Eckdaten

STV Electronic hat mit dem Smart Manager 4.0 einen multifunktionalen und Schaltschrank-tauglichen Hutschienen-PC auf den Markt gebracht, der auf dem Raspberry Pi 3 B+ basiert. Dieser Mini-PC passt selbst in Unterputz-Kleinverteilerkästen und eignet sich damit sehr gut für die Gebäudeautomatisierung.

Hutschienen-PC Smart Manager 4.0

Bild 1: Mit dem auf Raspberry Pi 3 B+ basierenden Hutschienen-PC Smart Manager 4.0 für den Schaltschrank können OEMs und Systemintegratoren auch komplexe Aufgaben in der Steuerungstechnik und Gebäudeautomatisierung mit Open-Source-basierter Hardware und Software umsetzen. STV Electronic

Umfassende Schnittstellen

Bild 2: Durch umfassende Schnittstellenausstattung und einen separaten Erweiterungsbus kann der Smart Manager 4.0 im Schaltschrank als IoT-/Edge-Server für beliebige Gebäudeautomations- und Steuerungslösungen eingesetzt werden. Selbst Zähler im klassischen M-Bus-Feldbus lassen sich so über einen am Mini-PC angedockten Pegelwandler über MQTT verwalten. STV Electronic

Schnittstellen unten

Bild 3: Die unten liegenden Schnittstellen des Raspberry-Pi-Rechners. STV Electronic

Schnittstellen oben

Bild 4: Dank seiner geringen Einbautiefe von 62,2 mm, der kompakten Breite von 6TE (108 mm) und den oben zur Feldebene und unten liegenden PC-Schnittstellen findet der Raspberry-Pi-Rechner Smart Manager 4.0 in jedem Schaltschrank Platz. STV Electronic

Embedded-Board mit Raspberry Compute CM3+

Bild 5: Im Smart Manager 4.0 ist das Raspberry Compute CM3+ als SODIMM-CPU-Modul verbaut, für zusätzliche Flexibilität, Skalierbarkeit und Planungssicherheit. STV Electronic

Die Gebäudeautomatisierung ist seit langem fester Planungsbestandteil in jedem Neubau, in Wohngebäuden ebenso wie Fabriken und allen weiteren gewerblich genutzten Zweckbauten wie Bürogebäude oder Einkaufszentren. Dabei reichen die Aufgaben der Gebäudeautomatisierung von der effizienten Energienutzung bei Klima-, Heizungs-, Lüftungs- oder Beleuchtungstechnik bis hin zu Sicherheitslösungen durch automatisierte Schließtechnik oder Visualisierungen mittels Überwachungskameras.

Die Realisierung solcher automatisierter Gebäudesteuerungen nahm ihren Ausgang in Zweckbauten, wobei in der Automatisierungsebene vornehmlich sogenannte Direct Digital Controls (DDCs) und SPS-Bausteine zum Einsatz kamen. Diese erfassen die Informationen der Sensoren aus der Feldebene, verarbeiten die Daten entsprechend ihrer Regelalgorithmen im hinterlegten Steuerungsprogramm und leiten die Ergebnisse als Steuerbefehle an die Aktoren der Feldebene zurück.

Dies hat innerhalb unterschiedlicher Gewerke zu einer Vielfalt proprietärer Automatisierungslösungen geführt, zumal auch die verwendeten Übertragungssysteme auf Feldebene oft verschiedene Medien und Protokolle nutzen. Wer Interoperabilität zwischen den verschiedenen Gebäudeautomatisierungstechnologien herstellen möchte, benötigt eine Plattform, die nicht nur umfassende Hardware-Schnittstellen in Richtung Feldebene bereit stellt, sondern ebenso die Option zur Software-seitigen Integration der verschiedenen Systeme bietet, um damit beispielsweise auch bedarfsgerechte, softwarebasierte SPS-Anwendungen umsetzen zu können.

Aktuelle Trends wie Digitalisierung, IIoT und Smart Metering machen es erforderlich, selbst einzelne Gewerke über einen eigenen Edge-Computer anzubinden. Er ermöglicht es, IP-Technologie mit zentralen Dashboards sowie Management- und Maintenance-Clouds nahtlos anzubinden. Auch die Integration passender Edge-Logik vor Ort wird dadurch möglich. Diese muss zunehmend frei programmierbar sein, um dem wachsenden Bedarf nach beispielsweise Smartphone-basierter Steuerung einer jeden Gebäudefunktion gerecht werden zu können oder auch Inferenzlogik auszuführen, die für Predictive-Maintenance-Zwecke erforderlich ist, da man nicht jeden Messwert in die Cloud schieben will oder auch kann.

