Industrie-4.0-Dienste in der Cloud Microsoft Azure Industrial IoT: So gelingt der Einstieg

Azure Industrial IoT ist eine umfassende Lösung von Microsoft, die speziell für Industrieunternehmen entwickelt wurde. Mit dieser Plattform können Unternehmen Prozesse überwachen, verwalten und optimieren. Wir zeigen, wie man damit startet.

Grundlegend gesprochen, stellt Azure Industrial IoT zunächst einmal notwendige Ressourcen in der Cloud zur Verfügung und kompatible Sensoren verbinden sich über spezielle Edge-Geräte und Gateways mit der Cloud. Geräte im lokalen Rechenzentrum bereiten die gesammelten Daten so vor, dass die Dienste in Azure diese einbinden, analysieren und nutzen können.

Auf diese Weise können Unternehmen ihre Effizienz und Produktivität steigern. Doch wo und wie beginnt man damit? Das erklären wir in diesem Beitrag.

Einstieg in die Möglichkeiten von Azure Industrial IoT

Azure Industrial IoT kann durch verschiedene Sensoren und Dienste die Daten von Geräten und Maschinen in Echtzeit sammeln und analysieren. Diese Informationen kann man anschließend nutzen, um die Leistung von Anlagen und Maschinen zu verbessern, die Wartung zu optimieren und ungeplante Ausfallzeiten zu minimieren. Komplette Industrieanlagen tauschen so also Informationen mit der Cloud aus.

Durch diese Cloud-basierte Architektur von Azure Industrial IoT können Unternehmen von überall auf der Welt auf ihre Daten zugreifen und diese in Echtzeit auswerten. Auch bietet die Plattform eine Vielzahl von Tools und API. Sie erleichtern es Entwicklerinnen und Entwicklern, maßgeschneiderte Anwendungen und Dienste zu entwerfen, die auf die spezifischen Anforderungen eines Unternehmens zugeschnitten sind. Hinzu kommen zahlreiche Geräte, die sich anbinden lassen, da Azure Industrial IoT die gängigen Standards für die Kommunikation nutzt.

Die Architektur für die Anbindung von Industriesystemen und Geräten

Die wichtigsten Komponenten von Azure Industrial IoT sind

• die Edge-Module,

• Azure IoT Hub,

• Azure Stream Analytics und

• Azure Time Series Insights.

Hinzu kommen weitere Azure-Dienste, wie der Event Hub und Azure Storage, um die jeweiligen Ereignisse zu sammeln und zu speichern. Das Gute dabei ist, dass über vorkonfigurierte Skripte die Bereitstellung problemlos automatisiert werden kann.

Die Edge-Module sind Softwareanwendungen, die auf der Edge-Computing-Hardware ausgeführt werden und Daten von Sensoren und Geräten in der Produktion erfassen. Die Module ermöglichen die Vorverarbeitung von Daten und die Ausführung von Anwendungen auf der Edge, um die Latenz zu reduzieren und die Bandbreitennutzung zu optimieren. Im nächsten Teil gehen wir auf die Geräte und deren Anbindung an Azure Industrial IoT genauer ein.

Azure IoT Hub ist der zentrale Vermittlungsdienst in der Azure Industrial IoT Architektur. Der Hub ermöglicht die bidirektionale Kommunikation zwischen Edge-Geräten und Cloud-Diensten in Azure. Zu diesem Zweck unterstützt der Azure Hub verschiedene Protokolle, einschließlich HTTP, MQTT und AMQP. Daher ist es wichtig, dass die Edge-Geräte, die mit Azure IoT Hub kommunizieren, diese Protokolle beherrschen.

Azure Stream Analytics ist ein Cloud-Dienst, der Streaming-Daten in Echtzeit verarbeiten kann. Der Dienst ermöglicht die Verarbeitung von Daten, die von Edge-Modulen gesammelt wurden, und die Generierung von Alarmen und Benachrichtigungen auf der Grundlage von Echtzeitdaten.

