Wollen Maschinen- und Anlagenbauer kollaborierende Systeme entwickeln, geht es um die Inter­aktion zwischen bislang unabhängig von­einander betriebenen, diskreten Fertigungs­einheiten. Alles soll deutlich fließender werden, sodass sich die bislang segmentierte Fertigung in Richtung Pro-zessindustrie entwickelt. Von den Kommunikationsanfor­derungen her ergibt sich daraus eine neue Kommunikationsebene in der Automatisie­rungspyramide, die zur Intermaschinen­kommunikation dient und die sich oberhalb der maschinen- oder anlageninternen Pro­zessebene einfügt. Und so wie die Kommu­nikationsanforderungen von der Feld- zur Pro­zessebene klar steigen, steigt das Daten­volumen auch auf diesem Level nochmals deutlich gegenüber den bislang üblichen Feldbussen und industriellen Ethernet-Lö­sungen auf Feld- und Prozesslevel. Zudem ergeben sich mit kollaborativer Robotik neue Anforderungen, wie die Situational Awareness (Situative Umgebungserkenntnis), die beispielsweise über Infrarot-, Ultraschall- und Vision-Systeme umgesetzt wird. Insbesondere letzere können dabei enorme Datenströme produzieren und stellen immense Datenanalyse-Anforderungen.

Virtualisierung wird attraktiver

Gleichzeitig gibt es einen zweiten Trend, der wegen der Industrie-4.0- und IoT-Anforderungen nun immer stärker wird: Die Virtualisierung. Sie wurde in der Vergangenheit zwar schon eingesetzt, um beispielsweise eine SPS und Visualisierung auf einer einzigen echtzeitfähigen Hardwareplattform zu konsolidieren.

Die Automatisierungspyramide wird derzeit um eine neue Schicht ergänzt: Der Fog-Server-Level , der Funktionen auf Station- und Work-Unit-Level erfüllt sowie direkte Gateways zum Enterprise- und Connected-World-Level bereitstellt.

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Mit den zusätzlichen Anforderungen von Industrie 4.0 und IoT gibt es nun aber nicht nur einen (HMI), sondern gar zwei oder drei Gründe, die Virtualisierung als wesentlichen Lösungsbaustein für gege-benenfalls sogar mehrere smarte Echtzeit-Steuerungen zu nutzen, denn sowohl das IoT-Gateway als auch die Industrie-4.0-Kommunikationslogik kann jeweils in einer solchen virtuellen Maschine gut von anderen Applikation separiert werden. 

Sowohl für die signifikant höheren Datenraten in der Intermaschinenkommu-nikation als auch für die Konsolidierung der Steuerungen auf virtuellen Maschinen zusammen mit HMI-, IIoT- und Industrie-4.0-Anbindungen brauchen OEM eine neue Klasse der Computer-Technologie: Embedded-Fog-Server. 

Um höchste Verfügbarkeiten zu erzielen, sollten sie redundant ausgelegt sein. Für kurze Kommunikationswege und damit geringe Latenzen müssen sie auch direkt im rauen Fertigungsumfeld installiert werden können. Deshalb sollten sie idealerweise ausschließlich lüfterlos betrieben werden und für den industriellen Temperaturbereich ausgelegt sein. Klassische Racksysteme sind dafür nicht geeignet. Embedded-Fog-Server müssen viel kompakter ausgelegt werden – und zwar wie SPSen, Hutschienen- oder Box-PCs. Deshalb entsteht derzeit diese Klasse der Embedded-Systeme. Technologisch bieten hierfür Plattform-Standards wie der COM-Express-Type-7-Formfaktor des PICMG-Standarisierungs-gremiums eine gute Basis. Er wurde darauf ausgelegt, Embedded-Servern Performance zu bieten, erstmals bis zu vier 10-GbE-Verbindungen nativ zu unterstützen und über eine Vielzahl von PCIe-Lanes weitere Highspeed-Interfaces für Storage und Kommunikation zu ermöglichen – und  so außerdem schnelle industrielle Feldbusse wie beispielsweise Profinet oder Ethercat anbinden zu können. 
 

Echtzeit-Fähigkeit ist entscheidend

Sowohl die Server-Plattform mit ihren Daten­verarbeitungskapazitäten als auch die Kommunikationskanäle über 1 GbE bezie­hungsweise 10 GbE müssen jedoch darüber hinaus echtzeitfähig sein. Diese Fähigkeit darf die Plattform selbst bei der Virtu­alisierung nicht verlieren. Eine solche Lö­sung stellt Congatec zur Embedded World vor. 

Gezeigt wird, wie Echtzeit-Systeme über GbE-Netzwerke Echtzeit-Daten parallel zu einem intensivem Datenverkehr austau-schen, ohne dass die Echtzeit-Übertragung beeinträchtigt wird. Hierzu unterstützen die eingebauten Boards Time Sensitive Networking (TSN), das man auch bei Kommunikationsprotokollen wie DDS oder OPC UA braucht. In einer Demo kann über einen digitalen Schalter die IEEE-1588-Precision-Time-Protocol-Syn­chronisation zu oder abgeschaltet werden, um den Unterschied  des Kommuni­kationsverhaltens demonstrieren zu können. Das Time Pro­tocol ermöglicht eine hochgenaue Syn-chro­ni­­sation von verteilten Devices über Ethernet mit einem Fog-Server. Der maximale Jitter bei Standard Intel-NICs liegt dabei im hochpräzisen Nanosekundenbereich.