Mehr Freiheit in der Gebäudeautomation

OEMs und Systemintegratoren suchen daher nach einer Lösung für Gebäudeautomatisierungen, die flexibel und kostenoptimiert in den Schaltschrank integriert werden kann. Eine sehr gute Lösung können Plattformen auf Basis des neuen, leistungsoptimierten Raspberry Pi 3 B+ sein. Sie sind mit einer quelloffenen Linux-Distribution ausgestattet und lassen sich an spezielle Bedürfnisse anpassen. Somit gibt es bei der Installation weiterer Software wie Entwicklungsumgebungen oder Automatisierungsanwendungen, die auf solchen Edge-Zentralen für die Gebäudeautomation und Steuertechnik zum Einsatz kommen sollen, nahezu keine Einschränkungen. Worin liegen aber die spezifischen Vorteile eines Ansatzes mit Raspberry Pi?

Vom Lehrobjekt zur Industrieplattform

Im Jahre 2012 wurde der Raspberry Pi in seiner ursprünglichen, ersten Version für Lehrzwecke als besonders kostengünstige und dennoch vollständige Open-Source-Entwicklungsplattform in den Markt eingeführt. Jeder, der sich für IT-Hardware, im Besonderen aber für Hardware-Programmierung und -Entwicklung interessierte, konnte mit dem kostengünstigen Einplatinencomputer praktisch sofort loslegen. Und so dauerte es auch nicht lange, bis die Geräte zunehmend als praktikable Entwicklungsplattform in der Embedded-Industrie eingesetzt wurden, da der Raspberry als vollwertiger Linux-Mini-Rechner gleichzeitig als Entwicklungs- und Testplattform genutzt werden konnte.

Bis heute wurden insgesamt rund 30 Millionen Raspberry-Pi-Geräte verkauft, was sich zudem in einer beeindruckend großen Online-Support-Community widerspiegelt. Inzwischen ist der Raspberry PI auf dem besten Weg, selbst zu einer neuen Standard-Industrie-Plattform zu werden. So nutzt beispielsweise Oracle einen Cluster von 1060 Raspberry Pis für den weltweit größten Pi-Supercomputer. Und das Jet Propulsion Laboratory der NASA hat einen Bauplan veröffentlicht, der einen Raspberry PI als Basis für den Nachbau des Mars-Rovers nutzt. Nun macht sich der Minicomputer auf, auch industrielle Einsatzbereiche zu erobern. STV Electronic hat mit dem Smart Manager 4.0 bereits eine industrietaugliche Version des Mini-Computers im Portfolio.

Industrietauglicher Raspberry

Die Version 3 des Raspberry Pi kommt mit einem BCM2837-SoC von Broadcom, der sich aus einem 1,2-GHz-Quadcore-ARM-Prozessor samt großzügig ausgelegter Visual Processing Unit (400 MHz) zusammensetzt. Die vier ARM Cortex-A53 Cores sind dabei für die hohe Rechenleistung verantwortlich, damit die Plattform selbst sehr komplexe Aufgaben im IoT-/Edge-Bereich der Gebäudeautomation übernehmen kann. Die Armv8-A -Architektur beeindruckt dabei durch bis zu 60 % mehr Leistung als ihr Cortex-A7 Vorgänger. Zudem bietet sie auch ein verbessertes Power-Management für eine minimale Wärmeentwicklung, sodass der Smart Manager 4.0 selbst bei extremen Temperaturen von -40 bis +55 °C im Schaltschrank innen wie außen ohne aktive Lüftung auskommt.

Zum Arbeitsspeicher von 1 GB LPDDR2 SDRAM kann der STV Smart Manager 4.0 wahlweise mit acht, 16 oder 32 GB On-Board-eMMC-Flash geordert werden und bietet so für jede Anwendung ausreichend Speicherplatz. Alternativ steht der Smart Manager 4.0 auch als Variante mit SD-Slot zur Verfügung.

