EDGE-COMPUTING IM PROJEKT EUPROGIGANT Vision – Verständnis – Abgrenzung White Paper 2021 2� Edge-Computing im Projekt EuProGigant Edge-Computing im Projekt EuProGigant� 3 Editor Prof. Dr. Matthias Weigold PTW TU Darmstadt Autoren Markus Weber, M. Sc. PTW TU Darmstadt Benjamin Brockhaus, M. Sc. PTW TU Darmstadt Stefan Dumss, M. Sc. MIVP TU Wien Co-Autoren Dr. Jan Brinkhaus B rinkhaus GmbH Melissa Brunnbauer, M. Sc. Concircle Österreich GmbH Dr. Konrad Pfadenhauer Concircle Österreich GmbH Dipl.-Ing. Werner Kirsten Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH Prof. Dr. Friedrich Bleicher IFT TU Wien Clemens Schwaiger, M. Sc. IFT TU Wien Dipl.-Ing. Torsten Dehnert IGH Infotec AG Dipl.-Ing. Jürgen Erstling IGH Infotec AG Dipl.-Ing. Achim Getschmann IGH Infotec AG Prof. Dr. Manfred Grafinger MI VP TU Wien Dr. Verena Henrich S oftware AG Herausgeber Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) Technische Universität Darmstadt Otto-Berndt-Straße 2, 64287 Darmstadt https://www.ptw.tu-darmstadt.de Erscheinungsjahr 2021 Lizenz CC BY 4.0 International – Creative Commons, Attribution Impressum https://www.ptw.tu-darmstadt.de 4� Edge-Computing im Projekt EuProGigant Edge-Computing im Projekt EuProGigant� 5 Impressum� 3 Kurzfassung� 4 Kontaktdaten� 4 Inhaltsverzeichnis� 5 Einführung� 6 Motivation� 6 Definition von Edge-Computing� 7 Vision des Edge-Computing im Projekt EuProGigant� 8 Edge-Computing im industriellen Umfeld� 10 Heutige Fabriknetzwerke und ihre Elemente� 10 Edge-Architekturen� 12 Edge-Computing im Projektzusammenhang� 14 Hardware zum Edge-System� 16 Bewertung der Sicherheit bei Nachrüstung von Edge-Devices (nach Maschinenrichtlinie)� 17 Über EuProGigant� 17 Literatur� 18 Im Rahmen des österreichisch-deutschen Leit- projekts für Gaia-X in der produzierenden Indus- trie namens EuProGigant wird eine gemeinsame Dateninfrastruktur nach den Prinzipien von Gaia-X für das Wertschöpfungsökosystem kon- zipiert und umgesetzt. Das Ziel des Projekts ist die Demonstration und Skalierung eines stand- ortübergreifenden, digital vernetzten Produk tionsökosystems mit resilienter, datengetriebe- ner und nachhaltiger Wertschöpfung zur Stär- kung der europäischen Vorreiterrolle in der Industrie. Der Fokus im Projekt liegt auf der Anbindung diverser Maschinen und Anlagen unabhängig von Herstellern und Software- bzw. Firmwareständen der Steuerungskomponenten. Neben Anforderungen an eine gemeinsame Da- teninfrastruktur hinsichtlich IT-Security, Safety, Zuverlässigkeit, Schnittstellenkonfiguration zur Interoperabilität und ein funktionierendes Update-Management sind die Anforderungen zu integrierender digitaler Funktionen (Services) heterogener Herkunft zu nennen, welche in der Gaia-X Architektur über die Federation Services aus dem Daten-Ökosystem bezogen werden. Hohes Potenzial zur Umsetzung von industriel- len Anwendungsfällen besteht in der Nutzung von Daten aus Produktionsprozessen. Insbeson- dere die hochfrequente, zeitsynchrone Daten- erfassung und -verarbeitung mittels Services im Edge-Computing auf dem Shop Floor wird als Treiber für digitale datengetriebene Geschäfts- modelle in der Beschreibung von Datenwert- schöpfungsketten gesehen. Das White Paper legt die begriffliche Basis für das Edge-Compu- ting im Projekt EuProGigant und soll über das Projekt hinaus das Verständis für die vielfältige Nutzung von Edge-Systemen in der Produktion im Zusammenhang mit Gaia-X schärfen. Kontaktdaten EuProGigant – Europäisches Produktionsgiganet zur kalamitätsmindernden Selbst-Orchestrie- rung von Wertschöpfungs- und Lernökosyste- men Pilotfabrik Industrie 4.0 TU Wien Dr. Claudia Schickling Konsortialführung Österreich claudia.schickling@tuwien.ac.at PTW TU Darmstadt Prof. Dr.-Ing. Matthias Weigold Konsortialführung Deutschland m.weigold@ptw.tu-darmstadt.de Markus Weber, M. Sc. Projektkoordinator m.weber@ptw.tu-darmstadt.de info@euprogigant.com www.euprogigant.com Kurzfassung Inhaltsverzeichnis mailto:claudia.schickling@tuwien.ac.at mailto:m.weigold@ptw.tu-darmstadt.de mailto:m.weber@ptw.tu-darmstadt.de mailto:info@euprogigant.com www.euprogigant.com 6� Edge-Computing im Projekt EuProGigant Edge-Computing im Projekt EuProGigant� 7 Der Beitrag fokussiert sich auf das Edge-Com- puting in der Domäne Industrie 4.0. Der Einsatz des vorgeschlagenen EuProGigant Edge-Systems erschließt sich insbesondere im Zusammenhang cyber-physischer Produktionssysteme (CPPS)1 mit dem Nutzen, diese zu Vernetzen und in einer gemeinsamen Dateninfrastruktur zur Kommu- nikation, zum Datenaustausch und zum verteil- ten Abarbeiten von Softwarefunktionen zu befä- higen. Die industrielle Produktion wird dadurch unternehmensübergreifend, standortunabhägig, flexibel und effizient in einem Wertschöpfungs- ökosystem vernetzt. In den folgenden Kapiteln wird zunächst die Vision des Edge-Computings im Projekt EuPro- Gigant beschrieben. In Kapitel 3 wird der heute typische Aufbau in der industriellen Fertigung, sowie