Die Architektur traditioneller Automatisierungssysteme wurde so entwickelt, dass sich die erfassten Daten an einem zentralen Verarbeitungsort konzentrieren – beispielsweise einem zentralen Server oder einem größeren Industrie-PC. Zur Ankopplung der im Feld installierten Sensoren und Aktoren kam eine Vielzahl drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationsprotokolle inklusive Feldbussystemen zum Einsatz. Die zahlreichen Topologien und proprietären Übertragungslösungen, die auf unabhängigen Medienkanälen laufen, stellten in größeren Anwendungen durchaus eine Herausforderung sowie einen erheblichen Kostenfaktor dar. Das Fehlen eines gemeinsamen Netzwerks in größeren dezentralen Applikationen erhöhte die Herausforderung zusätzlich. Wartungspersonal musste oftmals in regelmäßigen Zeitabständen zu teilweise entfernt gelegenen Stationen fahren, um dort Daten zu sammeln oder zu aktualisieren. Als Beispiele seien Infrastrukturanwendungen wie Wasserpumpstationen, Ölfelder oder ähnliche Anlagen genannt. Sofern ein Netzwerk verfügbar war, gab es häufig lediglich eine begrenzte Bandbreite, die bei der Weiterleitung großer Datenmengen zu Datenverzögerungen/Latenzzeiten führte.
IIoT-fähiger IPC verringert Netzverkehr
Heute erfordern Applikationen eine leistungsstarke Engine, die Daten erfassen, lokal speichern, analysieren und vorverarbeiten kann. Zudem muss sie die richtige Konnektivität bieten, damit die Informationen dorthin übertragen werden, wo sie notwendig sind. Eine solche Engine spielt eine Schlüsselrolle in einer Welt, in der Abermillionen von Geräten zur Anwendung kommen und interagieren. Kleine IIoT-fähige IPCs ermöglichen es nun, die Rechenleistung an den Rand des Internets – die Edge – zu verteilen. Und was noch wichtiger ist: Die Auswertung der Daten geschieht nicht mehr exklusiv durch eine Cloud-Anwendung, sondern zumindest teilweise durch ein Gerät, das physisch in der Applikation verbaut ist.
Der Vorteil eines solchen IPCs liegt auf der Hand: Der Entwickler des Anlagendesigns entscheidet, welche Informationen zeitkritisch sind und sofort kommuniziert werden müssen, welche Daten sich in vordefinierten Zeitintervallen weiterleiten lassen und welche Daten lokal als Backup-Informationen verbleiben können. Die Evaluierung und Vorverarbeitung der Daten im vor Ort installieren IPC verringert den Netzwerkverkehr im WAN deutlich. Der lokale Speicher lässt sich deutlich reduzieren und spart somit Kosten ein. Die Leistung des lokalen IPCs kann ebenso gesenkt werden, sodass sich die Kosten für das Gerät und den Schaltschrankplatz für seine Montage vermindern.
Hohe Verfügbarkeit auch unter rauen Bedingungen
Die Hardware eines solchen Geräts, das eine Schlüsselfunktion einnimmt, muss so ausgelegt sein, dass es das ganze Jahr rund um die Uhr selbst unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeitet. Ein Embedded-Computer-Design, bei dem alle Komponenten mit der Leiterplatte verlötet sind, sorgt für eine hohe Systemverfügbarkeit. Hinzu kommt die passive Kühlung, weshalb der IPC nicht auf einen Lüfter angewiesen ist, um das System kühl zu halten, sowie eine einfache Wartungsmöglichkeit. Die Wahl des richtigen Intel-Prozessors liefert die passende Leistung für die Anwendung und verbraucht gleichzeitig so wenig Strom wie möglich, was in einem niedrigeren Gesamtleistungsbudget und einer geringeren Wärmeentwicklung resultiert. Durch die Nutzung moderner Komponenten – wie DDR4-RAM und Gigabit-Ethernet-Ports – erhöht sich die Performance des PC-Systems weiter. Flexible Installationsoptionen erleichtern die Montage des Edge-Computers in jedem Schaltschrank.
