"Das vereinfachte Anschauungsbild, alle Sensordaten in einer 'Big Data Cloud' zu verarbeiten, wie es im Kontext von Industrie 4.0 oftmals propagiert wird, hat seine Grenzen", meint Thomas Leyrer, System Application Manager Industrial Communication bei Texas Instruments, und ergänzt: "Bei Sensoren mit geringen Datenaufkommen macht es wenig Sinn, eine 128 Bit breite IPv6-Adresse zu vergeben. Hier bietet sich eine Konzentration von mehreren Sensoren über einen Hub an Feldbusse und Industrial Ethernet an. Die dafür notwendigen Profile sind beispielsweise bei IO-Link definiert. Daneben gibt es auch Sensoren, die sehr schnell und sehr viel Daten produzieren, welche sinnvoll nur lokal in einem Steuerungsrechner verarbeitet werden können." Aus dieser Bestandsaufnahme leitet Leyrer ab, dass zusätzliche Datenanalyse der 'hochfrequenten' Applikationen nach mehr Intelligenz auf der Feldebene verlangen. Oder anders ausgedrückt: Um vorausschauend Fehler in einem System zu erkennen, müssen die Kommunikationsknoten auf der Feldebene auch mit entsprechender Rechenleistung ausgestattet sein.

Genau zu diesem Zweck lassen sich die neuen Sitara-AM57xx-Prozessoren von Texas Instruments einsetzen. Die beiden darauf befindlichen ARM-Cortex-A15-CPUs bieten Leyrer zufolge mit 1,5 GHz genügend Rechenleistung, um die verschiedenen Protokolle in Echtzeit zu verarbeiten und weitere Funktionen wie Steuerung und Visualisierung zu übernehmen. Für spezielle Rechenaufgaben befinden sich auf den Prozessoren dieser Familie bis zu zwei leistungsfähige DSP-Kerne. Komplexere Peripherien können über ein ARM-Cortex-M4-Subsystem vom Hauptprozessor entkoppelt werden.

Ebenfalls auf dem Prozessor befinden sich zwei Industrial Communciaton Subsystems (ICSS), mit denen sich eine Vielzahl an Protokollen und Interfaces realisieren lassen. Konkret handelt es sich dabei um zwei non-pipelined Paketprozessoren (32-Bit-RISC-CPUs) mit je 200 MHz und Hardwareerweiterung für industrielle Kommunikation wie beispielsweise Echtzeit-MII-Interface, übertaktete Schieberegister und Delta-Sigma-Integrationsstufen. Die wichtigsten Schnittstellen sind von Texas Instruments zertifiziert. Da die Technologie jedoch offen ist, erlaubt sie dem Anwender auch die Umsetzung eigener Protokolle. Mit zwei dieser flexiblen Kommunikationseinheiten lassen sich somit diverse Kombinationen an Schnittstellen auf der Feldebene verbinden. Zum Beispiel kann damit ein Steuerungssystem mit Profinet-IRT somit mit Ethercat nach unten erweitert werden.

Auf Feld- und Steuerungsebene sind die Kommunikationsschnittstellen ungesichert, da keine Anbindung an ein von außen zugängliches Netzwerk besteht. Soll die Gateway-Funktion mit einem offenen Netzwerkzugang erweitert werden, so steht für dessen Absicherung auf dem Baustein ein „Security“-Beschleuniger (Hardwarebeschleuniger für AES, SHA, RNG, DES and 3DES) zur Verfügung. Der sichere Zugang auf die Funktionen der Feldebene erfolgt über den Gigabit-Ethernet-Switch und Protokolle wie OPC UA. Auch das Zeitverhalten lässt sich durch die interne Synchronisation zwischen IEEE-Ethernet-Switch und den ICSS-Blöcken zu einem gewissen Grad nachbilden. „Da aber OPC UA auf einer Standard TCP/IP Netzwerklösung aufsetzt, ist das Echtzeitverhalten zur Kommunikation auf höhere Ebenen begrenzt“, gibt Leyrer zu bedenken.

Für die Hardware- und Softwareentwicklung gibt es eine Vielzahl an Optionen. Neben AM57xx-basierten Hardwareplattformen, die über Texas Instruments direkt angeboten werden, findet sich eine Linux-Open-Source-Variante auf der Internetseite beagleboard.org. Die Echtzeit-Protokolllösungen auf der Feldebene sind integriert in dem Industrial Software Development Kit (ISDK). Das Prozessor-SDK schließlich unterstützt ein RTOS und Linux mit vielen Treibern für die Peripherie und Beschleuniger.