bereits erprobte Ansätze zur Integration Edge-Computing in das Fertigungsumfeld beschrieben. Anschließend wird in Kapitel 4 das im Projektkonsortium gewählte Verständnis des Edge-Systems dargestellt. In Kapitel 5 werden in Frage kommende Hardware analysiert sowie die Abgrenzung zu Fog- und Cloud-Computing erläutert. Abschließend wird in Kapitel 6 auf die Frage der Haftung und Neubewertung der CE-Konformität eingegangen, die bei Nachrüstung von Edge- Computing-Lösungen an bestehenden Anlagen zu beantworten ist. 1 �Cyber-phyische Produktionssysteme (CPPS): Cyber-physi- sche Systeme sind in Dinge der physischen Welt einge bettete Computer, die diese steuern. Zusammen bilden Sie ein Verbund aus informatischen, softwaretechnischen, mechanischen und mechatronischen Komponenten. Die physischen Dinge sind in der Domäne Industrie 4.0 im Besonderen Fertigungs- und Produktionsmittel [1]. Definition von Edge-Computing Der Begriff des Edge-Computings ist ein weithin verwendeter Begriff im Industriebereich und wächst auch im Zusammenhang mit dem starken Zuwachs an Industrial Internet-of-Things-Anwen- dungen (IIoT). Edge-Computing ist definiert als die Erfassung und Verarbeitung von Daten mit niedriger Latenz, weil die Daten bspw. im maschi- nennahen Umfeld am Rande des Firmennetz- werks benötigt werden [2]. Weiterhin ist das Edge-Computing laut der Definition nach Gartner Teil einer verteilten Rechnertopologie [3]. Das Edge-Computing ermöglicht die Verarbei- tung großer Datenmengen, welche durch die große Anzahl IoT-fähiger Sensoren und Geräte anfällt. Im Cloud-Computing führt die Übertra- gung großer Datenmengen über das Internet zu hohen Kosten, die größtenteils über die bean- spruchte Bandbreite abgerechnet werden. Das Edge-Computing übernimmt daher die Aufgabe der Datenverdichtung, z. B. durch das Erzeugen von Kennzahlen oder Warnmeldungen, um den Datenverkehr in Richtung Cloud zu minimieren. [2] Die Gaia-X Assoziation gibt eine Definition von Edge-Computing im Glossar auf der Webseite an. So wird die Edge-Technologie als dezentra- lisierte Daten-Architektur beschrieben. Edge- Computing bietet sich dort an, wo große Daten- mengen entstehen und verarbeitet werden sollen. Von Bedeutung sind auch Echtzeitanwen- dungen mit Latenzzeiten von wenigen Millise- kunden. Für die weitere Datenverarbeitung kön- nen sich Cloud-Technologien anschließen. [4] Motivation Das Konsortium des österreichisch-deutschen Leitprojekts für Gaia-X im Produktionsumfeld namens EuProGigant sieht in der Verwendung der Edge-Technologie einen entscheidenden Baustein der im Projektantrag beschriebenen Zielsetzung zum Aufbau eines resilienten Wert- schöpfungs- und Lernökosystems. Wertschöpfung findet für das Konsortium an der produzierenden Maschine oder Anlage statt. Funktionen zur Befähigung des Produktionspro- zesses, auf unerwartete und unbekannte Stör- größen zu reagieren und den Prozess stabil zu halten (Resilienz) oder die Geschwindigkeit des Wertschöpfungsprozesses zu steigern, sind als Qualitätsmerkmale im Produktionsumfeld zu verstehen. Hierbei ist die Verarbeitung großer Datenmengen aus Maschinensteuerungen und Sensoren sowie die schnelle Reaktion auf die gewonnene Information, d. h. die beinahe latenz- freie Rückmeldung an Steuerungen, als Antwort auf lokale oder auch übergeordnete Warn- und Diagnosemeldungen (sog. Events), nötig. Für das Projektkonsortium ist es für die Entwicklung und Forschung an den Zielsystemen und den Anwen- dungsfällen entscheidend, Begrifflichkeiten zu klären, allgemeine Ansätze zu beschreiben und somit eine Breitenwirkung der Lösung zu erzie- len. Letztlich strebt das Konsortium den Aufbau eines Infrastruktur- und Datenökosystems an, in dem alle Entitäten der Produktion, wie Maschi- nen, Anlagen, Vermessungsgeräte, Fördersys- teme, Lager, Gebäudeinfrastruktur etc., mitein- ander vernetzt sind. Hierdurch entsteht aus dem funktionalen Zusatznutzen an der Edge ein Mehrwert für die unternehmerische Wertschöp- fung. Zur unternehmens- und standortüber greifenden Vernetzung wird auf die technische Architektur von Gaia-X zurückgegriffen. Einführung 8� Edge-Computing im Projekt EuProGigant Edge-Computing im Projekt EuProGigant� 9 Das Konsortium beschreibt innovative Funktionen, die zukünftig das Edge- Computing autonomer und intelligenter werden lassen, um das Ziel der Resilienz und der Erhöhung der Wertschöpfungsgeschwindigkeit in der Industrie erreichen zu können. Auf die Produktionsumgebung angewendet, beschreibt die Vision des Projekts EuProGigant das Edge-Computing mit Funktionalitäten der Selbstanbindung und der Selbstorchestrierung. Damit ist gemeint, dass die Konfiguration von Edge-Systemen erlernt wird und die nötige Schnittstellenauswahl aus einer Angebotsbiblio thek zur Maschinenanbindung über Feldbusse, andere Industrie-Rechnereinheiten, Sensoren oder zur Cloud automatisiert und intelligent erfolgt. Neue Schnittstellen werden automatisch erkannt und gemäß der nötigen