Als gutes Beispiel für ein solches Systemdesign erweist sich der VL3 UPC von Phoenix Contact. Der kompakte Box-PC ist mit einem Dual-Core- oder Quad-Core-Atom-Prozessor der x6000-Serie (Elkhart Lake) von Intel sowie schnellen DDR4-RAM und Non-Volatile Memory Express (NVMe) Solid-State-Speicherbausteinen ausgestattet. Das Gerät wird passiv gekühlt und erlaubt ein hohes Maß an Konnektivität. Die Basissysteme bieten eine DisplayPort-Schnittstelle für hochauflösende Bildschirme mit Multi-Stream-Transportfähigkeit, die unabhängige Bildschirminhalte unterstützt, wenn mehrere Displays in Serie geschaltet sind.
Box-PC mit Erweiterungsoptionen
Der mit zwei Gigabit-Ethernet-Schnittstellen und zwei Hochgeschwindigkeits-USB-3.1-Schnittstellen versehene Box-PC lässt sich um zwei serielle Schnittstellen erweitern, die als RS232/422/485-Ports betrieben werden können. Außerdem kann der Anwender WLAN in das 100x100x50mm große Gehäuse konfigurieren. Zur Installation stehen die Hutschiene oder Montagewinkel für die Wandmontage zur Verfügung. Zum Systemausbau sind zwei Erweiterungsmodule erhältlich, die die Höhe des Systems um 30mm steigern. Das erstere umfasst zwei zusätzliche Gigabit-Ethernet-Ports und eine M.2-Schnittstelle, die den Massenspeicher erweitert. Bei der zweiten Option handelt es sich um ein 4G/LTE-Modem, das ebenfalls eine M.2-Schnittstelle zur Speichererweiterung beinhaltet. Dieses ist bereits für künftige 5G-Modems vorbereitet und somit zukunftsfähig ausgelegt. Die flexible WAN/WLAN-Konnektivität erweist sich sowohl bei heutigen als auch bei zukünftigen Installationen von Bedeutung, da Cloud-Computing schon die Art, wie Menschen ihre Daten speichern und nutzen, revolutioniert hat. Probleme wie Latenz, Datenintegrität und Sicherheit stellen dabei nicht verhandelbare Attribute dar.
Fazit: Natürlich erweist sich ein Netzwerk als vorteilhaft, um entfernte Edge-Geräte mit der Cloud zu verbinden. Aufgrund der lokalen Vorverarbeitung und Speicherung von Daten ist es jedoch nicht mehr zwingend erforderlich, dass es sich dabei um eine hochgeschwindigkeits- oder echtzeitfähige Konnektivität handelt. Wesentliche Aufgaben lassen sich einfach lokal ausführen. Das verringert die Qualitätsanforderungen an den Übertragungskanal und führt zu weiteren Kosteneinsparungen in der Gesamtinstallation. Die Verfügbarkeit der notwendigen Bandbreite, die bisher für den sicheren Betrieb dezentraler Anlagen benötigt wurde, spielt durch den intelligenten Einsatz von IIoT-Edge-PCs eine geringere Rolle.
VL3 UPC: Einfach in vorhandene Anwendungen integrieren
Viele Anlagenbauer haben eigene Lösungen entwickelt, um die in den Applikationen verbauten Sensoren, Aktoren und Maschinen miteinander zu verbinden – selbst wenn diese dezentral installiert sind. Sie profitieren von Geräten wie dem VL3 UPC von Phoenix Contact, die genau die richtige Leistung für Edge-Anwendungen liefern. Aufgrund ihrer Konfigurierbarkeit stellen die Box-PCs zudem verschiedene Konnektivitätsoptionen zur Verfügung, sodass ihre Integration in jede Anwendung möglich ist.
Wer keine eigene Lösung zur Implementierung einer Edge-Anwendung hat, erhält mit dem VL3 UPC ein Gerät, das zudem die passende Software-Umgebung bietet. Die Kombination von Hard- und Software in einem betriebsbereiten Edge-Gerät ist auf die wesentlichen Anforderungen einer Edge-Anwendung zugeschnitten. Darüber hinaus lässt sich die Lösung um zusätzliche Apps erweitern, um individuelle Anwenderwünsche zu erfüllen. Beim programmierbaren Edge-Computer EPC 1502 erfolgt die Konfiguration zum Beispiel über die einfach bedienbare Software-Suite PLCnext Engineer.
