09.07.2015

Embedded-Systeme für Industrie 4.0

Unternehmen werden zukünftig ihre Maschinen, Lagersysteme und Betriebsmittel als Cyber-Physical-Systems (CPS) weltweit vernetzen - so steht es in den Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 der Acatech. In wie weit sind die Technologien für eine solche Aufgabe heute schon vorhanden?


Bild 1: Für Kontron ist Industrie 4.0 keine Vision einer fernen Zukunft, sondern kann mit heutiger Technik bereits in weiten Teilen umgesetzt werden.
Bild: Kontron AG

Aus Sicht Kontrons, eines Spezialisten des Embedded Computing, ist Industrie 4.0 keine Vision einer fernen Zukunft, sondern schon heute in weiten Stücken realisierbar. Der Artikel beschreibt, wie in Zusammenarbeit mit Technologiepartnern wie Intel, Windriver, Telekom und Salesforce schon an CPS-Lösungen gearbeitet wird, die auf einer einheitlichen Embedded-Basis beruhen, eine IoT-Anbindung ermöglichen sowie einen Cloud-Lösungsansatz bieten.

Die Embedded Basis

Betrachtet man eine Fertigung näher, dann haben wir es mit den unterschiedlichsten computerbasierten Komponenten zu tun - Visualisierungseinheiten, BV-Systeme, Steuerungen und ähnliches. Heute schon lassen sich all diese Geräte auf einer einheitlichen technologischen Basis realisieren. Als Beispiel dienen Intel-basierte COM Express Module, die sich in einem weiten Leistungsbereich skalieren lassen. Die COM Express Module von Kontron etwa decken mit einer Performance, die vom High-End 1,7GHz Quad-Core Intel Core i7 Prozessor bis zum kostenoptimierten Intel Celeron oder Intel Atom Prozessor reicht, ein sehr breites Anwendungsspektrum ab. Auf Basis dieser COM Express Module launchte Kontron vor einem Jahr z.B. einen Schaltschrank-IPC für die Automatisierung als neues Mitglied der KBox IPC Produktfamilie. Die neuen IPCs sind für industrielle Steuerungsaufgaben ausgelegt und vom Einstiegs- bis hin zum High-End-Level höchst skalierbar. Alle vier Systeme zeichnen sich durch ein industriegerechtes Design aus, sind langzeitverfügbar und lassen sich bedarfsgerecht mit industriellen I/Os, Feldbussen 'Industrial-Ethernet-Schnittstellen und/oder wireless oder wired Kommunikationsschnittstellen über mPCIe oder PCIe Steckplätze ausrüsten. Dank modularem Aufbau ist auch die Prozessorauswahl sehr flexibel und jederzeit up to date. Automatisierungsanbieter und OEM-Kunden im Maschinen- und Anlagenbau profitieren so von effizienten Customization-Optionen auf Basis standardisierter Baugruppen. Entwickler in allen Märkten profitieren dabei vom bewährten Ökosystem der weltweit führenden PICMG-Spezifikation für Computer-on-Module. Das Produkt-Lifecycle-Management wird durch die Module ebenfalls wesentlich erleichtert und die Kosten hierfür reduziert. Die neuen Box-PCs sind auch Wartungsfrei, d.h. keine Batterie, sondern Gold Caps, keine Lüfter sondern passive Kühlung, keine rotierende Massenspeicher sondern SSD, CF, ...

Embedded Application Programming

Schon vor vier Jahren stellte Kontron eine plattformübergreifende Middleware namens KEAPI - Kontron EAPI (Embedded Application Programming Interface) vor. Mit diesem Interface standardisierte Kontron den Zugriff auf und die Steuerung von Hardware-Ressourcen in Embedded Applikationen. Applikationsentwickler profitieren von einer Bibliothek an API-Funktionen, die Hardwareinformationen aller neuen Kontron Embedded Plattformen bereitstellen. Mit dem Middleware-Paket können Geräteentwickler sehr viel schneller und einfacher auf einen raschen Technologiewandel reagieren. Die Standardisierung vereinfacht die sonst komplexen I/O-Zugriffe. Und das nicht nur für ein einzelnes Board, sondern plattformübergreifend. Im Endeffekt vereinheitlicht das Middleware-Paket den Zugriff auf alle Kontron Embedded Plattformen, unabhängig von Formfaktor und Betriebssystem. Und das nicht nur für eine Produktkategorie, sondern für das gesamte Portfolio. Kontron EAPI ist konform zum EAPI der PICMG, erweitert aber dessen Funktionsumfang um zusätzliche Funktionsaufrufe, beispielsweise für grundlegende Systeminformationen (z.B. CPU, Speicher, HDD, Akku), Temperatur- und Spannungsanzeigen, CPU Leistung und Temperaturkontrolle. Darüber hinaus unterstützt das Kontron EAPI verschiedene Formfaktoren wie COM Express, SMARC oder Motherboards. und erlaubt auch den Fernzugriff über das Internet. Entwickler profitieren damit von der Sicherheit einer unabhängig standardisierten Programmierschnittstelle kombiniert mit einem hohen Komfort und erweitertem Funktionsumfang.

