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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der industriellen Automatisierung und insbesondere eine industrielle Steuerungsvorrichtung, ein System, ein Computerprogramm und entsprechende Verfahren zur Kommunikation mit Multi-Cloud-Lösungen.
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Stand der Technik
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Die sogenannte vierte industrielle Revolution, auch Industrie 4.0 genannt, gilt als Treiber der weltweiten Wirtschaft. Unternehmen versuchen in diesem Zusammenhang, ihre Produktionsprozesse durch die digitale Vernetzung von Maschinen und Daten im Rahmen des „Internet of Things“ (IoT) weiter zu verbessern.
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Um bei hoher Auslastung, sowohl im kontinuierlichen Betrieb als auch bei Spitzenlasten, ausreichend Speicherkapazitäten und Rechenleistung zur Verfügung zu haben, greifen immer mehr Industrieunternehmen auf zusätzliche externe IT-Infrastrukturen im Rahmen des sogenannten Cloud-Computings zurück. Unter Cloud-Computing versteht man allgemein eine IT-Infrastruktur, die beispielsweise über das Internet verfügbar gemacht wird und in der Regel Speicherplatz, Rechenleistung und/oder Anwendungen („Software as a Service“; SaaS) bereitstellt. Anders gesagt umschreibt Cloud-Computing den Ansatz, IT-Infrastruktur über ein Rechnernetz zur Verfügung zu stellen, ohne dass diese lokal installiert sein muss.
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Hierbei haben sich mittlerweile eine Vielzahl von Cloud-Lösungen unterschiedlicher Anbieter etabliert, welche jeweilige Dienste bzw. Anwendungen bereitstellen. Beispielsweise ermöglicht die WAGO Cloud der Anmelderin das zentrale Sammeln und Analysieren von Maschinen- und Anlagendaten sowie das Verwalten, Überwachen und Steuern von Automatisierungssystemen. Ein anderes Beispiel ist die IBM Cloud-Plattform, welche mittels ihrer KI-Lösung IBM Watson Funktionalitäten zur Wartung von Automatisierungssystemen im Rahmen der sogenannten „Predictive Maintenance“ bereitstellt. Die bestehenden Cloud-Lösungen weisen hierbei jeweils verschiedene Stärken und Schwächen für die Industrie 4.0 auf, sodass es wünschenswert ist, ein Automatisierungssystem gleichzeitig mit mehreren unterschiedlichen Cloud-Lösungen zu verbinden, um die jeweiligen Stärken zu kombinieren.
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Eine Schwierigkeit hierbei ist jedoch, dass in den derzeit gebräuchlichen industriellen Steuerungsvorrichtungen („Controllern“) typischerweise nur ein einziger Cloud-Anbieter konfigurierbar ist, sodass die Vorteile mehrerer Cloud-basierter Lösungen nicht unmittelbar nutzbar gemacht werden können.
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Anstatt den Cloud-Anbieter im Controller zu konfigurieren, ist es weiterhin bekannt, die Cloud-Anbindung durch eine dedizierte Zusatzkomponente innerhalb des Automatisierungssystems zu bewerkstelligen. Beispielsweise offenbart das europäische Patent
EP 2 924 573 B1 einen Cloud-Agenten, welcher im Feld („on-premise“) industrielle Daten vom Controller bzw. anderen Feldgeräten einsammelt und diese zum Zwecke der weiteren Analyse an eine Cloud-Plattform überträgt. Auch in diesem System ist jedoch keine Anbindung an mehrere Cloud-basierte Lösungen vorgesehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, in einem Automatisierungssystem mehrere, möglicherweise unterschiedliche, Cloud-Plattformen einfach, nahtlos und/oder robust nutzbar zu machen und somit die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zumindest zum Teil zu überwinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Dieses Problem löst die vorliegende Erfindung durch eine industrielle Steuerungsvorrichtung, ein System, ein Verfahren und ein Computerprogramm, die in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine industrielle Steuerungsvorrichtung, wie beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die nachfolgend auch allgemein als Controller bezeichnet wird. Die industrielle Steuerungsvorrichtung umfasst vorzugsweise fachübliche Mittel zum Regeln, Steuern und/oder Kommunizieren mit einem oder mehreren Feldgeräten in einer Automatisierungsanlage. Wenngleich die konkrete Ausprägung der Feldgeräte für die vorliegende Erfindung nachrangig ist, kann es sich bei diesen Feldgeräten beispielsweise um Sensoren, Messeinrichtungen, Aktoren, Schalter, Terminals, Nachrichtendisplays, Industrieroboter, Fertigungsmaschinen oder jede andere Art von industriellen Geräten handeln. Somit ist die vorliegende Erfindung zahlreichen Anwendungen in der industriellen Automatisierungstechnik zugänglich, wie beispielsweise in Fertigungsanlagen, Batch-Control-Systemen und/oder Überwachungssystemen. Der Begriff Automatisierungsanlage sei hier allgemein verstanden und umfasst neben industriellen Anlagen ebenso eingebettete Systeme wie Automobile oder sonstige Geräte.
