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Informations- & Kommunikationselektronik Vom Feld direkt in die Cloud

09.03.2016

Das Internet der Dinge vernetzt bisher getrennte Feldgeräte. Viele von ihnen sind allerdings nicht für eine solche Vernetzung ausgelegt. Abhilfe schaffen speziell dafür entwickelte Embedded-Boards.

Industrie 4.0 und das Internet of Things (IoT) bieten neue Geschäftsmodelle, wie vorbeugende Wartung, Warenflusskontrolle oder Prozessoptimierung. Dazu soll für jedes Feldgerät eine virtuelle Repräsentanz entstehen. Außerdem müssen alle relevanten Daten an einen zentralen Speicherort, meist als die Cloud bezeichnet, zur Weiterverarbeitung gelangen. Aktuelle Feldgeräte sind dafür allerdings noch nicht ausgelegt.

Forderungen an Feldgeräte

Bei näherer Betrachtung erkennt man, dass sich für Feldgeräte zwei Forderungen ableiten lassen. Erstens Automatisierungsgeräte an die Cloud anzubinden, das heißt Kommunikation zwischen Feldebene und Cloud herzustellen, und zweitens Informationen in den Geräten zu erzeugen. Der Begriff Cloud steht dabei stellvertretend für verschiedene Formen, wie private und öffentliche Cloud und Mischformen davon. Nicht jede Cloud hat etwas mit dem Internet zu tun. In der Fabrikautomation werden sinnvollerweise private Clouds oder Hybridformen verwendet.

Die in der zweiten Forderung verlangten Informationen, gehen über reine Eingabe/Ausgabe-Daten hinaus. Wichtig sind zum Beispiel Diagnose-, Analyse- oder Zustandsdaten des Geräts. Diese Informationen sollen dann, in einer einheitlichen Semantik, in Objekten zusammengefasst werden, die von der Cloud-Applikation ausgewertet werden können. Gerade der Semantik kommt eine besondere Bedeutung zu. Die so gesammelten Daten sind die Grundlage für alle weiterführenden Dienste und Geschäftsmodelle.

IoT beginnt im Feldgerät

Für die IoT-Kommunikation vom Feldgerät in die Cloud gibt es vielversprechende Kandidaten und mit OPC UA und MQTT bieten sich bewährte Technologien an. Interessant ist die Frage, wo die IoT-Kommunikation ansetzt. Sollen die Daten wie gewohnt per Real-Time-Ethernet in einen Datensammler oder eine Steuerung geschickt werden und von dort in eine Cloud? Oder gelangen sie direkt vom Feldgerät per OPC UA oder MQTT über einen Edge-Gateway in die Cloud?

Aus der Sicht von Hilscher beginnt die IoT-Kommunikation bereits im Feldgerät. Sie erfolgt parallel zur Real-Time-Ethernet-Kommunikation über das gleiche physikalische Medium. Die Informationen gelangen so ohne Umweg in ein Edge-Gateway oder direkt in die Cloud.

Für eine einheitliche Semantik der Daten muss bereits im Feldgerät einObjektmodell etabliert sein. Das ermöglicht eine homogene Datenstruktur vom Feldgerät bis in die Cloud. Idealerweise ist diese Objektdarstellung unabhängig vom benutzten Echtzeitprotokoll und bereits in der Kommunikationseinheit des Geräts, beispielsweise einem Embedded Modul, implementiert.

Aktuelle Feldgeräte sind häufig noch nicht für diese Anforderungen ausgelegt. IoT-Kommunikation wird sich erst sukzessive in der Fabrikautomatisierung etablieren. Entweder per neuartiger Cloud-Applikation von oben nach unten oder durch IoT-fähige Feldgeräte von unten nach oben. Ein erfolgreiches IoT-fähiges Kommunikationsmodul, zur Integration in Feldgeräte, muss deshalb neben der gewünschten IoT-Kommunikation, auch einen Pfad zum Upgrade von Bestandsanlagen besitzen.

