Grundlegende Konzepte

In diesem Kapitel werden die grundlegenden Konzepte erläutert, die zum Verständnis und zur Implementierung der Architekturempfehlungen für den OPC Router erforderlich sind. Es bietet eine Einführung in die Schlüsselthemen, die im weiteren Verlauf des Handbuchs detailliert behandelt werden.

Der OPC Router als zentrale Plattform

Der OPC Router ist eine zentrale Plattform, die die Kommunikation zwischen verschiedenen industriellen Systemen und Geräten ermöglicht. Durch seine Fähigkeit, Daten nahtlos zu übertragen und zu verarbeiten, spielt er eine entscheidende Rolle in der modernen Industrie 4.0 Landschaft. Die Plattform unterstützt viele verschiedene Protokolle und Standards, was eine hohe Flexibilität und Interoperabilität gewährleistet.

Schlüsselfunktionen des OPC Routers

• Protokollunterstützung: Unterstützung für OPC UA, MQTT, REST, Datenbanken, SAP und viele weitere Protokolle.
• Datenintegration: Integration von Daten aus verschiedenen Quellen wie SPS, Datenbanken, IoT-Geräten und Cloud-Diensten.
• Visualisierung und Überwachung: Echtzeitüberwachung und Visualisierung von Datenströmen und Verbindungen.
• Automatisierung: Automatisierung von Prozessen durch Regel- und Ereignisbasierte Workflows.

Grundlagen der Skalierbarkeit: Vertikal und Horizontal

Beim Betrieb des OPC Routers spielen sowohl die vertikale als auch die horizontale Skalierung eine entscheidende Rolle, um den Anforderungen verschiedener Unternehmensgrößen gerecht zu werden. Hier ist eine detailliertere Betrachtung beider Skalierungsansätze im spezifischen Kontext des OPC Router-Betriebs.

Vertikale Skalierung

Definition: Vertikale Skalierung (Scale-Up) bezieht sich auf die Erhöhung der Kapazität eines einzelnen Servers oder einer Instanz, indem mehr Ressourcen wie CPU-Kapazität, RAM oder Speicher hinzugefügt werden.

Anwendungsfälle: Vertikale Skalierung ist besonders geeignet für kleinere Installationen oder Szenarien, in denen eine höhere Leistung pro Instanz erforderlich ist. Dies könnte der Fall sein, wenn ein einzelner OPC Router viele Datenpunkte verarbeitet oder komplexe Datenverarbeitungsaufgaben übernimmt.

Vorteile der Vertikale Skalierung

• Einfache Implementierung: Erfordert keine Änderungen an der bestehenden Anwendungsarchitektur.
• Geringe Komplexität: Da nur eine Instanz verwaltet werden muss, ist die Verwaltung und Konfiguration einfacher.
• Sofortige Leistungssteigerung: Durch Hinzufügen von Ressourcen kann die Leistung sofort verbessert werden.

Herausforderungen bei der Vertikale Skalierung

• Begrenzte Skalierbarkeit: Die Kapazität eines einzelnen Servers hat physische Grenzen.
• Single Point of Failure: Wenn die eine Instanz ausfällt, führt das zu Ausfallzeiten.

Beispiel: Ein mittelständisches Unternehmen betreibt eine Produktionshalle mit einem OPC Router, der Daten von allen Maschinen erfasst. Durch Hinzufügen von mehr RAM und CPU-Kapazität kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit und die Datenmenge, die verarbeitet werden kann, erhöht werden, ohne dass eine zusätzliche Instanz erforderlich ist.

Horizontale Skalierung

Definition

Horizontale Skalierung (Scale-Out) bedeutet, dass zusätzliche Server oder Instanzen hinzugefügt werden, um die Last zu verteilen und die Kapazität zu erhöhen.

Anwendungsfälle

Anwendungsfälle: Ideal für größere Installationen oder Szenarien, in denen eine hohe Verfügbarkeit und Lastverteilung erforderlich sind. Horizontale Skalierung ist besonders nützlich in großen Produktionsumgebungen oder bei verteilten Standorten.