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Die industrielle Steuerungsvorrichtung weist erste und zweite Konfigurationsinformationen zum Konfigurieren einer Kommunikationsverbindung zu einer ersten und einer zweiten Cloud-Plattform auf, bzw. Speichermittel zum Speichern der ersten und zweiten Konfigurationsinformationen. Unter einer Cloud-Plattform sei hier, wie eingangs erwähnt, eine IT-Infrastruktur verstanden, welche über ein Netzwerk, insbesondere das Internet, mit der Automatisierungsanlage und somit mit der industriellen Steuerungsvorrichtung kommuniziert und Speicherplatz, Rechenleistung und/oder Anwendungen zur Verfügung stellt. Eine Cloud-Plattform kann, muss jedoch nicht, von einem Anbieter betrieben werden, der sich vom Betreiber der Automatisierungsanlege unterscheidet.
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Im Gegensatz zu den eingangs erläuterten bekannten Controllern lässt sich die industrielle Steuerungsvorrichtung somit zur Kommunikation mit mehren Cloud-Plattformen konfigurieren, wodurch erstmals eine native Multi-Cloud-Anbindung ermöglicht wird. Die vorgeschlagene Lösung unterscheidet sich ferner dadurch von bekannten Konzepten, in welchen zusätzliche Cloud-Agenten vorgesehen sind, dass die Cloud-Anbindung direkt in der industriellen Steuerungsvorrichtung konfigurierbar ist und somit keine Zusatzkomponenten nötig sind, was die Komplexität der Infrastruktur gering hält.
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Vorzugsweise sind die Konfigurationsinformationen in der Firmware der industriellen Steuerungsvorrichtung konfiguriert bzw. gespeichert, d.h. bei den oben genannten Speichermitteln kann es sich um die Firmware der Steuerungsvorrichtung handeln. Hierdurch wird eine besonders nahtlose Multi-Cloud-Anbindung bereitgestellt, da die herkömmliche Hard- und Softwarekonfiguration der industriellen Steuerungsvorrichtung verwendet werden kann, ohne dass besondere Anforderungen und Ausstattungsmerkmale der Steuervorrichtung nötig wären.
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Die Anmelderin hat erkannt, dass sich durch die Firmware-Implementierung eine besonders vorteilhafte Trennung von Konfiguration und Applikation ergibt, analog zu anderen, dem Kunden bekannten Mechanismen. Beispielsweise kann eine VPN-Verbindung konfiguriert und später nur noch verwendet werden. Dieses Prinzip wird gemäß dieses Erfindungsaspekts auch bei der Cloud-Connectivity ermöglicht. Des Weiteren ergibt die Implementierung in der Firmware auch Performancevorteile gegenüber einer reinen applikativen Lösung. Auch bei der Fehleranalyse kann durch die Implementierung in der Firmware vergleichsweise schnell herausgefunden werden, wo bei Verbindungsproblemen der Fehler liegt. Es wird für die reine Verbindung keine Applikation benötigt. Tritt also ein Fehler auf, ist schnell klar, dass es mit der Konfiguration zu tun hat. Wird dann später die Applikation auf die Steuerungsvorrichtung gespielt und es tritt ein Fehler auf, ist klar, dass der Fehler hier liegt.
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Herkömmlich bekannt ist, die Konfiguration und/oder das Caching nicht in der Controller-Firmware, sondern in der Applikation erfolgen zu lassen. Entsprechend größer und komplexer ist dann jedoch die Applikation. Die Applikation muss das Handling bei Verbindungsstörungen übernehmen, Daten cachen und/oder dafür sorgen, dass die richtigen Daten zum richtigen Broker gepublisht werden. Außerdem wird wie oben bereits beschrieben, die Fehleranalyse schwieriger. Die gesamte Applikation würde deutlich komplexer.