IoT Gateway Lösungen

Application-ready für das Internet der Dinge: Im Juni stellte Kontron einen Box-PC auf der SMARC Modul-Basis, mit Support der Intel Gateway Solutions für das Internet der Dinge vor (ehemaliger Codename Moon Island). In Kombination mit Kontrons Embedded Application Programming Interface (KEAPI) bieten diese applikationsfertigen M2M-Plattformen (Machine-to-Machine) eine IoT-Gateway Intelligenz, die standardisiert und einfach einsetzbar ist. OEMs können ihre verteilten Systeme damit nahtlos über kabellose Netze wie LTE, GSM oder WLAN anbinden. Vielfältige industrielle Schnittstellen unterstützen zudem die IoT-Integration von sowohl neuen als auch bestehenden Applikationen. OEMs und Betreiber profitieren von einer vorvalidierten, auf anerkannten Standards basierten Plattform, mit der sie alle 'Big Data' erfassen, auswerten und nutzen können. Die Intel Gateway Solutions für das Internet der Dinge beinhalten Wind Rivers Intelligent Device Platform XT 2.0 sowie McAfees Embedded Control 6.1 und ermöglichen die Entwicklung intelligenter Gateways, wie den erwähnten Box PC. Solche intelligenten Gateways sind die entscheidenden Systemerweiterungen, um den Anschluss an neueste intelligente Infrastrukturen sicherzustellen. Im April ging Kontron mit der Deutschen Telekom eine Kooperation ein. Ziel dieser Zusammenarbeit ist, M2M Lösungen voranzubringen. Für verteilte Systeme, die eine Mobilfunkanbindung brauchen, bietet Kontron industrietaugliche Knotenpunkte, die für eine Anbindung der Endgeräte an die Cloud-Applikationen des Internets der Dinge benötigt werden. Bestandteil des Angebots der Deutschen Telekom an Entwickler ist das Kontron M2M Smart Services Developer Kit: Es bietet eine skalierbare Prozessor-Performance, beinhaltet alle relevanten Treiber und Protokolle und ist zudem flexibel hinsichtlich der Applikationen und Betriebssysteme. Das Kit weist auch ein vorqualifiziertes Setup für Mobilfunknetzbetreiber auf. Das System verfügt über PTCRB Zertifizierung und ist für den Einsatz in Mobilfunknetzen zugelassen. Das spart Kunden Entwicklungszeit und -kosten: Das Zulassungs- und Zertifizierungsverfahren durch die Netzbetreiber, welches die Applikationen durchlaufen müssen, bevor sie in deren Netz eingesetzt werden können, wird so verschlankt. Für eine schnelle Entwicklung von Applikationen mit lokaler drahtloser Konnektivität unterstützt das Kit 802.11a/b/g/n WLAN (Wireless Local Area Network) und 802.15.4 WPAN (Wireless Personal Area Network). Zellulare Netzanbindung an die Cloud Applikationen bietet es mit einem bereits vorinstalliertem 3G WWAN (Wireless Wide Area Network), das für redundante Auslegungen optional auch über ein zweites PCI Express 3G/4G Module erweitert werden kann. Durch die optionale Erweiterung um das Smart Video und Audio Modul ist sogar die Kommunikation von Angesicht zu Angesicht möglich.

Empfehlungen der Redaktion

Die Cloud

Die Firma Salesforce sieht sich als Cloud-Markführer. Im Februar gab nun Kontron auf der Embedded World die Zusammenarbeit mit Salesforce.com bekannt. Gemeinsam arbeiten die Unternehmen an Konzeptstudien für das Internet der Dinge und das Internet der Kunden. Die auf Basis von Salesforce.1 gemeinsam entwickelten Konzeptstudien ermöglichen es Entwicklern, Applikationen bei sehr geringem technischem Risiko schneller zu implementieren. Gleichzeitig inspirieren sie auch zu neuen Design-Ideen, um die Weiterentwicklung des Internets der Dinge voranzutreiben. Nahezu alle Applikationen, die Geräte erfordern, die sich mit Menschen verbinden müssen und die man beispielsweise in Märkten wie Industrie, Medizin und Point-of-Sales findet, können von den IoT- und IoC-Konzepten von Kontron und Salesforce.com profitieren. Diese Studien erleichtern die Entwicklung erheblich, da sie es Entwicklern erlauben, sich ganz auf die Applikations-Ebene zu konzentrieren, sodass kein Expertenwissen über Computerhardware- oder Softwaretechnologien erforderlich ist. Kontron geht davon aus, dass neue Geschäftsmodelle auf Basis des IoTs entstehen werden, die deutlich weiter entwickelt sind, als die in den klassischen Anwendungsfeldern der M2M-Kommunikation. Für eine erfolgreiche IoT-Implementierung ist es dabei nicht so sehr entscheidend, immer mehr Gerätedaten zu sammeln. Viel wichtiger ist es, die digitale Verbindung zu nutzen, um neue Erkenntnisse zu erlangen und um Menschen mit Menschen sowie Geräte mit Menschen zu verbinden. Kontron bietet zusammen mit Technologie-Partnern eine einzigartige Palette aus einer Hand, von offenen, IoT-ready Plattformen wie kompakte Box-IPC, HMI, Rackmount IPC, M2M-Gateways bis hin zu einem hochverfügbaren und kompakten Cloud-Server Symkloud in Verbindung mit entsprechenden Software-Plattformen. Dadurch lassen sich innovative Industrie 4.0 Lösungen wirtschaftlich für die heutigen und zukünftigen Anforderungen implementierten.

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