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5G-Netze können den Weg zu digitalen Nervensystemen deutlich vereinfachen.

Bild: iStock, Polina Shuvaeva

Echtzeitfähiges Nervensystem Wie funktioniert COM-HPC in industriellem 5G-Umfeld?

29.08.2022

Die Digitalisierung der Industrie wird durch echtzeitfähige 5G-Kommunikation und Edge-Server-Technologie erheblich beschleunigt. Server-on-Modules nach dem COM-HPC Standard bieten hierfür ein gehärtetes Design, das einen Betrieb ohne klimatisierte Rechenzentren in harschen Produktionsumgebungen und bei rauen Wetterbedingungen im Freien ermöglicht.

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Mit dem Industrial Internet of Things (IIoT) soll ein digitales Nervensystem geschaffen werden, das physische Assets wie Produktionsanlagen, Maschinen und Transportfahrzeuge mit digitalen Steuerungs-, Ressourcenplanungs- und Logistikprozessen vernetzt. Infolge sollen Warenströme agiler dem Bedarf angepasst und die daraus entstehende Just-in-time-Logistik in Echtzeit gesteuert werden. Fertigungszellen, kollaborative Robotik und autonome Logistikfahrzeuge kommunizieren hierzu fortwährend miteinander und überall werden mit Hilfe von Sensoren und Vision-Systemen Daten gesammelt, die über eine lokale Echtzeit-Infrastruktur und Edge-Server mit Künstlicher Intelligenz ausgewertet werden.

Das Ziel ist, Entscheidungen zur Steuerung der weiteren Fertigungs-, Materiallogistik- und Predictive-Maintenance-Prozesse agil und automatisiert zu treffen. Hat man den digitalen Zwilling der realen Fabrik erst einmal geschaffen, kann man ihre Performance und Effizienz in Echtzeit steuern und optimieren. Augmented Reality unterstützt zudem die Fachkräfte und besonders Montagearbeiter über Datenbrillen, sodass mit Industrie 4.0 an allen Stellschrauben gedreht werden kann, um die Agilität, Effizienz und Qualität der Fertigung in Unternehmen zu erhöhen.

Neue industrielle Ära mit 5G

Industrie 4.0 Anwendungen erfordern jedoch enorm hohen Echtzeit-Datendurchsatz, wofür eine extrem leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur benötigt wird. Nicht alles kann dabei mit einer kabelgebundenen Infrastruktur realisiert werden. 5G-Netze können deshalb die digitale Transformation der Industrie immens beschleunigen, da man mit ihnen jedes Device in Echtzeit an das IIoT anbinden kann. 5G überbrückt hierzu größere Distanzen als WLAN und kann uneingeschränkt von einer großen Anzahl mobiler wie auch stationärer Endgeräte gleichzeitig genutzt werden, was eine vollständig vernetzte Fertigung ermöglicht.

Die 5G-Technologie bietet neben extrem kurzen Reaktionszeiten im Millisekunden-Bereich mit Network Slicing zudem eine leistungsstarke Virtualisierung für den parallelen Betrieb unabhängiger Netzwerkverbindungen auf der Basis eines einzigen physikalischen Netzwerkes. Nicht zuletzt liefert das 5G-Design auch die notwendige Infrastruktur für Cloud-native Architekturen, die auf echtzeitfähigen Edge-Servern (aka Fog-Servern) gehostet werden, um eine universelle Gerätekommunikation in oder rund um das Unternehmen zu ermöglichen.

Private 5G-Campusnetze

Der Bedarf in der Industrie, hierzu zu private Campusnetzen im 5G-Frequenzspektrum von 3,7 bis 3,8 GHz zu schaffen, wächst enorm, wie auch eine aktuelle Studie von MarketsandMarkets zeigt. Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Kompatibilität unterschiedlicher Mobilfunkstandards bietet hohen Investitionsschutz und ermöglicht langfristige Planung. Man ist in puncto des Netzausbaus aber vor allem auch nicht abhängig von Telekommunikationsprovidern und kann sein Netz bedarfsgerecht in Eigenregie ausbauen und hat ausschließlich eigenen Traffic im Netz. Damit ist eine eigene On-Premise-Infrastruktur einer Nutzung des öffentlichen Mobilfunknetzes klar überlegen.

Im 700-MHz-Frequenzband öffentlicher Basisstationen werden zwar Reichweiten von rund 15 bis 20 km erzielt. Mit einer solchen Abdeckung ermöglichen solche 5G-Funkzellen die vollständige Versorgung von großen Werksgeländen, wie zum Beispiel bei einem der größten deutschen Automobilhersteller, der damit seinen Standort in Wolfsburg komplett versorgen könnte – allerdings reichen die damit erzielbaren Datenraten von 100 bis 200 MB/s für die innovativen Industrie-4.0-Anwendungen in der digitalen Fertigung bei weitem nicht aus. Private 5G-Campusnetze bieten demgegenüber 100 bis 200 Mbit/s im Up- sowie rund 200 bis 1.000 Mbit/s im Downstream pro Zelle, wobei die Reichweite einer 5G-Mikrozelle allerdings auf etwa 300 m – bei direkter Sichtverbindung auf bis zu 3 km – beschränkt ist.

