Aus Big Data wird Smart data

Nutzen von Edge-Computing in der Fertigung

In der Fertigungsindustrie schreitet die Digitalisierung immer weiter voran. Doch längst nicht alle Maschinen oder Anlagen sind dafür ausgerüstet, um mit dieser Entwicklung Schritt zu halten. Mit Industrial Edge bietet Siemens ein Kernelement auf dem Weg zur digitalen Fabrik der Zukunft.

Edge computing - zusätzliche Rechenleistung vor Ort

„Edge Computing“ ist das Verlagern von Rechenleistung an den Rand des Netzwerks.

 

Beim klassischen lokalen Computing werden die benötigten Geräte einmalig installiert und eingerichtet. Die Datenübertragung erfolgt zumeist über lokale Netzwerke oder externe Speichermedien. Aktualisierungen der Geräte sind dabei stets mit einem Eingriff in die IT-Infrastruktur verbunden, weshalb sie nur selten durchgeführt werden.

 

Cloud Computing ist das genaue Gegenteil. Dabei werden Daten in ein zentrales Rechenzentrum transferiert, verarbeitet und das Ergebnis zurückgespielt. Während das Rechenzentrum der Cloud sehr leistungsfähig ist, ist die tatsächlich mögliche Datenmenge durch die Bandbreite der Verbindung schnell begrenzt, sodass eine Verwertung aller entstehenden Prozessdaten mithilfe der Cloud nicht möglich ist.

 

Die Technologie des Edge Computing stellt eine Schnittstelle zwischen lokaler und globaler Datenverarbeitung dar. Ein leistungsfähiger Industriecomputer befindet sich direkt an der Maschine und ermöglicht somit eine ressourcenschonende Verarbeitung der Datenströme. Gleichzeitig bietet er eine Schnittstelle zur Cloud, die nun mit verarbeiteten Daten versorgt wird, was einen geringeren Datenverkehr bedeutet. Durch die maschinennahe Verarbeitung lassen sich auch hochfrequente Daten, die nur eine geringe Rückmeldungszeit (Latenz) zulassen, verarbeiten und effektiv nutzen.

Hochfrequent anfallende Daten

Die CNC generiert permanent große Datenvolumina in unterschiedlichen Taktraten, die zur Analyse und Steuerung verschiedener Fertigungsprozesse ausgeleitet werden:

Datenvolumina bei unterschiedlichen Taktraten
Prozessdatenquelle
Taktrate
Datenmenge pro Skunde

Maschinenaggregate,

Peripherie

(→ PLC-Zykluszeit)

~ 0,1 – 10 s
→ ~ 5 KByte

Bahnführung des

Werkzeugs

(→ Interpolatortakt)

~1 – 10 ms
→ ~ 0,1 Mbyte

Regelung der

Maschinenachsen

(→ Lageregeltakt)

~ 1 – 2 ms
→ ~ 1 – 2 Mbyte

Rechnen am Rand

Aber was ist Industrial Edge genau? Die Digitalisierungsplattform ist weit mehr als nur Hardware. Mithilfe hochentwickelter Analyseverfahren erweitert sie bestehende Automatisierungsverfahren um maschinennahe Datenverarbeitung – und das direkt im Fertigungsbetrieb. Applikationen werden dabei über die Cloud verwaltet und installiert. Damit hat Industrial Edge gegenüber lokalen Netzwerken den Vorteil, dass Anwendungen jederzeit aktualisierbar sind, ohne in den produktiven Prozess eingreifen zu müssen. Durch die direkte Anbindung an die Cloud ist Industrial Edge außerdem in der Lage, verarbeitete Daten direkt und kontinuierlich hochzuladen.

 

Bei Werkzeugmaschinen entstehen pro Sekunde bis zu 2 MB Prozessdaten. Diese Daten für mehrere Maschinen in die Cloud hochzuladen, ist nicht möglich. Daher muss mithilfe intelligenter Algorithmen die Datenmenge reduziert werden. Aus Big Data wird Smart Data und Industrial Edge kombiniert eine lokale und performante Datenverarbeitung in der Automatisierung mit den Vorteilen der Cloud.