Konfiguration, neue Services zur Schnittstellenübersetzung in den Datenkonnektor geladen. Der Datenkon- nektor ist eine Software-Komponente, welche die Ausführung von Services für die Datenerfas- sung oder die Datenausgabe in Verbindung mit Zielsystemen ermöglicht. Hierzu kommen heute vielfältig ausgeführte programmierbare Anwen- dungsschnittstellen (Application Programming Interface – API) zum Einsatz. Die Selbstorches- trierung der Geräte erfolgt, um Ressourcen gezielt und nach Bedarf einzusetzen, wozu ein vernetztes Auslastungsmonitoring der Hardware und der Netzwerkanbindung benötigt wird. End- geräte sollen frei und – wo nötig – drahtlos im Produktionsumfeld positioniert werden und bspw. nach Bedarf an einer Maschine zu einem Rechner-Cluster zusammengeschlossen werden können. Im äußerst visionären Fall erfolgt dies über frei bewegliche Edge-Rechnereinheiten, die sich wie Drohnen durch die Fertigung zu ihrem Einsatzort bewegen und dort selbständig drahtlos verbinden und sich für die anstehenden Aufgaben konfigurieren. Das Projekt sieht ein großes Potenzial im Edge-Computing, da am Ort der Datenquelle die datengetriebene Wert- schöpfung im Zusammenhang mit digitalen innovativen Geschäftsmodellen beginnt und sich entlang der Datenwertschöpfungskette fortsetzt. Hierzu sind digitale Services, die aus angebundenen Dateninfrastrukturen bezogen werden, essenziell. Diese Services und die zugrundeliegende technische Architektur des Edge-Computings müssen in der Lage sein, Daten hochfrequent und mit eindeutigem Zeit- bezug zu erfassen und in standardisierte Daten- strukturen zu überführen. Die Vision zeigt auf, wie wichtig neue Übertra- gungstechnologien, wie OPC UA über TSN oder 5G in Zukunft werden und welche Anwendungs- fälle sich neu denken lassen. Als Beispiele sind die auf Bauteile oder auf den Prozessschritt bezogene Energiebedarfsanalyse, ein prozess- integriertes Qualitätsmanagement je Bauteil- sektionen, sowie prozessstabilisierende, echt- zeitnahe Regelkreise zu nennen. Damit geht die Frage einher, ob nicht die bisher monolithische Architektur der Werkzeugmaschine aufgebro- chen werden muss und eine offene Maschine zum Gegenstand einer durchgängig vernetzten, flexiblen Produktionsumgebung wird. Vision des Edge-Computing im Projekt EuProGigant 10� Edge-Computing im Projekt EuProGigant Edge-Computing im Projekt EuProGigant� 11 In älteren Anlagen und Systemen ist das Anla- gennetz häufig nicht auf Ethernet-Basis ausge- führt, sondern durch Feldbusse der ersten Gene- ration (bspw. PROFIBUS®) charakterisiert oder sogar in analoger Verdrahtungstechnik aus geführt. Ein Anschluss an ein Firmennetz ist häufig nicht vorgesehen, oder wegen mangeln- der Sicherheitsupdates nicht angeraten. Diese Lücke schließen heute Edge-Systeme, die Schnitt stellen bereitstellen, die an einer Maschine nicht verfügbar sind und schaffen damit den Über- gang von Ethernet zu Altsystemen (sog. Legacy- Systemen). Heutige moderne Produktionssysteme sind kom- plex und erfordern ein stetiges Zusammenspiel zwischen dem physischen System und dessen virtueller Repräsentation2. Dies ist nötig, da bspw. kundenindividuelle Anforderungen an Produkte gestellt werden, wodurch Produk tionssysteme adaptiv darauf reagieren und Warenströme für eine effiziente, flexible Pro- duktion gezielt zu Fertigungsstationen gelenkt werden müssen. Das Prinzip lautet, dass Pro- dukte ihren Weg durch die Produktion selbstän- dig in Abhängigkeit von sich wechselnden Rand- bedingungen beschreiben und Maschinen und 2 �Digitale Zwillinge kommen in Verbindung mit cyber- physischen Produktionssystemen zum Einsatz. Anlagen sich daran anpassen. Dies stellt einen grundlegenden Wandel in der Verknüpfung, Pla- nung und Steuerung von Fertigungs- und Pro- duktionsmitteln dar. Dies verändert die Archi- tektur von IT-Systemen in modernen Fabriken von klassischen IT-Netzwerktopologien hin zur verteilten, autonomen Agentensystemarchitek- tur. Als Agent wird eine abgrenzbare Hardware- und/oder Softwareeinheit bezeichnet. Der Agent erfasst seine Umwelt und ist in der Lage selb- ständig darauf zu reagieren. [6] Werden in der IT-Infrastruktur eingebundene Geräte betrachtet und nicht mehr nur auf Pro- duktionssysteme fokussiert, so haben sich für den Zweck effizienter Verwaltungs- und Pro- grammierfunktionen Software-Definierte Netz- werke (SDN) etabliert. SDN nutzen konventio- nelle Server und Hardware, auf der die Steue- rungsfunktionen für das Netzwerk virtualisiert, z.B. in Containern, beliebig skalierbar instanziiert werden können. Die Weiterleitungsfunktionen sind von den Steuerungsfunktionen separiert. [7] Heutige Fabriknetzwerke und ihre Elemente Im industriellen Umfeld finden sich heutzutage unter anderem bereits Rechnereinheiten zur Produktionssteuerung (Leitrechner) und zur numerischen Maschinensteuerung (NCU). Der Leitrechner bildet eine zentrale Einheit, in der die Informationen aus mehreren – am Wertschöp fungsprozess beteiligten – Maschinen