Eckdaten

Die Embedded-Systemplattform HeiSys vereint die von Heitec über Jahre gewonnenen Erkenntnisse, greift zukünftige Trends auf und nutzt die Vorteile etablierter Plug-on-Module. Durch die Auswahl auf standardisierten Schnittstellen basierender und dadurch herstellerunabhängiger Module kann ihre Rechenleistung skaliert sowie multidimensionale Modularität in punkto Kommunikation und I/O-Schnittstellen erreicht werden.

Die offene Architektur der Embedded-Systemplattform HeiSys eröffnet vielfältige Lösungsmöglichkeiten

Die offene Architektur der Embedded-Systemplattform HeiSys eröffnet vielfältige Lösungsmöglichkeiten einer flexiblen Datenkommunikation und Verarbeitung. Heitec

Wenn es darum geht, Betriebsabläufe zu überdenken und zu optimieren, steht das IoT – und in der speziellen Ausformung auch das IIoT (Industrial Internet of Things) – bei fortschrittlichen Unternehmen ganz oben auf der Liste. Das Ziel sind intelligente Lösungen, zukunftsorientierte Geschäftsmodelle, effiziente Prozesse und Strukturen. Menschen, Maschinen und Systeme sollen in die Lage versetzt werden, miteinander zu kommunizieren.

Als Konsequenz daraus geht die Tendenz weg von der zentralen Datenverarbeitung hin zu Echtzeitdatenverarbeitung in der Peripherie – bei kontinuierlich wachsenden Datenmengen – auch, da ein zentrales Datenverarbeitungsmodell zunehmend an Grenzen stößt. Welche Hürden es zum Erreichen dieses Ziels zu meistern gilt, stellt sich häufig erst heraus, wenn der Weg bereits beschritten wird. Die Frage ist also, wie auf einfache Art und Weise eine vertikale und horizontale Integration gelingen kann und betrifft eine Entwicklung, die sowohl den Endverbraucher (Stichwort Smart Homes) als auch den Industriebereich (Stichwort Industrie 4.0) erfasst hat.

Bei der Umsetzung dezentraler Netze mit intelligenter Datenanalyse und -verarbeitung vor Ort, mit kurzen Latenzzeiten und unter Umständen über beträchtliche Entfernungen hinweg, spielt Edge Computing eine entscheidende Rolle. Um eine Netzüberlastung zu verhindern und eine unterbrechungsfreie Funktionalität der involvierten Systeme zu gewährleisten, müssen die von den IoT-Endgeräten gesammelten Daten ohne Zeitversatz vorsortiert, analysiert und lediglich entscheidende Informationen weitergegeben werden. Die Automatisierung ist hier keine Ausnahme. Zur Kontrolle, Steuerung und Qualitätssicherung von Produktionsprozessen kommt zunehmend IIoT-Technologie zum Einsatz. Sie eröffnet neue Möglichkeiten bei der Maschinenüberwachung, Prozessoptimierung, Wartung und Sicherheit und ebnet den Weg zu mehr Wachstum und Wettbewerbsfähigkeit.

Neben den unbestrittenen Vorteilen kann diese Veränderung jedoch auch Nachteile mit sich bringen, die ebenfalls in Betracht gezogen werden müssen. Der Einsatz vieler verschiedener miteinander verbundener Geräte läuft unter Umständen nicht störungsfrei ab, kann aufwendig und zeitintensiv sein. Sicherheitsrelevante Themen des Netzwerks und der Datenverarbeitung sowie -vorhaltung spielen eine große Rolle und die dafür vorgesehene Software ist stets aktuell zu halten, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Darüber hinaus können die Heterogenität der Devices aus verschiedenen Quellen, fehlende Standards und proprietäre Netzelemente problematisch sein, beziehungsweise zu Abhängigkeiten von bestimmten Herstellern führen.

Hohe Anforderungen an die Hardware

Angesichts immer komplexer werdender Netze muss die eingesetzte Hardware, das Gateway oder der Box-PC hohen Anforderungen genügen. Abgesehen von der meist erforderlichen Kompaktheit sollen die Systeme möglichst ohne bewegliche Komponenten auskommen, robust gegen Stöße, Vibrationen, Kontamination oder Abnutzung sein und zuverlässig in rauer Umgebung funktionieren. Ein entsprechend diesen Bedingungen angepasstes Gehäuse, ein gutes thermisches Management und ein energie- und damit kosteneffizienter Betrieb sind ebenso erstrebenswert. Und schließlich sollten die Systeme langzeitverfügbar sein, um die getätigten Investitionen zu sichern oder Anwendungen bei Bedarf zu erweitern.

