Tools zum Managen von Industrie 4.0

Der Artikel beschreibt drei Schlüsselkategorien von Werkzeugen, die den IoT-Architekturen der nächsten Generation helfen sollen, ihre Versprechen einzuhalten. Zwar beginnt die Industrie, diese Anforderungen (wenn auch fragmentiert) in Angriff zu nehmen, doch müssen Gerätehersteller diese Anforderungen ganzheitlicher betrachten. Zu diesen drei Werkzeugkategorien gehören sichere Updates für Betriebssystem, Firmware und Anwendungen der Geräte, Ferndatendiagnose und Systemzustandsüberwachung sowie der Digitale Zwilling der Geräte.

Die Vernetzung der heutigen IIoT-Architektur – von winzigen Endknoten und Sensoren über das Smart-Gateway bis hin zur Cloud (Bild: Mentor Graphics (Deutschland) GmbH)

Die Anpassung an Industrie 4.0 bedeutet, dass alles verbunden werden muss. Gateways, Edge-Devices, intelligente Sensoren, einfache Sensoren, Endknoten und sogar lokale Server: Alle sind bis zu einem gewissen Grad damit beschäftigt, Daten zu sammeln, zusammenzufassen, zu verarbeiten und an einzelne oder mehrere Cloud-Backends zu senden (Bild 1). Mit zunehmender Anzahl und Art der angeschlossenen Geräte steigt die Komplexität der IIoT-Topologien. Die Implementierung und Verwaltung eines IIoT-Systems wird dadurch zu einer echten Herausforderung, bei denen Tools wichtige Hilfestellung leisten. Für die Zwecke dieses Artikels nehmen wir an, dass die grundlegenden Elemente einer IIoT-Architektur existieren und funktionsfähig sind. Zu diesen Elementen gehören die sichere Konnektivität und das Onboarding von Geräten sowie grundlegende Aufgaben wie die Konfiguration des Geräts für den Basisbetrieb (Benennung, Einstellung der lokalen Sprache und Zeitzone usw.) und die Ausführung grundlegender Steuerbefehle wie Remote-Reset, Konfigurations-Download und Wiederherstellung der Werkseinstellungen. Außerdem gehen wir davon aus, dass diese Fähigkeiten vollständig in der gesamten IIoT-Topologie implementiert sind (Bild 2).

Sichere Updates

Sobald eine Funktion zum Management der Geräte vollständig implementiert ist, muss der Anwender komplexere Operationen wie Geräte-Updates und -wartung in Betracht ziehen. Dazu gehören Anwendungs- und Betriebssystem-Updates, Patches, Firmware-Rollbacks und Flotten-Rollouts. Tools für sichere Updates beinhalten eine Kombination aus Entwicklungs- und Testwerkzeugen für das Embedded-Gerät, die in Verbindung mit den Backend-Aktualisierungs-Tools arbeiten. Wenn der Anwender Linux als Laufzeitplattform verwendet, gibt es bestimmte Funktionen, die er zu seinem Vorteil nutzen kann. Da Linux Open Source Software (OSS) ist, bietet es eine reiche Auswahl an Möglichkeiten. Z.B. verfeinern aktive Communities ständig den Linux-Kernel, wenn es um Betriebssystem-Updates und Patches geht. Die Hersteller wollen für ihre Geräte relevante Patches, Korrekturen bei Sicherheitsfehlern und Anwendungs-Updates bereitstellen, die leistungsstarke Entwicklungs- und Debugging-Tools erfordern. Um die Sicherheit zu gewährleisten, benötigen sie Tools, mit denen sie Code signieren und verschlüsseln können, um ihn herunterzuladen, zu authentifizieren, zu validieren und auf dem Embedded-Gerät zu installieren. Standardinfrastruktur innerhalb des Linux-Kernels wie der SWUpdate-Agent, ermöglicht es, sichere Software-Updates an einzelne Geräte in der gesamten IIoT-Infrastruktur zu senden. Viele Cloud-Backend-Anbieter stellen ein Embedded-SDK mit Software-Hooks zur Verfügung, die, sobald sie auf dem Embedded-Gerät implementiert sind, von den Backend-Tools genutzt werden können.

Eine Gerätemanagementstrategie muss alle Gateways, Endgeräte und möglicherweise mehrere Cloud-Backends berücksichtigen. Idealerweise würde die Lösung eine Art Dashboard für die Benutzeroberfläche enthalten, um Interaktionen einfach zu überwachen. (Bild: Mentor Graphics (Deutschland) GmbH)