zusam- menlaufen. Zusätzlich dient der Leitrechner der Planung und Steuerung der Fertigung. Entspre- chend werden alle angebundenen Maschinen über den Leitrechner gesteuert. Auf den Leit- rechnern werden zentrale Steuer-, Lade- und Statusfunktionen ausgeführt. Die numerische Steuerungseinheit (engl. Nume- rical Control Unit – NCU) bildet den Kern der CNC-Steuerung, bspw. von Bearbeitungsmaschi- nen. Die CNC-Steuerung umfasst neben der NCU auch Antriebsregler, eine Speicherprogrammier- bare Steuerung (SPS) (engl. Programmable Logic Controler – PLC) und ein Bedienteil als Mensch- Maschine-Schnittstelle (engl. Human-Machine- Interface – HMI), sowie teilweise weitere Rechen- einheiten je nach Steuerungsarchitektur (bspw. PCU, TCU bei Siemens SINUMERIK®-Systemen). Diese Komponenten sind an der Maschine oder Anlage im sogenannten Anlagennetz verbunden (siehe Abbildung 1). Zur Kommunikation kom- men zwischen PLC, Antriebsreglern und NCU sogenannte Feldbussysteme zum Einsatz, die heutzutage i. d. R. Ethernet-basiert (RTE, Real-Time-Ethernet) sind. Hierzu gehören bspw. PROFINET® und EtherCAT®, welche die Echtzeit fähigkeit des Informationsaustauschs für Auto- mationsanwendungen sicherstellen. Die NCU kann über Standard-Ethernet zusätzlich mit dem Firmennetz verbunden werden, um Zugriff auf Netzlaufwerke zu erhalten [5]. Hierüber werden beispielsweise Bearbeitungsprogramme gela- den, Werkzeugeinstelldaten übermittelt und Status- und Fehlermeldungen von Maschinen und Anlagen an ein Produktionssteuerungssys- tem (engl. Manufacturing Execution System – MES) oder einen Leitrechner kommuniziert. Die Netzwerktopologien in Fabriken sind aus IT-Sicht klassisch sternförmig aufgebaut und Produk tionssysteme werden zentral gesteuert. Die hierzu bekannte hierarchische Zuordnung wird in der Automatisierungspyramide beschrieben. TCU Anlagennetz X120 Firmennetz NCU Abbildung 1: Unterscheidung in Anlagen- und Firmennetz sowie Komponenten einer SINUMERIK-CNC-Steuerung, Bildquelle [5] Edge-Computing im industriellen Umfeld 12� Edge-Computing im Projekt EuProGigant Edge-Computing im Projekt EuProGigant� 13 Edge-Architekturen Im Konsortium sind bereits unterschiedliche Edge-Architekturen im industriellen Umfeld umgesetzt worden. Hier wird exemplarisch auf einige wenige eingegangen und eine Schlussfol- gerung hinsichtlich allgemeiner Ansätze und Unterscheidungsmerkmale gezogen. In der in Abbildung 2 gezeigten Architektur erfolgt der Datenabgriff interner Maschinenda- ten aus der NCU über einen Konnektorbaustein namens RPC SINUMERIK basierend auf einem Remote Procedure Call. Dieser Baustein ist in der Regel auf der PCU implementiert und bietet Funktionen für die Daten- und Dateienübertra- gung. Wenige Daten werden direkt im Zuge des Funktionsaufrufs durch das Zielsystem – hier Edge-Device – vom SINUMERIK RPC übertragen. Größere Datenmengen werden in Dateien ge- schrieben und per FTP (File Transfer Protocol – digitales Protokoll zur Dateiübertragung) oder einem Dateisystem per Kopieren und Einfügen übermittelt (Shared Folder) [8]. Im abgebildeten Fall kommt alternativ das Protokoll MTConnect zum Abrufen von Maschinendaten zum Einsatz, welches über das maschinenlesbare XML-For- mat Daten austauscht. Das Edge-Device als Hardware-Einzelgerät kommuniziert mit dem MES-System, welches bspw. über ein HMI-Front end als Web-Anwendung angefragt wird und Informationen für die Bedienung an der Maschine bereitstellt. Auf dem Edge-Device werden eine Reihe von Services lokal ausgeführt. Als Beispiel ist der Plant-Connectivity-Service (PCo) von SAP® abgebildet. Weitere Daten von Bussystemen, die nicht als Informationen unmit- telbar im Anlagennetz verfügbar sind, können über eingesetzte Buskoppler aufgenommen und entweder separat zum Edge-Device mittels eige- ner Gateways oder auch in Verbindung mit dem Edge-Device nach Übersetzung auf das kompa- tible Netzwerkprotokoll aufgenommen werden. Die hier dargestellte Architektur nutzt das Edge- Computing anhand eines Hardware-Geräts als maschinennahe, dezentrale Rechnereinheit mit lokaler Instanz von Services mehrheitlich zur Datenweiterleitung an Zielsysteme. In Abbildung 3 wird das Edge-Computing eben- falls in Verbindung mit einem ERP/MES-System eingesetzt. Im Gegensatz zur Abbildung 2 ist die Edge zentral am Rand des Produktionsnetzes angesiedelt. Grund hierfür sind hohe IT-Sicher- heitsanforderungen. Auf diese Weise wird sicher- gestellt, dass es nur einen zentralen Zugang zum, vom Unternehmensnetz abgetrennten, Produk- tionsnetz gibt. Das Produktionsnetz repräsen- tiert das Firmennetz nach Abbildung 1. Der zen- trale Rechner im Produktionsnetz ist ein Pro- zessleitrechner mit MES-Software. Das Edge- Computing wird softwarebasiert, bspw. On- Premises, auf einer virtuellen Maschine durchgeführt und beschreibt hier keine spezielle Hardware. Auch Private-Cloud-Instanzen kön- nen als Basis für Edge-Computing in diesem Fall dienen. Letztlich bestimmt die Anwendung die