Offene Computing-Plattform für den Schaltschrank
Auch für komplexe Aufgaben geeignet
Im Zeitalter der Digitalisierung und des IIoTs mausert sich der Schaltschrank immer mehr zu einem Hort für Edge-Intelligenz mit offenen, frei programmierbare Edge-Computing-Plattformen. Zunehmend attraktiv sind hierfür Lösungen auf Basis des Raspberry-Pi Ökosystems, das aus einem gemeinnützigen Projekt der gleichnamigen Foundation heraus entstanden ist. STV Electronic hat diese Prozessortechnologie in einen multifunktionalen und schaltschranktauglichen Hutschienen-PC gepackt.
Der Raspberry Pi 3 B+ basierte Hutschienen- PC Smart Manager 4.0 für den Schaltschrank macht es OEM und Systemintegratoren leicht, selbst komplexe Aufgaben in der Steuerungstechnik und Gebäudeautomatisierung mit Open Source basierter Hardware und Software umzusetzen. (Bild: STV Electronic GmbH)
Der Schaltschrank ist schon seit längerem nicht mehr nur ein zentrales „Umspannwerk“ für die verschiedensten Strom- und Signalleitungen. Durch die zunehmende Digitalisierung und das IIoT ist das sogenannte Edge-Computing, also eine lokale Intelligenz am Rande des Internets hin zum Feld der neue Megatrend. OEMs und Systemintegratoren suchen daher nach Lösungen, eine solche Edge-Intelligenz direkt in den Schaltschrank zu integrieren. Sie wollen IP-Technologie mit zentralen Dashboards sowie Management- und Maintenance-Clouds nahtlos anbinden. Auch die Integration passender Edge-Logik vor Ort wird dadurch möglich. Diese muss frei programmierbar sein, um dem wachsenden Bedarf nach Smartphone-basiertem Zugriff auf Daten, Systemzustände und die Steuerung der angeschlossenen Devices 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
Wichtig ist für OEMs und Systemintegratoren eine Lösung zu erhalten, die flexibel und kostenoptimiert in den Schaltschrank integriert werden kann. Eine ideale Lösung können Plattformen auf Basis des neuen, leistungsoptimierten Raspberry Pi 3 B+ sein. Sie sind mit einer quelloffenen Linux-Distribution ausgestattet und können an spezielle Bedürfnisse angepasst werden. Somit hat man auch bei der Installation weiterer Software wie Entwicklungsumgebungen oder Automatisierungsanwendungen, die auf solchen Edge-Zentralen für beispielsweise die Gebäudeautomation und Steuertechnik zum Einsatz kommen sollen, nahezu keine Einschränkungen. Worin liegen aber die spezifischen Vorteile eines Ansatzes mit Raspberry Pi?
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. (Bild: STV Electronic GmbH)
Vom gemeinnützigen Lehrobjekt zur Industrieplattform
Im Jahre 2012 wurde der Raspberry Pi in seiner ursprünglichen, ersten Version für Lehrzwecke als besonders kostengünstige und dennoch vollständige OpenSource-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 verkaufti, 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 eine Raspberry PI als Basis für den Nachbau des Mars-Rovers nutzt. Nun macht sich der Minicomputer auf, auch industrielle Einsatzbereiche zu erobern. STV Electronic ist dabei einer der ersten Hersteller, der mit dem Smart Manager 4.0 eine industrietaugliche Version des Mini-Computers im Portfolio hat.
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 in verschiedensten vertikalen Märkten 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 °C bis +55 °C im Schaltschrank innen wie außen ohne aktive Lüftung oder gar Schaltschrankklimatisierung auskommt, was hilft signifikant Betriebskosten zu sparen. Zum Arbeitsspeicher von 1 GB LPDDR2 SDRAM kann der STV Smart Manager 4.0 wahlweise mit 8, 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 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 10 Jahre an, was eine weitere wichtige Voraussetzung für elektronische Komponenten im industriellen Einsatz ist.
Dank seiner geringen Einbautiefe von 62,2 mm, kompakten Breite von 6TE (108 mm) und den oben zur Feldebene und unten liegenden PCSchnittstellen findet der Raspberry Pi Rechner Smart Manager 4.0 in jedem Schaltschrank Platz. (Bilder: STV Electronic GmbH)
Schnittstellenvielfalt und flexibler Einbau
An Kommunikationsschnittstellen bietet der Smart Manager 4.0 bis zu 2x Fast Ethernet, 6 x 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. Hier findet der Smart Manager 4.0 durch sein mit nur 62,2 mm sehr flach ausgelegtes Hutschienengehäuse selbst in den Unterputz-Kleinverteilerkästen nach DIN 43880 Platz, die Einbautiefen von maximal 70 mm erlauben. Über seinen von 12 Volt bis 30 Volt 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
Maximale Flexibilität bietet der Smart Manager 4.0 auch bei der Wahl der gewünschten Programmierungs-, Steuerungs- oder Automatisierungsplattformen. Dazu bietet STV seinen Hutschienen-PC applikationsfertig mit passgenau zerschnittenem 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. Oder man installiert sich eine Gebäudeautomationsplattform wie FHEM und openHAB zur Steuerung der Peripherie. Oder verwandelt den Mini-PC mit Mosquitto in einen MQTT-Broker. 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 aber auch STV 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.