Ferndatendiagnose und Systemzustandsüberwachung

Das Ziel jedes Unternehmens ist es, die Anforderungen ihrer Kunden zu erfüllen und gleichzeitig den Gewinn zu steigern. Hierfür müssen Gerätehersteller in der Lage sein, installierte Geräte auf mögliche Probleme zu überwachen (Systemzustandsüberwachung) und Probleme zu diagnostizieren oder vorherzusagen, so dass sie bei planmäßigen Wartungsarbeiten behoben werden können. Beispiele für die Überwachung des Systemzustands sind das Beobachten der CPU-/Speicher-/Netzwerknutzung oder die Überwachung von Watchdog-Daemonen und anderen Funktionen auf Systemebene. Wenn es zu einer Verschlechterung oder einem Ausfall des Systems kommt, gibt es eine Vielzahl von Systemdiagnosefunktionen, die per Fernzugriff auf dem Edge- oder Endknoten-Gerät durchgeführt werden können, um dem Gerätehersteller nützliche Informationen zur Verfügung zu stellen. Letztendlich kann die Fernüberwachung und -diagnose des Systemzustands die Verfügbarkeit des IIoT-Systems und die Kundenzufriedenheit verbessern und gleichzeitig die Kosten des Geräteherstellers für Wartung, Service oder Austausch von Geräten senken. Mentors Sourcery-Analyzer-Tool ist ein gutes Beispiel dafür, wie Softwareentwickler ein neues Level der Datendiagnose und Systemzustandsüberwachung in ihre IIoT-Infrastruktur einbringen können. Der Sourcery-Analyzer ermöglicht es, den Zustand und den Betrieb der Embedded-IIoT-Plattform aus der Ferne zu analysieren. Der Systemzustand kann überwacht werden, indem Funktionen und Dämonen auf Systemebene aktiviert werden und Daten über sichere Telemetrie-Kanäle an Zeitreihen-Datenbanken im Cloud-Backend gesendet werden.

Digitale Zwillinge

Das Versprechen von Industrie 4.0 geht tief und umfasst das, was oft als ‚digitales Unternehmen‘ bezeichnet wird. Der digitale Zwilling ist für Siemens ‚der Inbegriff der Digitalisierung von Maschinen und Anlagen – die virtuelle Kopie einer realen Maschine oder Anlage‘. Bauteile werden seit Jahren vor dem Prototyping und der Fertigung digital konstruiert. Heute können Teile sogar auf Abruf durch additive Fertigungstechniken hergestellt werden. Aber digitales Design beschränkt sich nicht nur auf physikalische Komponenten. Aus Software-Perspektive existieren Techniken, um Software auf virtueller Hardware zu entwickeln. Das sind im Wesentlichen Simulatoren, die Prozessoren, Komponenten, Boards und sogar ganze Systeme imitieren. Entwickler können Software auf virtuellen Instanzen dieser Systeme entwickeln und testen, bevor die Software finalisiert und auf die eigentliche Hardware ‚geflasht‘ wird. Glücklicherweise ist die Nützlichkeit dieser simulierten Systeme noch lange nicht erschöpft. Durch die Verwendung von Statusinformationen und Daten, die von diesen angeschlossenen Geräten gesammelt wurden, können Unternehmen digitale Zwillinge zum Validieren von Software, Testen und Diagnostizieren von Problemen benutzen. Der Einsatz von digitalen Zwillingen kann daher zu Effizienzsteigerungen und neuen Möglichkeiten führen, indem Gerätemanagement, Software-Updates, Ferndiagnose und Systemzustandsüberwachung zu einer vollständigen Digitalisierungsstrategie verknüpft werden.

Das Mentor Embedded IoT Framework ergänzt und erweitert SDKs von Cloud-Anbietern und ermöglicht die Integration und Portierbarkeit der zugrundeliegenden Plattform. (Bild: Mentor Graphics (Deutschland) GmbH)

Eine IIoT-Lösung für alle

Das Problem besteht darin, eine IIoT-Architektur zu finden, die verschiedene Geräte, Betriebssysteme, Hardware-Plattformen und das Cloud-Backend integriert. Gebraucht wird ein zusammenhängendes, hochfunktionales IIoT-Ökosystem. Ein Ökosystem, das auch die Werkzeuge berücksichtigt, die für den Betrieb und die Wartung aller beweglichen Teile heute, morgen und in ferner Zukunft benötigt werden. Das Mentor Embedded IoT Framework (MEIF) (Bild 3) ersetzt keine Technologien und Investitionen, die bereits von Cloud-Anbietern bereitgestellt werden, sondern füllt die Lücken, indem es diese Technologien ergänzt bzw. erweitert und Funktionen vollständig in die Edge- oder Endknoten-Geräteplattformen integriert. Das MEIF-Design ermöglicht die Integration der von den Cloud-Anbietern zur Verfügung gestellten Embedded-SDKs mit einem klar definierten Satz von MEIF-Geräte-APIs, ergänzt durch Tools für Gerätemanagement, sichere Updates, Ferndatendiagnose und Systemzustandsüberwachung.

Schlussfolgerung

Unternehmen, die in IoT investiert haben, erkennen die Vorteile einer solchen Strategie und implementieren nun komplexere und expansivere IIoT-Architekturen. Die Gerätehersteller stehen daher vor neuen Herausforderungen in Bezug auf die für das Gerätemanagement erforderlichen Tools, unbekannte/mehrere Clouds, Portabilität, Skalierbarkeit und die Notwendigkeit, Geräte aus der Ferne zu überwachen und zu diagnostizieren. Das Mentor Embedded Portfolio, zusammen mit dem Mentor Embedded IoT Framework, ergänzt und erweitert die großen Investitionen der Cloud-Anbieter. Es stellt umfassende IoT-Tools und -Features zur Verfügung, die bis hinunter zur Hardware von Edge- oder Endknotengeräten implementiert und über Plattformen und Clouds portiert werden können.

Autorin: Kathy Tufto,
Senior-Product-Manager
Mentors Embedded Systems Division,
Mentor
www.mentor.com