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Für die Firmware-Implementierung, insbesondere die Zuordnung der Daten zu dem jeweiligen Broker kann die Bibliothek erweitert und/oder das Caching und/oder das Verbindungshandling angepasst werden. Dennoch kann eine Abwärtskompatibilität gewährleisten sein. Macht ein Kunde z.B. ein Downgrade von einer Zwei-Broker-Konfiguration auf einen alten Stand, der nur eine Konfiguration unterstützt, wird dies mit beibehalten der ersten Verbindung und Wegfall der zweiten Verbindung einfach möglich. Nutzen Kunden eine Möglichkeit mit nur einem Broker, stellt sich das nicht anders dar als zuvor, es bedingt also keine oder nur wenige Änderungen beim Programmieren.
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Die industrielle Steuerungsvorrichtung umfasst Mittel zum Übertragen von Prozessdaten der Automatisierungsanlage an die erste und die zweite Cloud-Plattform vorgesehen. Bei den Prozessdaten kann es sich um jede Art von Daten handeln, die beim Betrieb der Automatisierungsanlage anfallen und von den Feldgeräten und anderen Komponenten der Automatisierungsanlage erzeugt werden.
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In einem Aspekt kann die industrielle Steuerungsvorrichtung konfiguriert sein, dieselben Prozessdaten an die erste und die zweite Cloud-Plattform zu übertragen. Ein solches (ggf. gleichzeitiges) Senden von Daten an mehrere Cloud-Plattformen sorgt für Redundanz und erhöht dadurch die Ausfallsicherheit.
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In einem anderen Aspekt kann die industrielle Steuerungsvorrichtung konfiguriert sein, unterschiedliche Prozessdaten an die erste und die zweite Cloud-Plattform zu übertragen. Eine entsprechende Verteilung von Daten auf mehrere Cloud-Plattformen kann vorteilhafterweise der Lastverteilung dienen. Auch ist es denkbar, die Verteilung der Daten nach gewissen Kriterien (z.B. Bearbeitungsgeschwindigkeit, Genauigkeit und/oder regionale Auswahlkriterien der Cloud-Lösungen) vorzunehmen, wodurch für die jeweils angestrebte Datenverarbeitung die am besten geeignetste Cloud-Lösung gewählt werden kann.
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Beide Aspekte lassen sich ferner kombinieren, d.h. einige der Prozessdaten können redundant und andere Prozessdaten können selektiv verteilt werden.
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Die industrielle Steuerungsvorrichtung kann ferner einen Datenverteiler aufweisen, der zum Übertragen der Prozessdaten (oder Teilen davon) an ein ERP-System, SCADA-System und/oder ein Visualisierungssystem eingerichtet ist, was eine weiterführende Nutzung der Daten erlaubt.
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Die oben erläuterte industrielle Steuerungsvorrichtung kann auch in einem System zusammen mit einem Gateway vorgesehen werden. Das Gateway kann konfiguriert sein, die industrielle Steuerungsvorrichtung mit der ersten und der zweiten Cloud-Plattform zu verbinden. Ein technischer Vorteil eines solchen Gateways liegt in der Trennung der Feldebene von der IT-Ebene, was die Sicherheit erhöht. Wichtig ist hierbei die Trennung der Netze durch das Gateway. Ohne eine saubere Trennung könnten potentielle Angreifer einfacher in kritische Strukturen eindringen. Ferner kann ein separates Gateway Security-seitig aktualisiert werden, ohne die Automatisierungstechnik-Seite zu beeinflussen. Anders formuliert, kann die Maschine des Kunden weiterlaufen, während beim Gateway ein Security-Patch eingespielt wird. Wäre die Funktion auf einem Gerät vorhanden, könnte ein Securtity Update den Stillstand der Maschine bedingen.
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Auch ist es denkbar, dass über eine Kommunikationsverbindung zwischen der ersten Cloud-Plattform und der zweiten Cloud-Plattform Informationen zwischen den Cloud-Plattformen ausgetauscht werden können. Somit können Ergebnisse z.B. in einer Cloud-Plattform zusammengefasst dargestellt werden.
