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Bild: iStock, wwing
Embedded

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Triebfeder für Industrie 4.0

Text: Lars Hohmuth, Harting
Embedded Systeme müssen heute mehr können als Daten sammeln, verarbeiten und weiterleiten. Neben der Kommunikation mit zentralen IT-Systemen ist im Zeitalter von Industrie 4.0 ein offener Ansatz der Plattform wichtig. Modulare Erweiterbarkeit mit individueller Hardware und die Anpassung mit frei verfügbarer Software sind gefragt.

Seit einigen Jahren gibt es gute und günstige Plattformen für embedded Entwicklung im Hobbybereich wie dem Rasp­berry Pi, der für 35 Euro als Computer für Ausbildungszwecke eine Revolution in der Maker-Szene einläutete; aber auch Systeme wie Arduino oder Beaglebone haben ihre Fans. Mit geringen Hardware-Kosten, offenen Entwicklungsumgebungen und frei erhältlichen Spezifikationen fanden diese Produkte auch weite Verwendung zum Prototyping oder der Konzeptentwicklung. Nach dem Prototyping steht allerdings eine zeitraubende Migration auf eine solide Hard- und Software an. Die Hardware ist nicht industrietauglich und verlangt von Entwicklern, sich um viele Implementationsdetails zu kümmern, die nicht in ihrem eigentlichen Fachbereich liegen.

Für diese und viele andere interne und externe Projekte hat Harting eine modulare Plattform aus Hard- und Software entwickelt, die für eine schnelle Entwicklung als auch die industrielle Anwendung in mittleren Stückzahlen ausgelegt ist. Besonderes Augenmerk wurde auf drei Aspekte gelegt:

  • industrietaugliche Hardware, die an neue und existierende Maschinen und Fahrzeuge eingebaut werden kann.

  • konfigurierbare Hardware, um kundenspezifische Fähigkeiten einfach und ohne Veränderung des Formfaktors und der Schutzklasse hinzufügen zu können.

  • eine stabile, robuste und offene Software-Umgebung, die es Entwicklern aus der Produktions- und IT-Welt erlaubt, schnell Projekte zu realisieren.

Modulare und industrietaugliche Hardware

Im Unterschied zur Hobby-Hardware ist die Harting IIC MICA (Integrated Industry Computer Modular Industry Computing Architecture) industrietauglich in einem kompakten Aluminiumgehäuse inklusive der üblichen Steckverbinder verbaut. Dadurch muss MICA nicht zwingend in den Schaltschrank, sondern kann direkt an Maschinen oder Fahrzeugen montiert werden. Das Innenleben von MICA besteht aus drei Platinen; eine lässt sich frei bestücken. Zum Beispiel werden so RFID, WLAN, Bluetooth LE oder Feldbusanschlüsse integriert, ohne den Formfaktor und die Schutzart zu verändern. Durch die USB-basierte Hardware-Architektur kann das Prototyping über normale USB-Peripherie erfolgen. Danach lässt sich ein angepasstes Hardware-Modul entwickeln und inte­grieren – das spart Zeit und Kosten.

Apps laufen virtualisiert

Auf der MICA kommt eine Virtualisierung mit Linux-Container zum Einsatz. Software-Apps laufen somit in abgekapselten Containern, die alle notwendigen Bibliotheken und Treiber für die jeweilige Anwendung enthalten. Zum Start der MICA-Lösung gibt es viele kostenlose Linux-Container für verschiedene Entwicklungsumgebungen: Java, Python und C/C++. Darüber hinaus sind Container für Industrie­anwendungen, Datenbanken oder Hadoop verfügbar. Die Softwarebasis der MICA kümmert sich um Haushälteraufgaben wie Containerverwaltung, Netzwerk­einstellungen, Authentifizierung, Installation, Upgrades und vieles mehr, sodass sich Entwickler auf ihre Algorithmen konzentrieren können.

Datenerfassung auf SSDs

Ein Beispiel für den Einsatz der MICA-Lösung kommt aus Österreich, wo ein mittelständischer Maschinenbauer zwischen 200 und 300 Anlagen pro Jahr herstellt. Deren Steuerungselektronik ist aber nur in der Lage, knapp drei Tage an Fertigungsdaten zu speichern. Speziell beim Einsatz im Ausland reicht im Fehlerfall diese Zeit nicht aus, um ausreichend Daten für das Servicepersonal vorzuhalten. Als Lösung kann hier eine MICA mit integrierter SSD eingebaut werden. Im Fehlerfall gibt der Kunde den Zugriff auf den Speicher frei und der Hersteller hat die Möglichkeit, Daten aus mehreren Monaten oder Jahren für die Fehlersuche zu analysieren.

Predictive Maintenance

Das rechtzeitige Erkennen von Wartungsbedarf ist eine der schnellsten Wege, Produktionsanlagen effektiver zu betreiben. Da viele Maschinen eine Lebensdauer von 15 bis über 30 Jahren haben, besitzt ein großer Teil des existierenden Maschinenparks keine Möglichkeit zur Erfassung und Weiterverarbeitung relevanter Daten. In einer Anwendung für Spritzgussanlagen zum Beispiel wurden die Werkzeuge mit RFID gekennzeichnet, der Strom während der Schüsse durch einen induktiven Stromsensor gemessen, und die Ergebnisse in der MICA zusammengeführt, gespeichert und weiterverarbeitet. Im ersten Schritt löst das System nun eine Warnung aus, wenn sich der Stromverbrauch ändert, was auf Probleme mit den Ventilen oder dem Drucksystem deutet. Schon hierdurch lassen sich die Austauschintervalle verlängern und Kosten sparen. Nach einigen Monaten wird ein neuronales Netzwerk mit den erfassten Daten trainiert, um bessere Vorhersagen über die Lebensdauer zu ermöglichen. Im letzten Schritt können die MICAs an das ERP angebunden werden.

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