. So entsteht ein umfassendes Bild der Faktoren, die OT-Prozesse beeinflussen, und die Unternehmen können entsprechend reagieren.

Edge Computing ermöglicht eine robustere Nutzung der Automatisierung in der Fabrikhalle, wenn Systeme so ausgestattet werden, dass sie Entscheidungen in Echtzeit treffen und Fabriksysteme an der Quelle steuern können. So kann beispielsweise ein Edge Node proaktiv die Leistung eines Generators anpassen, um eine Überlastung der Kette zu verhindern. Automatisierte Abläufe wie dieser – multipliziert über viele Nodes in mehreren Fabriken – können erhebliche operative Vorteile bringen.

Red Hat vereinfacht die Konvergenz von OT und IT durch Management und Automatisierung

Red Hat unterstützt Edge Computing mit einer Plattform und einem IT-Ökosystem, das die Abläufe durch automatisierte Provisionierung, Verwaltung und Orchestrierung vereinfacht. Mit diesem Ansatz lässt sich eine einheitliche Infrastruktur einführen, die sich über verschiedene Workload-Anforderungen erstreckt, darunter Computing, Storage und Netzwerk. Edge-Computing-Standorte verfügen häufig nur über begrenztes oder gar kein IT-Personal. Die Lösungen von Red Hat können daher mit denselben Tools und Abläufen wie die zentralisierte Cloud-Infrastruktur zentral verwaltet werden – selbst bei begrenzter, unterbrochener oder fehlender Verbindung wie etwa auf Bohrinseln oder in Fahrzeugen.

Hybrid Cloud: Grundlegende Infrastruktur zur Integration von Edge Computing

In einer intelligenten Fertigungsumgebung könnte eine Edge-Implementierung aus Hunderttausenden von Sensoren bestehen, die mit einer Datenaggregationsstufe verbunden sind. Dieses Architekturmodell liefert Echtzeit-Feedback zu den Abläufen, die von den Sensoren überwacht werden. Die Verwaltung dieser verbundenen Geräte ist jedoch nur dann möglich, wenn sie über eine einheitliche Control Plane verfügen. Die Verbindung dieser Geräte mit einer Hybrid Cloud-Infrastruktur sorgt für Konsistenz bei Edge-Geräten, Netzwerken und zentralen Rechenzentren. Dadurch werden OT und IT konvergiert und eine gemeinsame Basis für diese Komponenten geschaffen. So können IT-Teams Zehntausende von vernetzten Geräten genauso verwalten wie ihre zentralisierte IT.

Red Hat® OpenShift® erweitert die Funktionen von Kubernetes bis zum Edge und unterstützt ein Betriebsmodell nach dem Motto „einmal entwickeln, standortunabhängig einsetzen“. Die flexiblen Topologieoptionen ermöglichen einen konsistenten Einsatz an verschiedenen Standorten, die sich in Größe, Lage oder Umgebung unterscheiden können. So können die spezifischen Anforderungen der kompletten Edge-Architektur berücksichtigt und Anwendungen dort platziert werden, wo es für das Unternehmen am sinnvollsten ist – selbst an den entlegensten Standorten. Fertigungsunternehmen können von einem DevOps-Ansatz profitieren, bei dem Entwicklungsteams die neuesten Funktionen in großem Umfang mit denselben Tools und Anwendungen bereitstellen können, mit denen IT-Operationsteams eine konsistente Kontrolle, Transparenz und Verwaltung von Hunderten bis Tausenden von Edge Nodes erreichen können.

Stabilität und Verfügbarkeit sind in der OT-Welt von entscheidender Bedeutung – ein Ausfall der Produktionslinie kann schwere finanzielle Schäden verursachen. Red Hat OpenShift bringt die Resilienz moderner Cloud-Technologie in die Fabrikhalle.

Red Hat Enterprise Linux – bereit für den Edge

Das Rechenzentrum wird durch den Edge über Bare Metal-, virtuelle, Private Cloud- und Public Cloud-Umgebungen mit zentralisierter Infrastruktur hinaus erweitert. Diese vier Bereiche werden beim Edge Computing gewissermaßen miteinander verschmolzen. So wird eine Infrastruktur geschaffen, die spezifische Kundenanforderungen erfüllt, die mit zentralisierten IT-Modellen nicht abgedeckt werden können.

Die geringe Größe, die abgelegenen Standorte und die begrenzte Konnektivität von Edge-Geräten stellen Hürden für herkömmliche Betriebssysteme mit vollem Funktionsumfang dar. Mit Red Hat Enterprise Linux® 8.3 können Hersteller diese Herausforderungen mit einem Betriebssystem angehen, das sowohl in zentralen Rechenzentren als auch auf räumlich begrenzten Remote-Servern eingesetzt werden kann. Außerdem bietet Red Hat Enterprise Linux den Support und die Stabilität, die für Edge-Deployments in der Fertigung erforderlich sind.