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Die Vorteile dieses Aspekts hängen vom jeweiligen Anwendungsfall ab. In der Regel haben cloudbasierte Lösungen in gewissen Bereichen Stärken und in anderen Bereichen Schwächen. Beispielsweise kann eine erste Cloud-Lösung A ein umfangreiches Dashboard anbieten, d.h. also Visualisierungsmöglichkeiten der Daten vom Controller, womit der Kunde z.B. Energieverbräuche zweier Anlagen mittels Trends visualisieren und/oder vergleichen kann. Eine zweite Cloud Lösung B kann Analytics unterstützen, d.h. spezielle Algorithmen zur Datenanalyse, um z.B. vorhersagen zu können, wann eine Maschine gewartet werden muss. In einem solchen Fall sieht der oben genannte Erfindungsaspekt vor, alle (relevanten) Information, d.h. das Dashboard und/oder die Vorhersage, wann die Maschine gewartet werden muss, in einer Anzeige zu vereinen. Entsprechend benötigt Cloud-Lösung A für die Anzeige der Trends Daten vom Controller, und ebenso benötigt Cloud Lösung B für die Analytics Daten vom Controller. Um diese in einem Dashboard anzeigen zu können, können die Cloud-Lösungen A und B Daten austauschen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verbinden einer wie oben beschriebenen industriellen Steuerungsvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Cloud-Plattform. Das Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen: Konfigurieren einer Kommunikationsverbindung zwischen der industriellen Steuerungsvorrichtung und der ersten Cloud-Plattform, und Konfigurieren einer Kommunikationsverbindung zwischen der industriellen Steuerungsvorrichtung und der zweiten Cloud-Plattform. Ferner kann das Verfahren Schritte umfassen, welche sämtlichen weiter oben im Zusammenhang mit der industriellen Steuerungsvorrichtung und dem System beschriebenen Funktionalitäten entsprechen.
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Zuletzt wird ein Computerprogramm bereitgestellt. Das Computerprogramm umfasst Instruktionen zum Implementieren des obigen Verfahrens, wobei das Programm vorzugsweise in einer Firmware der industriellen Steuerungsvorrichtung implementiert ist.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert:
- 1: Schematische Darstellung eines Multi-Cloud-fähigen industriellen Automatisierungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2: Schematische Darstellung eines Multi-Cloud-fähigen industriellen Automatisierungssystems mit Gateway gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3: Schematische Darstellung eines Multi-Cloud-fähigen industriellen Automatisierungssystems mit direkter Cloud-Kommunikation gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4: Schematische Darstellung eines Multi-Cloud-fähigen industriellen Automatisierungssystems mit Datenverteiler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines industriellen Automatisierungssystems gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Eine industrielle Steuerungsvorrichtung 20 (nachfolgend auch als Controller bezeichnet) kommuniziert wie dargestellt mit einem oder mehreren Feldgeräten 10. Die Kommunikation kann beispielsweise über ein Feldbusprotokoll und/oder ETHERNET erfolgen. Ferner weist der Controller 20 zwei Kommunikationsverbindungen 40a und 40b zu jeweiligen Cloud-Plattformen 30a und 30b auf. Die Kommunikationsverbindungen 40a und 40b können dasselbe oder unterschiedliche Protokolle unterstützen. Zumindest eine der Verbindungen kann auf dem Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)-Protokoll basieren.
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Es versteht sich, dass die Kommunikationsverbindungen 40a und 40b logische Kommunikationsverbindungen sein können, die über dieselbe Netzwerkverbindung (z.B. das Internet) aufgebaut werden können. Alternativ ist es möglich, dass eine Cloud-Plattform (z.B. die Cloud-Plattform 40a) über ein entferntes Netzwerk (z.B. das Internet) angeschlossen ist, während die andere Cloud-Plattform (z.B. die Cloud-Plattform 40b) über ein LAN, WAN oder ähnliches verbunden ist. Selbstverständlich ist die in 1 gezeigte Konfiguration stark vereinfacht und die vorliegende Erfindung kann in Ausführungsformen noch weitere Cloud-Plattformen neben den dargestellten beispielhaften Cloud-Plattformen 30a und 30b umfassen.