Vorteile der Horizontale Skalierung

• Nahezu unbegrenzte Skalierbarkeit: Durch das Hinzufügen weiterer Instanzen kann die Kapazität nahezu unbegrenzt erweitert werden.
• Verbesserte Fehlertoleranz: Durch Redundanz können einzelne Instanzen ausfallen, ohne dass das Gesamtsystem beeinträchtigt wird. Dadurch werden Ausfallzeiten minimiert.
• Flexibilität: Neue Instanzen können einfach hinzugefügt oder entfernt werden, um auf wechselnde Anforderungen zu reagieren.

Herausforderungen bei der Horizontalen Skalierung

• Erhöhter Verwaltungsaufwand: Mehrere Instanzen müssen verwaltet und überwacht werden.

Beispiel: Ein großes Unternehmen betreibt mehrere Produktionshallen und Standorte. Durch die Einrichtung mehrerer OPC Router-Instanzen für jede Produktionshalle oder jeden Standort kann die Datenverarbeitung lokal durchgeführt werden, wodurch die Last verteilt und die Systemausfallsicherheit erhöht wird. Bei Bedarf können weitere Instanzen hinzugefügt werden, um die Kapazität zu erweitern.

Praktische Umsetzung

Vertikale Skalierung

1. Ressourcenanalyse: Bestimmen Sie die aktuellen Ressourcenanforderungen und identifizieren Sie Engpässe.
2. Aufrüstung: Fügen Sie zusätzliche CPU-Kapazität, RAM oder Speicher für die bestehenden OPC Router-Instanz hinzu.
3. Monitoring: Überwachen Sie die Leistung nach der Aufrüstung, um sicherzustellen, dass die erwarteten Verbesserungen erreicht werden.

Horizontale Skalierung

1. Bedarfsanalyse: Analysieren Sie die Last und identifizieren Sie Bereiche, die von zusätzlichen Instanzen profitieren würden.
2. Instanzbereitstellung: Setzen Sie zusätzliche OPC Router-Instanzen auf, konfigurieren Sie diese und verbinden Sie sie mit dem bestehenden Netzwerk.
3. Lastverteilung: Exportieren Sie aus der bestehenden OPC Router-Instanz die Projekt-Bestandteile, die auf die zusätzlichen Instanzen übertragen werden sollen.
4. Inbetriebnahme: Importieren Sie die exportierten Projekt-Bestandteile in die neuen Instanzen, deaktivieren Sie die Verbindungen in der ursprünglichen Instanz. Schalten Sie die neuen Instanzen produktiv und verifizieren Sie, ob die neuen Instanzen erfolgreich integriert wurde.
5. Monitoring und Wartung: Überwachen Sie die Leistung aller Instanzen und führen Sie regelmäßige Wartungsarbeiten durch.

Hier wird von mehreren Instanzen gesprochen. Es kann aber natürlich auch eine einzelne Instanz nach diesen Schritten hinzugefügt werden, um horizontal zu skalieren.

Separation of Concerns im OPC Router

Definition und Bedeutung von SoC

Separation of Concerns (SoC) ist ein Architekturprinzip, das darauf abzielt, verschiedene Verantwortlichkeiten und Aufgabenbereiche innerhalb eines Systems klar voneinander zu trennen. Dies führt zu einer klareren Struktur und einem effizienteren Betrieb der Systeme.

Im Kontext des OPC Routers bedeutet dies, dass die verschiedenen "Concerns" oder Verantwortlichkeiten innerhalb einer OPC Router Instanz identifiziert, zusammengefasst und dann auf mehrere Instanzen aufgeteilt werden, sodass keine Abhängigkeiten bestehen. Dies erleichtert Erweiterungen und Skalierung erheblich.