tolerierbare Latenz im Informationsaustausch und somit die Positionierung der Funktionalitä- ten im Netzwerk. Abbildung 4 ist eine Zusammenstellung von Architekturen, die den universellen, dezentralen Einsatz von Edge-Devices als Hardware-Einzel- geräte im maschinennahen Umfeld mit Anforde rungen an die Latenz und große Datenmengen gemeinsam haben. Diese Architektur kommt zur Anwendung, wenn hochfrequente Daten dyna- mischer Anwendungsfälle aus unterschiedlichen Quellen, wie maschineninterne Steuerungs- und Antriebsdaten, analoge und digitale Sensor signale und vorverarbeitete Signale von exter- nen Messystemen, bspw. via Feldbus (CAN, PRO- FIBUS®, IO-Link …) erfasst, aggregiert, verarbei- tet und an Zielsysteme weitergesendet werden müssen. Als Zielsysteme kommen bspw. Cloud- Datenbanken, Plattformen mit performanten Services für Anwendungen der künstlichen Intel- ligenz, die CNC-Steuerung der Maschine selbst in Frage. Das Edge-Device ist in diesen Fällen mit mindestens einem kurzfristigen Datenpuffer oder sogar größeren Datenspeicherlösungen ausgestattet. In der Praxis zeigt sich, dass man- che Edge-Geräte für spezielle Aufgaben ent wickelt wurden und eine Erweiterbarkeit der Devices durch Dritte (wie den Maschinenbetrei- ber) nicht vorgesehen ist. Hierfür müssen diese mit weiteren Edge-Devices kombiniert werden, was den verfügbaren Platz im Schaltschrank der Maschine schnell ausreizt, sodass nachrüstbare oder separate Schaltschranksysteme an der Maschine nötig werden und mit Kosten und elek- trischem Absicherungs- und Dokumentations- aufwand verbunden sind. Des Weiteren wird die ungenutzte Rechenkapazität dieser Spezial- Edge-Devices verschwendet. In Abbildung 5 ist der Fall eines rein Service- basierten Verständnisses von Edge-Computing dargestellt. Die instanziierten digitalen Services integrieren Funktionen auf einer Rechnereinheit gemäß einer Architektur, welche die grundle- genden Funktionen bereitstellt und anwendungs- spezifisch geladen und konfiguriert werden kann. Die Daten werden aus unterschiedlichen Quellen anhand verschiedener Schnittelle erfasst. Micro- services in einer virtualisierten Umgebung mit- tels Container übernehmen die Datenverarbei- tung. Hierzu können je nach Anwendungsfall auch KI-Engines entweder als KI-Service für das Modelltraining oder als anwendungsspezifisch trainiertes Modell zum Einsatz kommen. Die Datenspeicherung erfolgt in Datenbanken über Agenten zur Schnittstellenübersetzung. Daten- broker spielen für den Aufbau souveräner, dezen- traler Internationaler Datenräume (International Data Spaces, siehe Referenzarchitekturmodell IDSA [9, 10]) eine zunehmend große Rolle. Sie übernehmen die Funktion, Metadaten verfügbar und auffindbar zu halten, um Datenobjekte und IT-Ressourcen im Datenraum bereitstellen zu können. Sie sind als Teil einer dezentralen Such- maschine zu verstehen. Abbildung 5: Edge-Computing als rein software-basierter Ansatz mit flexibler Implementierung im Produktionsum- feld (Software AG) NCU (z.B. SINUMERIK®) SINUMERIK® RPC oder MTConnect Edge Device (SAP® PCo = dezentraler Service) Others HMI-Frontend MES RS232 – LAN Wandler NEUALT Recorder um Daten aus den Bussystemen abzugreifen; z.B. IO- Link, CAN-Bus, … Daten von den Peripherie-Geräten nutzen; z.B. Messtaster, … Shared Folder Edge Device (z.B. Signalvorverarbeitung) im Unternehmensnetz Rechner im Produktionsnetz (geschlossenes System, nach außen Web-Services, internes Produktionsnetz für Aggregation) Extrusion Edge rein als Software Stretching SägenProzesskette Cloud-Server Wirkleistungs- sensor NCU (z.B. SINUMERIK®) Edge Device (Eigenentwicklung) Edge Device (z.B. SINUMERIK®) Merge-Tool Analoge Eingänge Variante 1 Cloud-Server Wirkleistungs- sensor NCU (z.B. SINUMERIK®) Edge Device (Eigenentwicklung) Visualisierungs- Tool Analoge Eingänge Variante 2 Virtueller Server im Rechenzentrum des Unternehmens Externer SensorNCU (z.B. SINUMERIK®) Edge Device (z.B. SINUMERIK®) Daten- Konnektor Modbus Eingangskarten Edge Device (z.B. SINUMERIK®) NCU (z.B. SINUMERIK®) Maschine ohne Netzwerk Variante 3 Abbildung 4: Praxisbeispiele für Edge-Architekturen zur hochfrequenten Datenverarbeitung im maschinennahen Umfeld Abbildung 3: Edge-Computing am Rand des Produktionsnetzes Abbildung 2: Datenanbindung über ein zentrales Edge-Device mit MES- und Cloud-Anbindung 14� Edge-Computing im Projekt EuProGigant Edge-Computing im Projekt EuProGigant� 15 Abbildung 6: Federation Services von Gaia-X als Schnittstellenfunktionen zur Orchestrierung von Datenströmen zwischen Infrastruktur- und Daten-Ökosystem [12] Das Edge-System wird im Konsortium als (open source) Softwareprodukt aufgefasst, welches im lokalen Netzwerk an Stellen der Subnetzwerk- übergänge3 oder zur Erhöhung der lokalen Rechenkapazität installiert werden kann. Das Edge-System wird als universell und flexibel einsetzbares System betrachtet, dass Selbstan- bindungs- und -Konfigurationsfunktionen anbie- tet. Es besitzt Funktionalitäten