Um der IEEE 1588 zu entsprechen, sieht das Feature-Set der COM-Express-10GBASE-KR-Interfaces einen per Software definierbaren Pin für jedes der bis zu vier 10-GBE-Interfaces vor. Dieser physikalische Pin kann dabei als Ein- oder Ausgang konfiguriert werden und wird von dem korrespondierenden Ethernet-Controller gesteuert, was die Implementierung eines hardwarebasierten Timing-Protokolls nach IEEE 1588 für leistungsfähige Echtzeit-Applikationen ermöglicht.
 

Multicore-Plattform zur ­Echtzeit-Virtualisierung

Auf der Embedded World präsentiert congatec eine Demo mit zeitsynchronisierter GbE-Ethernet-Implementierung. Diese kann in Zukunft Ethernetbasierte Protokolle ersetzen, die proprietäre Controller-Konfigurationen benötigen.

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Die Plattform baut auf Server-on-Modulen namens Conga-B7AC auf. Dabei basieren die COM-Express-Type-7-Module mit Echtzeit-Hypervisor von Real-Time Systems auf Intel-Atom-Prozessor (Code-Name Denverton) mit bis zu 16 Cores. Mit diesen Modulen können Anwender flexible, echt­zeitfähige Edge-Services auf Carrier-Niveau sowie Industrie- 4.0- und M2M-/IoT-Dienste aller Art bereitstellen. 

Daneben lassen sich dedizierte Infrastrukturkomponenten wie Firewalls, Load-Balancer und Routingsysteme durch software­basierte Lösungen vereinheitlichen und auf Fog-Servern selbst konsolidieren. All das hilft OEM dabei, die Agilität und Kosteneffizienz ihrer Kommuni­kationsinfrastruktur zu steigern.

Mit einer Leistungsaufnahme, die bei nur 11 W startet, bieten die neuen, echtzeitfähigen Server-on-Module bis zu viermal 10 GbE Netzwerk-Performance. Das Feature-Set ist auf modulare Mikroserver für den industriellen Einsatz sowie robuste Telekom- und Netzwerk-Ausrüstung – wie Small Cells, Factory-Gateways und Storage-Systeme – ausgelegt und ermöglicht sogar den Einsatz im erweiterten Temperatur­bereich von –40 °C bis +85 °C. Das conga-B7AC basiert auf der neuen COM-Express-3.0-Spezifikation der PICMG, ist als standardisierter Building-Block verfügbar und geeignet für die effiziente kundenspezifische Entwicklung von sehr kompakten, ausschließlich passiv gekühlten Embedded-Edge-Devices.

Potenzielle Systemkonfigurationen

Das COM-Express-Modul Conga-B7AC bietet bis zu viermal 10 GbE.

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Generell gibt es unterschiedlichste Möglichkeiten, ein Systemdesign umzusetzen, was ja ein Vorteil der Server-on-Module ist. So kann man beispielsweise zwei Conga-B7AC-Module nehmen und sie jeweils auf ein COM-Express-Type-7-Carrierboard vom amerikanischen Hersteller Connect Tech stecken, das die gleichen Abmessungen hat wie das COM-Express-Modul selbst – also 125 mm × 95 mm. Integriert man dazwi­schen dann noch Festplatten und legt die Kühlkörper der Module nach außen, ergibt sich ein Sandwich-Design, das kaum größer ist als 125 mm × 125 mm × 95 mm (H×B×T) und damit sogar in Schaltschränken Platz findet. Es ist folglich nur noch eine Frage der Zeit, wann OEM den ersten Hutschienen-Fog-Server auf den Markt bringen werden. Die passende Embedded-Computer-Technologie ist bereits verfügbar.

Industrielle OEM-Kunden werden aber nicht immer mit Standardprodukten eine Lösung finden. Sie brauchen oft ganz spezifische Carrierboard-Designs, um beispielsweise auch Feldbusse oder industrielle Ethernet-Protokolle anzubinden, die nicht mit Standard-Controllern adressiert werden können. Genau für solche Anpassungen ist die Kombination aus standardisierten Server-on-Modulen und Carrierboards ideal, denn Entwickler können so mindestens 50 und bis zu 90 % Entwicklungszeit und -aufwand gegenüber einem Full-Custom-Design einsparen. 
Computer-on-Modules bieten hierfür ein standardisiertes Feature-Set, das prozessorunabhängig ist und folglich für mehrere Prozessorfamilien und -sockel wiederverwendet werden kann. Es wird mit  kompletten Board-Support-Packages ausgeliefert, die alle Schnittstellen der Module umfassen. Dazu gibt es ausführliche Dokumentationen, wie das individuelle Carrierboard für die Computer-on-Modules auszulegen ist. Hierzu stellt das standardisierte COM-Express-Ökosystem Evaluation-Carrier-Boards bereit, von denen man auch die Layouts erhalten kann, um sie als Vorlage für eigene Lösungen zu nutzen. Best-Practice-Designs lassen sich so per ‚Copy & Paste‘ für eigene Designs nutzen.

Autor: Christian Eder ist Marketing Director bei Congatec.