IoT-fähiges Modul für das Feld

Wie IoT-fähige Embedded Systeme aussehen könnten, zeigt die DIL-32 Kommunikationsbaugruppe NetIC IoT von Hilscher. Sie basiert auf dem Multiprotokoll-Chip NetX 52, beinhaltet Real-Time-Ethernet-Kommunikation, einen integrierten OPC-UA-Server und einen MQTT Client. Über den TCP/IP-Kanal des Real-Time-Ethernet-Protokolls, wie zum Beispiel Profinet oder Ethernet/IP, kann an der SPS vorbei auf die Daten des Feldgeräts zugegriffen werden. Das ist entweder von einem beliebigen OPC-UA-Client im Ethernet Netzwerk aus möglich oder die Daten werden per Push-Mechanismus an einen MQTT Broker gesendet.

Unabhängige Schnittstelle

Das zentrale Kernstück des NetIC IoT ist die Netproxy-Technologie. Jedes Netzwerksystem bietet spezifische Dienste an, auf die die Programmierung der Geräte ausgerichtet werden muss. Das erfordert ein tiefes Verständnis der Funktionsweise des jeweiligen Netzwerksystems und verursacht mit jedem neuen Netzwerk zusätzlichen Aufwand in der Gerätesoftware. Hier setzt die Netproxy-Technologie an.

Der Grundgedanke von Netproxy ist es, eine geräteorientierte Objekt- und Dienstschnittstelle zwischen Applikation und Kommunikation zu erstellen. Diese Abstraktionsschicht ermöglicht mit wenigen, einfachen Diensten den zyklischen, beziehungsweise azyklischen Datenaustausch. Die Komplexität der Netzwerkprotokolle ist somit unwichtig. Der Gerätehersteller muss nur noch die generische Objekt-Schnittstelle in seine Applikation einbinden und Netproxy setzt die Objekte selbstständig in entsprechende Netzwerkdienste um. OEMs können ihre Geräte somit losgelöst von protokollspezifischen Anforderungen erstellen und erhalten ein echtes Multiprotokollgerät.

Mit Netproxy lässt sich auch bereits im Feldgerät jedwede Semantik nachbilden. Sollte sich zum Beispiel eine einheitliche Definition der Inhalte und Formate auf dem Markt herausbilden, kann diese auf Basis von Netproxy nachgerüstet werden.

Tool erleichtert das Design

Die Arbeit mit dem NetIC wird zusätzlich durch das Engineering Werkzeug NetX Studio erleichtert. Es führt Entwickler durch den kompletten Konstruktions-Prozess eines Geräts. Das Tool hilft bei der Erstellung von Objekt-Bibliotheken für Gerätefamilien und dem spezifischen Objektmodell des Produkts. Durch die Vergabe von Attributen erfolgt das Mapping der einzelnen Objekte auf das Kommunikationsprotokoll zum größten Teil automatisch. Definiert werden kann außerdem, welche Objekte man für die IoT-Kommunikation über OPC UA oder MQTT, beziehungsweise den produktspezifischen WebServer, nutzt und welche Objekte nur für die Real-Time-Ethernet-Kommunikation sichtbar sein sollen. Auch das Pinning des NetIC IoT lässt sich flexibel anpassen. Gewählt werden kann zwischen PIOs-, UART-, SPI-, I2C- und einer CAN-Schnittstelle.

Bestehende Feldgeräte, die das NetIC als Kommunikationseinheit nutzen, lassen sich durch das flexibel konfigurierbare Pinning um IoT-Kommunikation erweitern. Für dieses Upgrade gibt es einen Pin-kompatiblen Modus. Dadurch spart man sich ein neues Hardware-Design. Stattdessen muss lediglich die Softwareapplikation um das generische Objektmodell erweitert werden.

Möglich ist auch der Einsatz des NetIC IoT in Multiprotokollgeräten mit einer 50 MHz schnellen SPI-Host-Schnittstelle. Damit sind Gerätehersteller bestens für Industrie 4.0 und das IoT gerüstet, ohne die Investitionssicherheit der Produktentwicklung zu gefährden. Sie entscheiden selbst, wann und für welche Daten sie die OPC-UA-, beziehungsweise MQTT-Funktion, aktivieren.

Bildergalerie

  • Um sie für das IoT sinnvoll nutzen zu können, müssen Feldgeräte in der Lage sein, Informationen vor Ort zu sammeln und diese in die Cloud zu übertragen. Sicherstellen lässt sich das mit Embedded-Modulen, wie dem NetIC IoT von Hilscher.

    Bild: Hilscher

  • Das Engineering-Tool NetX Studio erleichtert die Konstruktion von IoT-Geräten.

    Bild: Hilscher

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