zur Sicherheits- 3 �Subnetzwerkübergänge: – Direkt an der Maschine: Übergang Maschine zu lokalem Netzwerk; – Im Fertigungsnetzwerk: Übergang Unternehmensnetzwerk zu Fertigungsnetzwerk; – Im Unternehmensnetzwerk: Übergang Internet zu Unternehmensnetzwerk. integration, zur breiten Schnittstellen- und Protokollkonfiguration und ist über den Gaia-X Federated Catalogue auffindbar4, um neue Funk- tionen als Services instanziieren und monitoren zu können. Dafür muss das Edge-System die Federated Services (s. Abb. 6) von Gaia-X nutzen können. Es beeinträchtigt durch funktionale Isolierung und Security-by-Design keine sicher- heitsrelevanten Funktionen auf der PLC oder NCU, sodass eine Neubewertung der Sicherheit der Anlage nicht erforderlich wird. 4 �Sowohl private als auch öffentliche zentrale bzw. dezentral verteilte Kataloge werden unterstützt Edge-Computing im Projektzusammenhang Im Zusammenhang des Projekts EuProGigant definiert das Konsortium nach der Zusammenstellung und Diskussion der dargestellten Informationen das Edge- Computing für das EuProGigant – Europäische Produktionsgiganet. Die Anforderungen lauten: ¸¸ Edge-Systeme unterstützen dezentrale Rechenoperationen möglichst nahe an der Datenquelle, um eine gegebene Zeitanforde- rung in der Datenübertragung und Datener- fassung erfüllen zu können. Die Zeitanforde- rung ist abhängig vom Anwendungsfall. ¸¸ Das Edge-System besitzt als Grundaufbau eine Input-, eine Logik- und eine Output-Schicht. Die Input-Schicht übernimmt die Aufgabe der Datenerfassung über konfigurierbare Schnitt- stellen sowie das Verarbeiten von Daten gemäß verfügbarer, verlinkter Informations- modelle, woran branchenspezifische Vokabu- lare geknüpft sind. Die Logik-Schicht führt das Datenhandling gemäß den datenverarbeiten- den Services, die Datenspeicherung bzw. -puf- ferung und die Datenvisualisierung durch. Im Kontext Gaia-X erfolgt in der Logik-Schicht die Generierung von Selbstbeschreibungen als Informationsmodelle und deren Zuordnung zu den Daten. Die Output-Schicht stellt die Daten mit deren Selbstbeschreibung zur Über- tragung an Zielsysteme über standardisierte, konfigurierbare Schnittstellen zur Verfügung. ¸¸ Das Edge-System ermöglicht die Kommunika- tion mit Zielsystemen, z.B. On-Premises, Pub- lic-Cloud oder Private-Cloud. Abhängig von IT-Sicherheitsanforderungen und Konformi- tätsbestimmungen muss die Platzierung der Edge im Netzwerk bestimmt werden. Dies kann sich je nach Anwendungsfall unterscheiden. Die Edge-Systeme können die Ausprägung als Edge- Device oder Edge-Cloud annehmen. Das Edge- Device ist ein Hardware-Einzelgerät. Die Edge- Cloud bezeichnet Computing-Infrastruktur sowohl im Unternehmen (On-Premises) als auch in der Private-Cloud. Die Edge-Cloud kann dazu auch bekannte Dienste aus dem Public-Cloud-Bereich an strategischen Knotenpunkten nahe des Unter- nehmensnetzwerks platzieren. Das kann im Zusam- menspiel einer Edge-Cloud-Strategie erfolgen und meint, dass Services eines Anbieters sowohl in der Edge als auch in der Cloud als Softwareprodukt implementiert werden können. Die Funktionalitä- ten der Edge, wie Datenverarbeitung, Konnektivität oder Anwendungen des Gebiets der künstlichen Intelligenz, sind je nach Anwendungsfall an geeig- neter Stelle platzierbar, wo der größte Kundennut- zen entsteht [11]. Die Funktionen werden als Servi- ces bereitgestellt und sind hardwareunabhängig. Der Fokus der Datenverarbeitung im Edge-System liegt auf der Erhöhung der Wertschöpfung. Die Prozessinformationen zur Wertschöpfung werden zusammengeführt und zu neuen Informationen aufgewertet, sodass in bidirektionaler Kommuni- kation zwischen Datenquelle und Edge-System die Wertschöpfung gesteigert werden kann. In Analogie zur physischen Wertschöpfung erfolgt die Daten- verwertung entlang einer digitalen Datenwert- schöpfungskette. Das IIoT-Device ist klar vom Edge-Device zu trennen. Das Edge-Device unterscheidet sich vom IIoT-Device darin, dass es die Möglichkeit anbietet, Gaia-X Servi- ces zu instanziieren (s. Abb. 6). Ein generisches IoT- Device ist bspw. nur als Datenquelle mit fester Cloud anbindung und Gateway-Funktionalität konzipiert. 16� Edge-Computing im Projekt EuProGigant Edge-Computing im Projekt EuProGigant� 17 Mit dem Verständnis des Edge-Systems als reines Softwareprodukt stellt sich die Frage der darun- terliegenden Hardware. Hier soll das Edge-Sys- tem agnostisch sein und verschiedenste Hard- wareklassen ermöglichen. Die Hardwareklassen im Projektkontext sind in Abbildung 7 dargestellt. Der Bereich Edge-Devices wird von Einzelgerä- ten verschiedener Leistungsklassen gebildet. Im Projekt kommen hier Industrie-PCs sowie indus- trietaugliche Single Board Computer (SBC) zum Einsatz. Der Bereich Edge-Cloud umfasst zum einen typische Cluster oder lokale Rechenzen- tren, die auch häufig unter den Bezeichnungen On-Premises und Private Cloud vermarktet wer- den. Zusätzlich befindet sich hier aber auch der Zusammenschluss