Dabei stellt STV eindrucksvoll unter Beweis, dass sein Open-Source-basierter Raspberry-PC voll industrietauglich ist. Denn im Smart Manager 4.0 kommen speziell für den Einsatz im industriellen Sektor entworfene SODIMM-Prozessor-Module zum Einsatz, für die alleine schon über die Raspberry Foundation eine Langzeitverfügbarkeit bis mindestens 2026 garantiert ist.

Der modulare Aufbau bietet neben der entsprechenden Planungssicherheit zusätzliche Flexibilität und Skalierbarkeit, da der Industrie-PC damit auch hardwareseitig durch performantere CPU-Module erweitert werden kann. Deshalb setzt STV die Langzeitverfügbarkeit für seinen Industrie-PC auch auf zehn Jahre an, was eine weitere wichtige Voraussetzung für elektronische Komponenten im industriellen Einsatz ist.

Schnittstellenvielfalt und flexibler Einbau

An Kommunikationsschnittstellen bietet der Smart Manager 4.0 bis zu 2 × Fast Ethernet, 6 × USB 2.0 sowie zwei galvanisch getrennte, terminierbare serielle RS485-Schnittstellen, von denen eine softwareseitig auch als RS232 auslegbar ist. Zusätzliche Funktionalität wie WLAN, Feldbus- und weiter I/O-Anbindungen lassen sich über diese Schnittstellen sowie einen Erweiterungsbus für weitere Zusatzmodule bei Bedarf leicht ergänzen.

So kann der Mini-PC beispielsweise die Aufgaben eines M-Bus-Masters übernehmen, indem er an einen entsprechenden Pegelwandler im Schaltschrank gekoppelt wird (siehe Bild 2). Hier findet der Smart Manager 4.0 durch sein mit nur 62,2 mm sehr flach ausgelegtes Hutschienengehäuse selbst in den Unterputz-Kleinverteilerkästen von Gebäudeautomatisierungen nach DIN 43880 Platz, die Einbautiefen von maximal 70 mm erlauben.

Über seinen von 12 bis 30 V sehr breit gefassten Spannungsversorgungsbereich kann der Smart Manager 4.0 zudem sehr flexibel an eine beliebige, bereits vorhandene Stromquelle im Schaltschrank angeschlossen werden.

Freie Programmwahl

Sehr hohe Flexibilität bietet der Mini-PC auch bei der Wahl der gewünschten Programmierungs-, Steuerungs- oder Automatisierungsplattformen. Dazu bietet STV seinen Hutschienen-PC applikationsfertig mit passgenau zugeschnittenem Linux OS, einem umfassenden Software- und Integrationssupport sowie laufend aktuellen Sicherheits-Patches an. Auf dem System kann mit CoDeSys, NodeRed, Node.js, C, C++ sowie zahlreichen weiteren Umgebungen programmiert und entwickelt werden. Möglich ist es auch, eine Gebäudeautomationsplattform wie FHEM und openHAB zur Steuerung der Peripherie zu installieren, oder den Mini-PC mit Mosquitto in einen MQTT-Broker zu verwandeln.

Systemintegratoren profitieren dabei von der riesigen Community der Raspberry-PI-Nutzer mit unzähligen detaillierten Projekten, Hilfestellungen und Problemlösungen. So können sie auf Basis industriegerechter Open-Source-Lösungen für viele Aufgabenstellungen in der Gebäudeautomatisierung und industriellen Steuerungstechnik Lösungen in industrieller Qualität, applikationsfertig bereitstellen und ihren Kunden eine hohe Langzeitverfügbarkeit gewährleisten.

Optional hilft STV zudem bei der applikationsspezifischen Auslegung des Systems, denn der international agierende mittelständischer Hersteller bietet neben der Hardware auch umfassende Softwaredienstleistungen rund um den neuen Hutschienen-PC an, sodass Kunden eine applikationsfertige Lösung erhalten. Erste Komplettlösungen finden sich bereits im Energiemanagement, für die das Unternehmen auch eine breite Palette von M-Bus-Pegelwandlern anbietet. Weitere Einsatzbereiche finden sich im Umfeld zahlreicher weiterer I/O- und Feldbus-basierter Lösungen in industriellen Schaltschränken, die eine Industrie-4.0- und IIoT-Konnektivität inklusive passender Edge-Logik benötigen.