Red Hat Enterprise Linux hat sich seit Jahren in Rechenzentren bewährt und sorgt für die unternehmensgerechte Cybersicherheit von Edge-Systemen. Zu den Edge-Features von Red Hat Enterprise Linux gehören:

• Schnelle Entwicklung von Betriebssystem-Images für den Edge mit Image Builder. Dadurch können IT-Organisationen leichter zweckgebundene Images erstellen, die für die umfassenden architektonischen Herausforderungen des Edge Computing optimiert sind, aber genau auf die Anforderungen einer bestimmten Bereitstellung zugeschnitten sind.
• Mirroring von Geräte-Updates zur Bereitstellung und Anwendung von Updates beim nächsten Neustart oder Stromausfall des Geräts, um Ausfallzeiten und manuelle Eingriffe durch IT-Teams zu vermeiden.
• Intelligente Rollbacks auf der Basis von OSTree-Funktionen, die es den Nutzenden ermöglichen, für ihre Workloads spezifische Zustandsprüfungen durchzuführen und so Konflikte oder Code-Probleme zu erkennen. Wenn ein Problem erkannt wird, wird das Image automatisch in den letzten ordnungsgemäßen Zustand zurückversetzt, um unnötige Ausfallzeiten am Edge zu vermeiden.
• Rollenbasierter Zugriff, der einschränkt, wer auf das System zugreifen kann und über Verwaltungsrechte verfügt, um die Sicherheit bei Edge-Bereitstellungen zu erhöhen.

Ein IT-Ökosystem für umfassende Edge-Funktionen

Neben den Funktionen seines Portfolios an Hybrid Cloud-Technologien unterhält Red Hat auch ein umfangreiches Partnernetzwerk für ganzheitliche unternehmensgerechte Edge-Deployments. Unsere Softwarepartner ermöglichen Edge-Funktionen, die sich über Red Hat OpenShift nahtlos in das Edge-Netzwerk integrieren lassen, darunter: 

• Prädiktive Analysen von IoT-Daten in Echtzeit mithilfe von künstlicher Intelligenz und Machine Learning zur Verbesserung von Effizienz, Verfügbarkeit und Rentabilität
• Transparenz, mit der Hersteller hochgradig verteilte Lösungen über Hunderttausende von Geräten und Endpunkten sicherer verwalten und betreiben können
• Branchenspezifische vertikale Lösungen wie MOM (Manufacturing Operations Management) und SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

Red Hat arbeitet auch mit Hardware-Partnern zusammen, um die Anforderungen von Produktionsbetrieben im Edge-Netzwerk zu erfüllen. So können beispielsweise OT-Teams, die Bedenken hinsichtlich der physischen Sicherheit haben, durch die Zusammenarbeit von Red Hat mit Intel die hardwarebasierte Funktionalität Secure Boot nutzen. Die Zusammenarbeit mit Hardware-OEMs (Original Equipment Manufacturers) wie Siemens bietet robuste Industrie-PCs, die für den Einsatz in rauen Umgebungen – wie Fabrikhallen oder Bohrinseln – konzipiert und für Red Hat Enterprise Linux und Red Hat OpenShift zertifiziert sind.

Vorteile von Open Source

Die Lösungen von Red Hat für Cloud Computing, Anwendungsentwicklung, Virtualisierung und Storage ermöglichen neue Fertigungsprozesse, effizientere Lieferkettenabläufe und Edge-Computing-Funktionen.

Damit Hersteller angesichts zunehmender Verbreitung von Industrie 4.0-Technologien wettbewerbsfähig bleiben, benötigen sie Lösungen, die autonome Entscheidungsprozesse ermöglichen und Anlagen und Abläufe in Echtzeit überwachen können. Der Open Source-Ansatz von Red Hat stattet Hersteller durch frühzeitige vertikale und horizontale Integration mit Netzwerken aus, die Mehrwert in Echtzeit schaffen.

Die Hybrid Cloud-Lösungen von Red Hat unterstützen moderne, flexible, interoperable Fertigungs- und Lieferkettensysteme. Dazu nutzen sie Open Source-Innovationen, meistern Herausforderungen von Unternehmen und entwickeln Lösungen, die auf den Best Practices von IT und OT basieren.

Die Validated Patterns von Red Hat bieten ein komplettes Architekturmodell einschließlich Code für das automatisierte Deployment und Day-2-Operationen sowohl im Rechenzentrum als auch in intelligenten Fabriken. Die Patterns werden von der Qualitätssicherung von Red Hat kontinuierlich getestet, um für die zukünftige Zuverlässigkeit zu sorgen.

Entwicklung einer intelligenten Fabrik auf Basis von Best Practices und offener Technologie

Red Hat OpenShift, Red Hat Enterprise Linux, Open-Hybrid-Cloud-Architekturen und wichtige Open Community-, Software- und Hardware-Partner spielen eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung von Industrie 4.0 und der digitalen Transformation in der Fertigungsbranche. Dieser besondere Ansatz ermöglicht es IT- und OT-Mitarbeitenden, digitale Innovationen schnell und in großem Umfang zu entwickeln und bereitzustellen – und das mit Sicherheit, Zuverlässigkeit und Transparenz.

Wie Sie modernes Edge Computing schneller und in großem Umfang in Hybrid Cloud-Umgebungen bereitstellen können, erfahren Sie unter Red Hat für Hybrid Cloud-Lösungen.