mehrerer Edge-Devices zur Erweiterung der Rechenleistung oder Verbesse- rung der Verfügbarkeit. Oberhalb schließt sich der Cloud-Computing-Bereich an, wobei im Pro- jektverständnis hier Infrastructure-as-a-Service (IaaS) bis Platform-as-a-Service (PaaS) gemeint ist. Da das Edge-System die Leistungsbedarfe seiner Applikationen kennt (siehe auch Gaia-X Self- Description), und die Angebote der verfügbaren Edge-Hardware ebenfalls als Informationen bereitgestellt werden, kann die Positionierung im Netzwerk der einzelnen Applikationen auto- matisch festgelegt werden. Dies schließt eine Repositionierung mit ein, die durch Störungen oder Änderungen am Leistungsbedarf notwen- dig werden können („Mobilität von Services“ als Service-Portabilität). Hardware zum Edge-System Abbildung 7: Hardwareklassen für Edge-Systeme in EuProGigant (Quelle: PTW) Bewertung der Sicherheit bei Nachrüstung von Edge-Devices (nach Maschinenrichtlinie) Das Edge-System verfügt über Funktionen zur Cloud-Anbindung und übernimmt Aufgaben, die aufgrund der Rechenleistung und der Datenmenge nicht auf einem sicherheitskritischen System wie der NCU ausgeführt werden. Die Geräte im Anla- gennetz verarbeiten ausschließlich eine für die Wertschöpfung hinreichende Datenmenge und stellen Safety-Funktionen für den sicherheitskon- formen Betrieb der Maschine oder Anlage nach Maschinenrichtlinie [13] bereit, wie Safe-Motion, E-Stopp, Safe-Torque-Off, Not-Halt, Not-Aus. Im Zeitraum 2021 – 2023 wird mit einer überarbeite- ten Version der Maschinenrichtlinie gerechnet [14]. Das Konformitätsbewertungsverfahren über- prüft die Funktionstüchtigkeit der Sicherheits- funktionen. Nach erfolgter Bewertung signalisiert das CE-Kennzeichen dem Betreiber einer Maschine die Normkonformität [15]. Die Verwendung von Edge-Systemen in Verbindung mit Steuerungs- Einheiten an Maschinen und Anlagen gilt als kri- tisch, wenn durch sie Sicherheitssignale beein- flusst werden. Um einer Neubewertung der Kon- formität nach Installation eines Edge-Systems zu umgehen, muss nachgewiesen werden, dass es sich um eine nicht wesentliche Veränderung im Sinne der Maschinenrichtlinie handelt. Dabei ist die Frage zu klären, ob sich durch den Einbau neue Gefährdungen ergeben haben oder sich ein beste- hendes Risiko erhöht hat. Der TÜV Süd schreibt, dass es sich in Fällen von Retrofits an Maschinen- steuerungen mehrheitlich nicht um wesentliche Veränderungen handelt [15]. Genaue Anforderun- gen sind neben der Maschinenrichtlinie auch dem Papier „Wesentliche Veränderung von Maschinen“ des Bundesministeriums für Arbeit und Soziales zu entnehmen [16]. Wesentlich ist, dass durch die Integration von Edge-Systemen vorhandene Sicherheitsparameter unberührt bleiben und keine sicherheitsgerichteten Steuersignale verar- beitet werden. Dann ist eine Neubewertung der Normkonformität laut TÜV SÜD nicht nötig [15]. Von hoher Wichtigkeit ist, dass nach einer erfolg- ten Modernisierung der Maschine oder Anlage die Dokumentation hinsichtlich Schaltpläne, Kon- struktionszeichnungen, Bedienungsanleitung und Gefährdungsbeurteilung aktuell gehalten werden. Ein wichtiger Fall der dabei ausgeklammert wird ist, dass für eine Datenbereitstellung auf der NCU oder der PLC eigens Services installiert werden können, welche Rechenkapazität in Anspruch nehmen und so ggf. sicherheitsrelevante Funkti- onen des Geräts behindern können. EuProGigant- Name Hardware Technologie Edge Devices Edge-Cloud IaaS/PaaS-Cloud Rechenzentrum Cloud-ComputingFog-ComputingFog-Computing ClusterMehrere Edge Devices Einplatinen- computer Industrie-PC 18� Edge-Computing im Projekt EuProGigant Edge-Computing im Projekt EuProGigant� 19 Literatur [1] Plattform Industrie 4.0 Österreich, Cyber- physische Systeme. [Online]. Verfügbar unter: https://plattformindustrie40.at/ forschung-entwicklung-innovation/cyber- physische-systeme/ (Zugriff am: 1. November 2021). [2] K. Shaw, Wie funktioniert Edge Compu- ting? [Online]. Verfügbar unter: https:// www.computerwoche.de/a/was-ist-edge- computing,3550237 (Zugriff am: 6. Mai 2021). [3] Gartner, Gartner Glossary: Edge Compu- ting. [Online]. Verfügbar unter: https:// www.gartner.com/en/information- technology/glossary/edge-computing (Zugriff am: 6. Mai 2021). [4] Federal Ministry for Economic Affairs and Energy, GAIA-X Glossary: Edge Computing. [Online]. Verfügbar unter: https://www. data-infrastructure.eu/SiteGlobals/ GAIAX/Forms/Listen/Glossar/Glossar_ Formular.html?resourceId=1737836&inpu t_=1839500&pageLocale=en&titlePrefix= E#form-1737836 (Zugriff am: 6. Mai 2021). [5] S iemens, SINUMERIK: SINUMERIK 840D sl Bedienkomponenten und Vernetzung (IM5). Inbetriebnahmehandbuch. [Online]. 