Erkenntnisse vom Shopfloor

Automatisierungslösungen in den unterschiedlichsten Branchen sind seit Jahrzehnten ein Kerngeschäft von Heitec. Das Unternehmen bietet bestmögliche Lösungen in Software, Mechanik und Elektronik, um Prozesse zu optimieren und zu modernisieren, Mess- und Prüfsysteme aufzubauen, Softwarelösungen zu erstellen oder Komponenten und Systeme für die industrielle Elektronik zu entwickeln und zu fertigen. Als Experten der Automatisierungs- und Informationstechnologie entwickelte das Unternehmen ein Lösungsportfolio von der digitalen Anlagen- und Prozessplanung über die virtuelle Inbetriebnahme bis hin zum Monitoring von Anlagen und Produktionsprozessen mit speziellen Embedded-Systemen zur schnelleren Vernetzung der Fertigung.

Heitec kennt also alle Aspekte und Herausforderungen, die bei der Modernisierung und im Zusammenhang mit IIoT auftauchen können. Mit HeiTPM gibt es überdies eine Lösung, welche die Brücke zwischen Shopfloor und der IT-Welt bildet. Beliebige Daten aus Steuerungen und Sensorik des Shopfloors werden abgerufen, mit zusätzlichen strukturierenden Informationen zu selbstbeschreibenden Objekten ergänzt und für unterschiedliche Prozessteilnehmer individuell aufbereitet und gespeichert, bevor sie in das Kundensystem eingespeist werden. Aufgrund der sich daraus ergebenden Konnektivität lassen sich schnell Optimierungspotenziale in allen Bereichen erkennen und erzielen. Durch die Echtzeitdatenerfassung und Verifizierung erhöht sich schon im Shopfloor die Datenqualität und -sicherheit. Daten lassen sich gegebenenfalls im laufenden Betrieb umgehend an veränderte Anforderungen anpassen. Wesentliche Bestandteile dieser Architektur sind Gateways, die zeitlich deterministisch zu erfassende Daten in Echtzeit puffern, asynchron vorverarbeiten und an nachgeschaltete Dienste des Shopfloors weitergeben. Über passende Schnittstellen, industrielle Datenmodelle und Standardprotokolle werden die lokalen Daten abgerufen. Die korrekte und sichere Verarbeitung der Signale unterschiedlichster Datenprotokolle wird im Gateway anhand der Schnittstellenphysik und Softwarealgorithmen sichergestellt.

Edge-Computing-Systeme

Abhängig von den zu analysierenden Datenpunkten und Auslastungen erzeugt eine Werkzeugmaschine mehrere hunderte GB an Daten. Würde diese Datenmenge an ein Rechenzentrum übertragen, käme es zu hohen Kosten aufgrund der benötigten Leitungskapazitäten und zu Delays aufgrund der Netzwerklatenz. Bei Edge Computing geht es daher vor allem um den Standort der Datenverarbeitung. Edge-Computing-Systeme sammeln, überwachen und analysieren Datenmengen dort, wo sie erzeugt werden – in der physischen Nähe zu Maschinen, welche die Daten generieren.

Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile: Die Analyse von Live-Daten funktioniert vor Ort erheblich schneller als in virtuellen Speichern oder auf Ebene des Datenzentrums. Die Kosten für die Datenübertragung sind niedrig, weil die Daten lokal ausgewertet werden. Nur relevante Daten werden in die Cloud oder ein Datenzentrum geschickt. Die Sicherheit wird hierdurch beträchtlich erhöht, weil die verbundenen Geräte durch physische Maßnahmen, wie zum Beispiel Türzugangskontrollen, gesichert werden können. Ebenfalls ist die Datensicherheit höher, da sensible Daten die Fabrik nicht verlassen.

Heitec hat dieses Know-how mit den Erkenntnissen aus Marktanalysen, zukünftigen Trends und Kundenanforderungen kombiniert und in seine Entwicklungsarbeit einfließen lassen. Die Idee: Eine zuverlässige Edge-Computing-Plattform, welche eine stabile Grundlage bietet und die richtige Struktur beinhaltet – auch für etwaige Angleichungen oder Aktualisierungen, wenn sie notwendig werden – ist ein entscheidender Baustein für IIoT-Lösungen. Basierend auf den Erfahrungen und dem Austausch mit seinen Kunden hat Heitec deshalb die Embedded-Systemplattform HeiSys entwickelt, welche die über die Jahre gewonnenen Erkenntnisse in sich vereint, zukünftige Trends aufgreift und die Vorteile etablierter Plug-on-Module nutzt. Die neue Systemplattform ist für die Bereiche Medizin, Energie und Verkehrstechnik, Industrie und Digitalisierung geeignet und kann unter anderem die Aufgaben eines Gateways übernehmen. Durch die Auswahl auf standardisierten Schnittstellen basierender und dadurch herstellerunabhängiger Module kann ihre Rechenleistung skaliert sowie multidimensionale Modularität in punkto Kommunikation und I/O-Schnittstellen erreicht werden.