Für die vollständige Versorgung großer Produktionsstandorte ist damit in der Regel eine höhere Anzahl dieser Small Cells, die auch als Femtocells bezeichnet werden, erforderlich. Diese sind sehr klein und kompakt ausgelegt und entsprechen in ihren Abmessungen in etwa einem 15 Zoll Laptop (Small Cell) beziehungsweise einem Mini Tablet (Femtocell) ohne integrierte Edge-Servertechnologie. Die Erhöhung der Anzahl der Zellen steigert gleichzeitig jedoch die in Summe verfügbare Gesamtbandbreite. Zudem kann man über kostengünstigere Repeater die Reichweite einer Zelle vergrößern, sodass sich Performance und Bandbreiten bedarfsgerecht skalieren lassen.

Robuster 5G Edge Server

Verbindet man nun robuste Edge-Servertechnologie unmittelbar mit der Radio Access Network (RAN) Infrastruktur der 5G-Mikrozellen oder integriert sie sogar vollständig, lässt sich Echtzeit-Performance mit geringsten Latenzen realisieren. Auf einer einzigen Hardware-Plattform lassen sich hierzu beispielsweise in der 5G-CU (Centralized Unit) über Network Function Virtualization (NFV) sowohl die Edge-Serverfunktionalität wie auch die VNF (Virtual Network Functions) gemeinsam bereitstellen. Da sich die Anforderungen an den 5G-Edge-Server je nach Anwendung jedoch unterscheiden können, bieten Server-on-Modules ein flexibles Konzept zur Skalierung der Performance. Server-on-Modules nach dem neuen PICMG Standard COM-HPC erreichen hierzu bislang unerreichbare Leistungsdimensionen für Field-Deployments in rauem Industrie- und Outdoor-Umfeld.

COM-HPC-Module mit Intel Xeon D liefern beispielsweise bis zu 20 Cores, Arbeitsspeicher von bis zu 1 TB auf bis zu acht DRAM-Sockeln und mit 32 PCIe Gen 4 Lanes sowie bis zu 100 GbE-Konnektivität eine hohe Performancebandbreite. Für einen ersten initialen Aufbau eines Campus-Netzes mit Backhaul Packet Core Server sowie Midhaul CU und DU Server bräuchte man insgesamt nur fünf solcher Servermodule. Bislang musste man hierfür eine System- und Rack-Klimatisierung betreiben und konnte solche Server nicht im maschinennahen industriellen Umfeld positionieren. Die aktuell verfügbar gewordenen COM-HPC Module können jedoch bei Temperaturen von -40 bis 85°C betrieben werden, sodass vollständig auf eine aufwendige und ressourcenintensive Heiz- und Klimatechnik verzichtet werden kann. Sie sind dank BGA-bestückbarer Prozessoren zudem bestens vor Schocks und Vibrationen geschützt. Auch Staub und Kondenswasser sowie Spannungsschwankungen und elektromagnetische Interferenzen können ihnen nichts anhaben, sodass sie härtesten Einsatzbedingungen gerecht werden können.

In den neuen COM-HPC Prozessormodule ist zudem Time-Sensitive Networking (TSN) bereits nativ integriert. Ein erheblicher Vorteil, da so ein standardisierter Echtzeit-Datenaustausch und eine durchgängig transparente Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud möglich wird – zum Beispiel mittels OPC UA als offenem Echtzeit-Kommunikationsprotokoll. Das erfordert natürlich auch entsprechenden Support innerhalb der 5G-Core-Logik. Eine Arbeitsgruppe des ZVEI – die 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) – erarbeitet hierzu gerade entsprechende Spezifikationen zur Network Security, den Quality of Services (QoS) sowie zur TSN-Integration. Ziel ist eine im Idealfall jitterfreie isochrone Echtzeit mit fest getakteten Zykluszeiten in den Kommunikationsbeziehungen und einer wechselseitigen Synchronisation zwischen 100 µs bis 2 ms.

Cloud-Native-Virtualisierung

Sind die verteilten Maschinen über 5G an zentrale Edge Server angebunden, können mithilfe von Server-Balancing- und Server-Consolidation-Services auch mehrere Echtzeit-Anwendungen parallel und voneinander unabhängig auf nur einer einzigen Edge-Server-Plattform betrieben werden. Notwendig ist dafür die plattformseitige Unterstützung einer echtzeitfähigen Server-Virtualisierung. Real-Time Systems bietet hier zum Beispiel mit dem Echtzeit-Hypervisor eine geeignete Lösung, die Hardware-Ressourcen exklusiv einzelnen Prozessen beziehungsweise Virtuellen Maschinen zuweisen kann, um so das deterministische Verhalten sicherzustellen.