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Eine Schwierigkeit derzeitiger Industrie 4.0-Anwendungen und allgemein bei der Anbindung der Feldebene an die Cloud ist, dass unterschiedliche Cloud-Lösungen bzw. Cloud-Anbieter (mit ihren Diensten) unterschiedliche Stärken aufweisen, diese jedoch nicht innerhalb einer Plattform zur Verfügung stehen. Die in 1 dargestellte Konfiguration löst dies dadurch, dass der Controller 20 Konfigurationsinformationen zum Konfigurieren jeweiliger Kommunikationsverbindungen zu der ersten Cloud-Plattform 30a und der zweiten Cloud-Plattform 30b aufweist. Hierdurch kann der Controller 20 für mehrere Cloud-Plattformen (welche auch IoT-Plattformen und/oder MQTT-Broker umfassen können) parametriert werden. Die Konfigurationsinformationen und damit die Parametrierung des Controllers 20 kann direkt in der Firmware des Controllers 20 erfolgen.
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Der Controller 20 erlaubt es somit erstmals, die Vorteile mehrerer bzw. sogar unterschiedlicher Cloud-Lösungen auf einer Steuerung zu nutzen, wodurch sich zahlreiche technisch vorteilhafte Nutzungsszenarien ergeben:
- - Gleichzeitiges Senden von Daten an mehrere (gleichartige oder unterschiedliche) Cloud-Lösungen, um die Redundanz, Ausfallsicherheit und/oder Fehlererkennung zu erhöhen. In diesem Szenario kann die Verbindung zu einer Cloud-Lösung abbrechen, ohne dass Daten verloren gehen oder der Systembetrieb beeinträchtigt wird. Sofern auf beiden Cloud-Plattformen die gleiche Anwendung läuft (z.B. eine Anwendung „Steuerung aus der Cloud“), wird die Ausfallsicherheit des gesamten Automatisierungssystems drastisch erhöht.
- - Verteilung der Daten auf mehrere (gleichartige oder unterschiedliche) Cloud-Lösungen zur Lastverteilung.
- - Zuteilung der Daten nach Kriterien (z.B. Bearbeitungsgeschwindigkeit, Genauigkeit, regionale Auswahlkriterien der Cloud-Lösungen) auf die jeweils für die Datenverarbeitung am besten geeignete Cloud-Lösung.
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2 zeigt ein dem System nach 1 weitgehend ähnliches System, jedoch mit einem zusätzlichen Gateway 50. Wie dargestellt erfolgt hier die Kommunikation zwischen dem Controller 20 und den Cloud-Plattformen 30a und 30b nicht direkt, sondern über das Gateway 50. Das optionale Gateway 50 dient somit der Trennung zwischen Feld- und IT-Ebene und erhöht durch diese Kapselung die Sicherheit.
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3 zeigt, dass auch mehrere Controller 20 (und zugehörige Feldgeräte 10) mit oder ohne Gateway 50 mit den Cloud-Plattformen 30a und 30b in Verbindung stehen können. Ferner ist in 3 eine direkte Kommunikationsverbindung 60 zwischen den Cloud-Plattformen 30a und 30b vorgesehen. Beide Aspekte sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel kombiniert, es versteht sich jedoch, dass diese Aspekte auch unabhängig voneinander vorgesehen werden können. Mittels der zusätzlichen Kommunikationsverbindung 60 zwischen den Cloud-Lösungen 30a und 30b können beispielsweise Ergebnisse in einer Lösung zusammengefasst werden.
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4 zeigt einen zusätzlichen Datenverteiler 70, mit dem die Daten an andere Komponenten des Automatisierungssystems übertragen werden können, beispielsweise ein ERP-System, ein SCADA-System und/oder ein Visualisierungssystem. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Datenverteiler 70 als eigenständige Komponente realisiert, kann alternativ aber auch im Controller 20 und/oder im Gateway 50 vorgesehen werden.
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Ein technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der gleichzeitigen Parametrisierung mehrerer, möglicherweise unterschiedlicher, Cloud-Lösungen im Umfeld von Automatisierungsanlagen innerhalb eines Controllers, vorzugsweise innerhalb der Controller-Firmware. Hierdurch können die Stärken verschiedener Cloud-Plattformen vorteilhaft kombiniert werden. In einem Anwendungsbeispiel kann etwa innerhalb einer Automatisierungslösung das Devicemanagement mittels WAGO Cloud erfolgen (ggf. inkl. Firmwareupdate für den/die Controller) und für die Datenanalyse die Predictive Maintenance von IBM Watson genutzt werden, wobei die Analyseergebnisse aus der Cloud an den Controller zurückgeschickt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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