Große Varianz an Schnittstellen

Je nach Komplexität des Designs und den Anforderungen an Bandbreite, Signalvielfalt, Rechen-Performance und Stromverbrauch können entsprechende COM-Express-Boards gewählt und in Kombination mit SMARC-Modul-basierten FPGA-Boards über das entsprechende FPGA-Design eine große Varianz an Schnittstellen abgebildet werden. Ein komplizierter, zeitintensiver Aufbau, die aufwendige Koordinierung verschiedenster Bauteile und die daraus resultierenden Nachteile entfallen dadurch. Die volle Flexibilität hinsichtlich kabelloser Übertragungstechniken wird über m.2-Schnittstellen gewährleistet, sodass auch künftige Wireless-Module und immer steigende Übertragungsraten unterstützt werden. Konzipiert ist die Systemplattform für die Nutzung von W-LAN, LTE, 5G, UMTS, GSM, LPWA, LoRa, Wi-Fi, Bluetooth, GPS/Glonass-Multiband-Funkmodulen für industrielle Datenkommunikation und den Einsatz im Bahnbetrieb.

Die Unterstützung von Lora ist in diesem Zusammenhang besonders erwähnenswert, da sich diese Netzarchitektur wachsender Beliebtheit erfreut, wenn es an die Realisierung von IIoT-Strukturen geht. LoRa beruht auf offenen Standards und ermöglicht weitreichende Kommunikationsverbindungen bei geringem Stromverbrauch und ohne Protokoll-Bindung, somit eine nahtlose Kommunikation unterschiedlicher Systeme und Technologien. Die LoRa-Modulation kann als Punkt-zu-Punkt-Verbindung oder als Star-Netzwerk ohne LoRaWAN-Protokoll eingesetzt werden, bei welchem die Gateways die Verbindung zwischen den Endgeräten und dem zentralen Netzwerkserver herstellen. Die Gateways werden über eine Standard-IP-Verbindung mit dem Netzwerkserver verbunden, während die Endgeräte eine Single-Hop-Verbindung zu einem oder mehreren Gateways nutzen. Die Kommunikation aller Modi ist normalerweise bidirektional. Mittels adaptivem Datenraten-Management kann die Kapazität des jeweiligen Gateways erhöht werden. In dieser Konstellation gilt es mit End-to-End-Verschlüsselung als besonders sicher und energieeffizient und bildet eine gute Basis zur Umsetzung von IIoT-Lösungen. Derzeit wird die Lora-Alliance von 500 global verteilten Mitgliedern gefördert und durch ein globales Ökosystem mit zirka 100 Netzbetreibern unterstützt.

Das HeiSys zugrundeliegende Konzept erleichtert außerdem die Realisierung von Fahrzeug-/Feldbussen wie MVB, Profibus, CAN aber auch EtherCat. Durch die Zulassung nach EN 50155, was optional Conformal Coating beinhaltet, ist das kompakte System für den mobilen Einsatz als Rolling Stock oder für Wayside Monitoring zertifiziert. Aufgrund des Verzichts auf bewegliche Teile wie Lüfter wird die Ausfallsicherheit signifikant erhöht und die MTBF deutlich vergrößert. Das System ermöglicht den Einsatz einer AC-Stromversorgung und den Betrieb im erweiterten Temperarturbereich zwischen -40 und +85 °C, wie er für viele Anwendungen in Transportation/Rail erforderlich ist. Bei den Betriebssystemen unterstützt HeiSys Windows 10 / IoT sowie alle Linux-Distributionen aktueller Kernels. Im HeiSys-Konzept werden Main-Line-Treiber beziehungsweise die Treiber verwendet, welche von den entsprechenden Modulen zur Verfügung gestellt werden. Dies gewährleistet eine reibungslose Inbetriebnahme und Funktion und bietet den Kunden Herstellerunabhängigkeit.

Zusammenfassung

Die offene Architektur der neuen Embedded-Systemplattform eröffnet vielfältige Lösungsmöglichkeiten einer flexiblen Datenkommunikation und Verarbeitung, den reibungslosen Zugriff auf örtliche Daten sowie die Fernsteuerung und -wartung verschiedener Funktionen – und das alles, auch bei Anpassungen, in kurzer Zeit und ohne großen Aufwand. Neue Konfigurationen können dank multidimensionaler Skalierbarkeit einfach umgesetzt, unterschiedliche Devices an die Infrastruktur angebunden oder digitale Services wie fortschrittliche Wartungsmodelle integriert werden. Der Nutzer kann eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte integrieren, sie seinen Anforderungen anpassen und bei Bedarf upgraden. Für den industriellen Einsatz bedeutet das: Durch die Analyse gelieferter Daten können Lieferzeiten ermittelt werden, Materialfluss sowie Ressourcenverteilung und weitere Wertschöpfungsschritte verlässlich geplant werden. Prozesse können nuanciert gesteuert und auch kleine Volumina wirtschaftlich produziert werden. Die Anzahl an Störungen und Ausfällen verringert sich bei gleichzeitiger Steigerung der Sicherheit, des Durchsatzes, der Produktionskapazität und der Qualität. Eine so flexible Architektur bildet die Basis für viele neue Möglichkeiten zur Prozessoptimierung und zum Erschließen neuer Geschäftsfelder.