Weshalb Industrial Edge?

Das IT-Konzept von Siemens mit einer Kombination aus Hard- und Software bringt die in Produktion und Fertigung anfallenden Daten mit global qualitätsgesicherten Digitalisierungsfunktionen zusammen, und zwar auf lokal installierten Edge-Rechnern, die auf die jeweilige Digitalisierungsaufgabe zugeschnitten sind.

 

Manche mögen jetzt einwenden, dass Werkzeugmaschinen mit Sinumerik bereits eine sehr leistungsfähige Recheneinheit besitzen, die diese Aufgaben ja mit abdecken könnte. Dem ist aber nicht so, denn die Recheneinheiten der Sinumerik sind zwar sehr leistungsfähig, die Kernkompetenz einer Numerical Control Unit (NCU) liegt jedoch bei der Bahn- und Geschwindigkeitsführung, die vom Maschinenhersteller gesichert wird. Die Architektur der CNC-Maschine ist auf eben diese Kernkompetenz zugeschnitten. Rechenleistung für zusätzliche Algorithmen der Datenanalyse kann zur Verfügung stehen, ausreichende Kapazität jedoch nicht garantiert werden.

 

Industrial Edge ermöglicht deshalb die Integration von Applikationen von verschiedenen Seiten. So werden Anwendungen von Siemens und den Maschinenherstellern zur Verfügung gestellt. Zudem wird mit Industrial Edge eine relativ offene Umgebung geschaffen, auf der verschiedene Technologieanbieter und Hersteller von Werkzeugen oder Spannmitteln ihre Applikationen entwickeln können.

 

Eine direkte Implementierung in der CNC wäre somit nicht möglich, da die CNC-Maschinen von den Herstellern bereits individualisiert wurden und keine einheitliche Plattform darstellen. Diese Individualisierung ist nötig, weil die Maschinenhersteller die Produktivität und die Qualität des Zerspanungsprozesses der Maschine garantieren müssen. Industrial Edge ist von diesem System entkoppelt und bietet somit eine Basis für weitere Technologieanbieter.

 

Ziel ist es, rund um Industrial Edge ein neues Geschäftsfeld zu generieren, das verschiedene Anbieter nutzen können. Auf diese Weise soll sich durch branchenübergreifende Einflüsse und globale Entwickler von Applikationen Industrial Edge als Plattform digitaler Transformation etablieren. Zu diesem Zweck verfügt Industrial Edge über eine eigene Entwicklungsplattform für die einfache und fehlerfreie Programmierung von Applikationen. Eine Runtime-Software stellt die Konnektivität zu den verbundenen Automatisierungsgeräten sowie zum Edge-Management sicher. Diese Verbindung besteht aus einer Schnittstelle zur IIoTCloud (IIoT= Industrial Internet of Things). Das ermöglicht sowohl die Weiterverarbeitung von Prozessdaten in übergeordneten IT-Systemen als auch die Administration und das Updaten der Applikationen selbst.

Offen für alle Anwendungen

Industrial Edge dient nicht nur zur Analyse und Verarbeitung von Prozessdaten von CNC-Maschinen, sondern bietet auch eine Plattform, auf der auch Daten weiterer, in der Maschine verbauter Sensorik verarbeitet werden. So ist zum Beispiel die stetige Auswertung von Kameraaufnahmen möglich, um die Bauteilaufspannung maschinell zu kontrollieren. Ergebnisse der durch die Edge-Applikationen erfolgten Datenverarbeitung werden direkt wieder in die Maschine gespielt, um den laufenden Prozess zu optimieren und so etwa Verschleiß zu minimieren oder die Qualität zu verbessern.

 

Edge Computing wird zukünftig ein zentraler Bestandteil in der Anwendung von Werkzeugmaschinen sein. Nur durch den Einsatz von Applikationen mit spezifischem technologischem Hintergrund lässt sich eine weitere Produktivitätssteigerung erreichen. Industrial Edge schafft eine Umgebung, die eine Echtzeitauswertung von Daten ermöglicht, und wird so zur Grundlage für den Einsatz dieser zukunftsgerichteten Technologien.

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