Auch die Server-on-Modules etwa von Congatec unterstützen diese Server­Virtualisierung, sodass Applikationsentwicklern und Systemintegratoren die technologische Grundlage geboten wird, zentrale Echtzeit-Kollokationsdienste für die Anlagenautomation, Fertigungssteuerung oder smarte Warenlogistik auf nur einem einzigen Server einrichten zu können. Unterstützen die 5G-Campusnetze dann auch Network Slicing mit garantierter Bandbreite, können diese virtuellen Sub-Kanäle des 5G-Netzes ebenso für die dedizierte Echtzeitanbindung der verteilten 5G-Devices genutzt werden.

COM-HPC-Module wird es zukünftig zudem auch mit einer Spezifikationserweiterung für Funktionale Sicherheit geben. Damit wird ihr Einsatz als zentraler Controller für die Steuerung kollaborativer Fertigungsroboter oder auch für autonome Intralogistikfahrzeuge wie Schlepper, Stückgutträger- oder Fließbandfahrzeuge möglich. So können Fabrikbetreiber Safety-Anforderungen einfacher erfüllen und SIL/ASIL-sichere Lösungen deutlich schneller umsetzen.

Füreinander geschaffen

COM-HPC Server-on-Modules eröffnen also ganz neue Perspektiven für die digitale Transformation in der Fertigung, indem sie neue Maßstäbe im Edge-Server-Design setzen. Angeboten werden sie selbstverständlich mit hochwertigen Server-Features: Für unternehmens- und sicherheitskritische Designs stehen leistungsstarke Hardware-Sicherheitsfunktionen wie Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption – Multi-Tenant (Intel TME-MT) und Intel Software Guard Extensions (Intel SGX) zur Verfügung. Umfassende Remote-Application-Server-(RAS)-Funktionalitäten werden zudem durch Remote-Hardware-Management-Funktionen wie IPMI und Redfish unterstützt, für die es auch eine PICMG-Spezifikation gibt, die die Interoperabilität solcher Implementierungen gewährleisten. Für individuelle Systementwicklungen und kundenspezifische Implementierungen bietet das Unternehmen Congatec auch Services – von Schulungen zu COM-HPC-Designs über persönlichen Integrationssupport bis hin zu Compliance-Tests kundenspezifischer Carrierboard-Designs.

Bildergalerie

  • Auf 20 Cores lassen sich vielfältige 5G-NFVs sowie industrielle Echtzeitanwendungen hosten.

    Bild: Congatec

  • Werden 5G-Zellen mit skalierbaren Server-on-Modules bestückt, können Betreiber die Performance ihrer 5G-Netzwerk- und Edge-Computing-Infrastruktur applikationsspezifisch skalieren.

  • Kundenspezifische Carrierboard-Designs für 5G-Mikrozellen können auch für den Einsatz an Laternenmasten auf dem Werksgelände ausgelegt werden.

    Bild: Congatec

  • Wird TSN über 5G unterstützt, können mehrere Echtzeit-Applikation auf einer einzigen Serverplattform gehostet werden.

  • COM-HPC-Server-Size-Module sind in fünf verschiedenen Intel-Xeon-D-27xx HCC -Prozessoren mit wahlweise 4 bis 20 Kernen erhältlich. Die acht DIMM-Sockeln hosten bis zu 1 TByte 2933 MT/s schnellem DDR4-Speicher mit ECC. An Schnittstellen sind 32x PCIe Gen 4 und 16x PCIe Gen 3 sowie 100 GbE-Durchsatz plus echtzeitfähigem 2,5 Gbit/s Ethernet mit TSN- und TCC-Unterstützung ausgeführt. Die Prozessorgrundleistung beträgt 65 bis 118 W.

    Bild: Congatec

  • Die COM-HPC Server Size D Module sowie auch Module nach dem etablierten COM Express Type 7 Standards werden mit 5 verschiedenen Intel Xeon D 17xx LCC Prozessoren mit wahlweise vier bis zehn Kernen ausgeliefert. Während das conga-B7Xl COM Express Server-on-Module bis zu 128 GB DDR4 2666 MT/s RAM über bis zu vier SODIMM-Sockel unterstützt, bietet das conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D Modul 4 DIMM-Sockel für bis zu 256 GB 2933 MT/s schnellen DDR4 RAM beziehungsweise 128 GB bei ECC UDIMM Ram. Beide Modulfamilien bieten 16x PCIe Gen 4 und 16x PCIe Gen 3 Lanes. Für schnelle Netzwerke bringen sie bis zu 50 GbE-Durchsatz und TSN TCC-Unterstützung über 2,5 Gbit/s Ethernet bei einer Prozessorleistung von 40 bis 67 W.

    Bild: Congatec

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