Bei Azure Time Series Insights handelt es sich um ein Analyse-Tool, das es Benutzern und Benutzerinnen ermöglicht, große Mengen von Zeitreihendaten zu visualisieren und zu analysieren. Dieser Dienst unterstützt zum Beispiel die Exploration von historischen Daten und die Identifizierung von Mustern und Trends, die zur Optimierung von Produktionsprozessen genutzt werden können.

Neben diesen Diensten spielen noch zahlreiche weitere Ressourcen in Azure eine Rolle. Diese lassen sich entweder manuell integrieren oder über Skripte erstellen. Die Vorgehensweise dazu beschreiben wir im nächsten Teil dieser Beitragsreihe.

Zustandsüberwachung und Predictive Maintenance in Azure Industrial IoT

Zustandsüberwachung und Predictive Maintenance sind wichtige Anwendungen von Azure Industrial IoT. Durch die Überwachung von Gerätezuständen können Anomalien und Ausfälle frühzeitig erkannt werden, bevor sie zu Produktionsunterbrechungen führen. Predictive Maintenance ermöglicht es Unternehmen, Wartungsarbeiten gezielt durchzuführen und die Betriebszeit der Geräte zu maximieren. Dazu kommen die verschiedenen Sensoren zum Einsatz, die ihre Daten über Edge-Geräte zum Azure IoT Hub senden.

Die Implementierung von Zustandsüberwachung und Predictive Maintenance über Azure Industrial IoT beginnt daher mit der Installation von Sensoren an den Geräten. Diese Sensoren erfassen kontinuierlich Daten, die über Edge-Module an Azure IoT Hub gesendet werden. Hier werden sie von Azure Stream Analytics verarbeitet, um Muster und Abweichungen zu erkennen.

Die Analyse der Daten erfolgt mit Machine-Learning-Algorithmen, die zum Beispiel auf Azure Machine Learning oder Azure Databricks ausgeführt werden können. Diese Algorithmen sind in der Lage, Muster in den Daten zu erkennen und Vorhersagen darüber zu treffen, wann ein Gerät ausfallen könnte. Durch die Analyse historischer Daten kann auch ein Baseline-Zustand für jedes Gerät erstellt werden, was dazu beitragen kann, Anomalien frühzeitig zu erkennen. Sobald das System eine solche Unregelmäßigkeit feststellt, kann Azure IoT Hub eine Warnung an das zuständige Personal senden oder eine Wartungsanforderung an das Wartungssystem des Unternehmens übermitteln. Dadurch kann eine schnelle Reaktion erfolgen, bevor das Gerät ausfällt.

Durch die Kombination von Zustandsüberwachung und Predictive Maintenance können Unternehmen ihre Wartungskosten reduzieren, indem sie Wartungsarbeiten gezielt durchführen und unnötige Aktionen vermeiden. Gleichzeitig können sie die Betriebszeit ihrer Geräte maximieren, indem sie Ausfälle vermeiden und die Verfügbarkeit verbessern. Dazu spielen verschiedene Standards eine Rolle, welche die verschiedenen Geräte unterstützen sollten.

OPC Twin, OPC Vault und OPC Publisher verstehen und Vorteile nutzen

OPC Twin, OPC Vault und OPC Publisher sind Komponenten von Azure Industrial IoT für die Verbindung und Integration von OPC-UA-Systemen (Open Platform Communications Unified Architecture). Dabei handelt es sich um einen Standard für die Übertragung von Daten in industriellen Umgebungen. Die Systeme kommen häufig in der Automatisierungstechnik, der Fertigungsindustrie und anderen industriellen Anwendungen zum Einsatz. Hier lassen sich verschiedene Transportprotokolle nutzen, zum Beispiel TCP/IP, HTTPS und MQTT.

OPC Twin ist eine Cloud-basierte Lösung in Azure Industrial IoT, die eine bidirektionale Verbindung zwischen OPC-UA-Systemen und der Cloud herstellt. Die Lösung ermöglicht die sichere Übertragung von Daten zwischen OPC-UA-Systemen und Azure IoT Hub, um Daten in Echtzeit zu sammeln, zu überwachen und zu analysieren. OPC Twin bietet eine schnelle und zuverlässige Übertragung von Daten sowie eine robuste Fehlertoleranz und eine flexible Konfiguration.