Anwendung von SoC im OPC Router

Modularisierung der "Concerns"

• Einzelne Instanzen für verschiedene Verantwortlichkeiten: In einer OPC Router-Architektur sollten verschiedene Verantwortlichkeiten, wie die Anbindung unterschiedlicher Produktionsbereiche oder -anlagen, in separaten Instanzen zusammengefasst werden. Dies bedeutet, dass jede Instanz des OPC Routers für eine bestimmte Aufgabe oder einen bestimmten Bereich zuständig ist.
• Beispiel: Eine Instanz könnte für die Kommunikation mit den Maschinen in Halle A zuständig sein, während eine andere Instanz die Daten aus Halle B verarbeitet.

Vorteile der Trennung der "Concerns"

• Einfachere Erweiterungen: Bei der Einführung einer neuen Anlage, Halle oder eines Standorts kann einfach eine weitere OPC Router Instanz mit der gleichen oder ähnlichen Konfiguration hinzugefügt werden. Dies reduziert den Aufwand und die Komplexität bei der Erweiterung des Systems.
• Skalierbarkeit: Durch die klare Trennung der Verantwortlichkeiten können die einzelnen Instanzen unabhängig voneinander skaliert werden. Bei steigenden Anforderungen in einem Bereich kann die entsprechende Instanz gezielt erweitert werden. Dies kann durch das Hinzufügen von mehr Hardware-Ressourcen für die Instanz geschehen. Alternativ kann eine horizontale Skalierung durchgeführt werden, indem zusätzliche Instanzen hinzugefügt werden.
• Unabhängige Updates: Sicherheits-, Software- und Konfigurationsupdates lassen sich einfacher und gezielter ausführen. Da die Instanzen voneinander getrennt sind, können Updates durchgeführt werden, ohne dass mehrere Produktionsabteilungen oder Prozesse gleichzeitig beeinträchtigt werden.
• Fehlerisolierung: Probleme in einer Instanz (z.B. Hardwarefehler oder Softwareabstürze) beeinflussen nicht die anderen Instanzen. Dies erhöht die Gesamtstabilität und Zuverlässigkeit des Systems.

Praktische Umsetzung

Einrichtung separater Instanzen

• Planung: Beginnen Sie mit der Planung, welche Bereiche oder Aufgaben getrennt werden sollen. Identifizieren Sie die Hauptverantwortlichkeiten und verteilen Sie diese auf separate Instanzen.
• Implementierung: Setzen Sie die Instanzen des OPC Routers entsprechend der geplanten Aufteilung auf. Stellen Sie sicher, dass jede Instanz die notwendigen Verbindungen und Konfigurationen hat, um ihre spezifischen Aufgaben zu erfüllen.
• Wartung und Monitoring: Überwachen Sie die Instanzen regelmäßig und führen Sie notwendige Wartungsarbeiten durch. Nutzen Sie die Trennung der Instanzen, um gezielte Updates und Verbesserungen vorzunehmen.

Beispiel einer Architektur

• Instanz 1: Zuständig für die Maschinensteuerung und Datenerfassung in Halle A.
• Instanz 2: Zuständig für die Qualitätskontrolle und Lagerverwaltung in Halle B.
• Instanz 3: Zuständig für die Energieüberwachung und Umweltkontrollen im gesamten Werk.

Zusammenfassung

Das Verständnis der grundlegenden Konzepte der vertikalen und horizontalen Skalierung sowie des Prinzips der Separation of Concerns ist entscheidend für die erfolgreiche Implementierung und Nutzung des OPC Routers in verschiedenen Unternehmensgrößen. Während die vertikale Skalierung eine einfache Lösung für kleinere Anwendungsfälle bietet, ermöglicht die horizontale Skalierung nahezu unbegrenzte Erweiterungsmöglichkeiten und eine höhere Ausfallsicherheit. Separation of Concerns trägt dazu bei, die Komplexität zu reduzieren und die Effizienz des Systems zu steigern. In den folgenden Kapiteln werden diese Konzepte weiter vertieft und praktische Anwendungsbeispiele vorgestellt.