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[9] International Data Spaces Association, A trustworthy architecture for the data economy. IDS Infografik. [Online]. Verfügbar unter: https:// internationaldataspaces.org/wp-content/ uploads/dlm_uploads/IDSA-Infografik- English.pdf (Zugriff am: 6. Mai 2021). [10] Boris Otto und Anna Maria Schleimer, „GAIA-X and IDS: Position Paper“. [Online]. Verfügbar unter: https:// internationaldataspaces.org/wp-content/ uploads/IDSA-Position-Paper-GAIA-X- and-IDS.pdf [11] Intel Deutschland GmbH, Eine Edge-Cloud bringt Sie näher an Ihre Business-Intelli- gence heran. [Online]. Verfügbar unter: https://www.intel.de/content/www/de/ de/edge-computing/edge-cloud. html#:~:text=Eine%20 Edge%2DCloud%2DStrategie%20 positioniert,%2DCloud%2DDiensten%20 %C3%A4hnlich%20ist. (Zugriff am: 6. Mai 2021). [12] BMWi, „GAIA-X: Technical Architecture“, Juni 2020. [Online]. Verfügbar unter: https://www.bmwi.de/Redaktion/EN/ Publikationen/gaia-x-technical-architec- ture.html. Zugriff am: 4. Januar 2021. [13] Richtlinie 2006/42/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG, 2006. [Online]. Verfügbar unter: https://eur-lex.europa. eu/legal-content/DE/ ALL/?uri=CELEX:32006L0042 [14] TÜV SÜD, Maschinenrichtlinie 2006/42/EG einfach erklärt. [Online]. Verfügbar unter: https://www.tuvsud.com/de-de/indust-re/ maschinensicherheit-info/ maschinenrichtlinie (Zugriff am: 6. Mai 2021). [15] TÜV SÜD Industrie Service GmbH, Maschinen ändern: Retrofit EG-konform umsetzen. [Online]. Verfügbar unter: https://www.tuvsud.com/de-de/-/media/ de/industry-service/pdf/netinform/ maschinen-ndern---retrofit-eg-konform- umsetzen.pdf (Zugriff am: 6. Mai 2021). [16] Bundesministerium für Arbeit und Sozi- ales, „Interpretationspapier zum Thema “Wesentliche Veränderung von Maschinen”“, Gemeinsames Ministerial- blatt (GMBl), Nr. 10, S. 183–186, 2015. [Online]. Verfügbar unter: https://www. bmas.de/SharedDocs/Downloads/DE/ Arbeitsschutz/interpretationspapier- veraenderung-maschinen.pdf;jsessionid=3 EDFB891D9BA753CEF581B3DB2051142. delivery1-replication?__ blob=publicationFile&v=1 Über EuProGigant EuProGigant steht für „Europäisches Produkti- onsgiganetz zur kalamitätsmindernden Selb- storchestrierung von Wertschöpfungs- und Lern- ökosystemen“. Das binationale Projekt ist am 1. März 2021 gestartet und läuft vier Jahre. Ziel ist der Aufbau eines standortübergreifenden, digi- tal vernetzten Produktionsökosystems. Den Rahmen bilden das österreichische Programm „FTI Offensive Big Data in der Produktion“ der Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) im Auf- trag des Bundesministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Tech- nologie (BMK) sowie das deutsche Programm „Entwicklung digitaler Technologien“ des Bun- desministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). EuProGigant ist eine eingetragene EU- weite Marke in Wort und Bild von TU Wien und TU Darmstadt. https://plattformindustrie40.at/forschung-entwicklung-innovation/cyber-physische-systeme https://plattformindustrie40.at/forschung-entwicklung-innovation/cyber-physische-systeme https://plattformindustrie40.at/forschung-entwicklung-innovation/cyber-physische-systeme https://www.computerwoche.de/a/was-ist-edge-computing,3550237 https://www.computerwoche.de/a/was-ist-edge-computing,3550237 https://www.computerwoche.de/a/was-ist-edge-computing,3550237 https://www.gartner.com/en/information-technology/glossary/edge-computing https://www.gartner.com/en/information-technology/glossary/edge-computing https://www.gartner.com/en/information-technology/glossary/edge-computing https://www.data-infrastructure.eu/SiteGlobals/GAIAX/Forms/Listen/Glossar/Glossar_Formular.html?resourceId=1737836&input_=1839500&pageLocale=en&titlePrefix=E#form-1737836 https://www.data-infrastructure.eu/SiteGlobals/GAIAX/Forms/Listen/Glossar/Glossar_Formular.html?resourceId=1737836&input_=1839500&pageLocale=en&titlePrefix=E#form-1737836 https://www.data-infrastructure.eu/SiteGlobals/GAIAX/Forms/Listen/Glossar/Glossar_Formular.html?resourceId=1737836&input_=1839500&pageLocale=en&titlePrefix=E#form-1737836 https://www.data-infrastructure.eu/SiteGlobals/GAIAX/Forms/Listen/Glossar/Glossar_Formular.html?resourceId=1737836&input_=1839500&pageLocale=en&titlePrefix=E#form-1737836 https://www.data-infrastructure.eu/SiteGlobals/GAIAX/Forms/Listen/Glossar/Glossar_Formular.html?resourceId=1737836&input_=1839500&pageLocale=en&titlePrefix=E#form-1737836 https://www.data-infrastructure.eu/SiteGlobals/GAIAX/Forms/Listen/Glossar/Glossar_Formular.html?resourceId=1737836&input_=1839500&pageLocale=en&titlePrefix=E#form-1737836 https://cache.industry.siemens.com/dl/files/279/53878279/att_40779/v1/IM5_de_de-DE.pdf 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Karolinenplatz 5, 64289 Darmstadt Telefon: +49 6151 16-0 Impressum Kurzfassung Kontaktdaten Inhaltsverzeichnis Einführung Motivation Definition von Edge-Computing Vision des Edge-Computing im Projekt EuProGigant Edge-Computing im industriellen Umfeld Heutige Fabriknetzwerke und ihre Elemente Edge-Architekturen Edge-Computing im Projekt­zusammenhang Hardware zum Edge-System Bewertung der Sicherheit bei Nachrüstung von Edge-Devices (nach Maschinenrichtlinie) Über EuProGigant Literatur