Bei OPC Vault handelt es sich um eine Lösung für die Verwaltung von OPC-UA-Identitäten und -Zertifikaten zur Kommunikation zwischen OPC-UA-Systemen und Azure IoT Hub. Der Dienst bietet eine einfache Möglichkeit zur Erstellung und Verwaltung von Zertifikaten sowie eine umfassende Überwachung der Identitäts- und Zertifikatsverwendung. Der Dienst arbeitet dazu mit Azure Key Vault zusammen, um die Zertifikate und Schlüssel der Umgebung zentral zu verwalten.

Parallel dazu hilft OPC Publisher den Usern dabei, Daten von OPC-UA-Systemen auf Azure IoT Hub zu veröffentlichen. Der Standard ermöglicht die Konfiguration von OPC-UA-Servern, die automatisch Daten an Azure IoT Hub senden, sowie die Filterung von Informationen, um nur die relevanten Daten zu übertragen. OPC Publisher bietet auch eine integrierte Telemetrieüberwachung und -analyse sowie eine einfache Skalierung von Datenströmen. Vor allem die an Azure IoT Hub angebundenen Geräte müssen diese Standards beherrschen.

Die richtigen Geräte für die Digitalisierung von Industrieanlagen nutzen

Damit eine Industrieanlage mit ihren vielfältigen Geräten an Azure Industrial IoT angebunden werden kann, sind natürlich technische Erweiterungen notwendig. Wichtig ist zunächst, dass die eingesetzten Geräte die gängigen Protokolle unterstützen, vor allem OPC UA für die Kommunikation mit Azure IoT Hub. Im Azure Certified Device Catalog sind verschiedene Geräte zu finden, die sich mit Azure IoT Hub koppeln lassen.

Beispiele für solche Geräte sind die Plug and Play-Boxen von Cloud Rail. Diese können bis zu 12.000 Sensoren koppeln, die Daten von verschiedenen Stellen in Produktionsanlagen sammeln. Die Box verarbeitet die Daten vor und sendet diese anschließend über verschiedene Wege zu Azure IoT Hub. Hier übernehmen die verschiedenen Dienste die Daten und können diese weiter analysieren. Kommt parallel noch Azure Machine Learning zum Einsatz, können KI-Lösungen die Daten analysieren. Dadurch erkennt das System Ausfälle lange bevor sie tatsächlich geschehen, und kann eine Wartung automatisiert veranlassen.

Damit die Daten in die Cloud gelangen, sind natürlich Gateways notwendig. Diese müssen per Kabel, WLAN oder Mobilfunk, wie LTE oder 5G, eine Kommunikation zwischen dem Netzwerk und der Cloud herstellen können. Die Geräte müssen außerdem für den Einsatz mit Azure Industrial IoT zertifiziert sein, oder zumindest die Protokolle beherrschen, die dafür notwendig sind. Geeignete Geräte übernehmen diese Kommunikation und verbinden ganze Industrieanlagen mit den intelligenten Möglichkeiten der Cloud.

Edge Computing, 5G und IoT

Wenn ehemals fremde Welten aufeinandertreffen

Fertige Analyse-Lösungen im Azure Industrial IoT anbinden

An Azure Industrial IoT lassen sich aber auch fertige IoT-Lösungen anbinden, die sich dann wiederum mit den anderen Funktionen in Azure sowie mit anderen Geräten und Sensoren in der IoT-Infrastruktur koppeln lassen. Ein Beispiel dafür ist die Temperaturüberwachung von Sodexo. Die Lösung umfasst Hardware, notwendige Software und Tools zur Überwachung von Kühlräumen oder anderen Bereichen. Die dazu notwendigen Sensoren sind ebenfalls Bestandteil des Pakets.

Die Komponenten werden in eine Umgebung mit Azure Industrial IoT integriert und enthalten eine automatisierte Überwachung der Temperatur sowie Benachrichtigungen für die verantwortlichen Personen. Azure Industrial IoT stellt dazu die notwendigen Strukturen bereit.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Industry of Things.

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