Der modulare Hutschienen-PC H1-A3 passt mit einer Breite von nur 124 mm (7 TE) unter die Hutschienen-Normabdeckung.

Bild: MSC Technologies

Internet der Dinge x86 im Elektroschrank

21.10.2015

Die Gebäudeautomatisierung verspricht als eines der interessanten Anwendungsgebiete des Internet of Things für die nächsten Jahre ein enormes Marktpotenzial. Die Industrie setzt bei der Entwicklung hochintelligenter Lösungen auf kostenoptimierte, standardisierte Komponenten und Rechnersysteme, die schnell und einfach im Elektro- oder Schaltschrank einzubauen sind. Voraussetzungen sind unter anderem eine stromsparende Prozessortechnologie und eine einfache Vernetzbarkeit aller Module.

Der nachhaltige und sorgsame Umgang mit den knappen Energieressourcen ist ein wichtiger Bestandteil des Managements industrieller und öffentlicher Gebäude. Die Basis für mehr Transparenz beim Energiebedarf ist eine intelligente Leittechnik, die die Erfassung und Zuordnung vielfältiger Daten der unterschiedlichen Verbraucher ermöglicht. Der Energieverbrauch kann dann über ein zentrales Schalt-Panel den aktuellen Anforderungen angepasst werden. Die Zählerdaten lassen sich in einer zentralen Datenbank speichern und auswerten. Um den Anreiz aller Nutzer zum Energiesparen zu verstärken, können die aktuellen Verbrauchswerte für Wärme, Strom und Gas beispielsweise über ein zentral installiertes, großflächiges Display dargestellt werden.

Eine weitere Komponente zum nachhaltigen, energieeffizienten Gebäudebetrieb schafft das Einbeziehen von Wetterdaten und -vorhersagen. Die unterschiedlichen Maßnahmen umfassen unter anderem ein temperaturtrendgesteuertes, präventives Vorheizen, wodurch die eingespeiste Energie in der Summe wesentlich reduziert werden kann. Dieser Punkt ist besonders beim Einsatz erneuerbarer Energien wichtig, da diese Systeme lange Vorlaufzeiten benötigen. Bei kurzfristigem Wärme- oder Kältebedarf muss bei Nutzung der Erdwärme oder der Solarenergie in der Regel mit kostenintensiver Sekundärenergie, wie Strom oder Fernwärme, ergänzt werden.

Eine intelligente Gebäudeautomatisierung als wichtiger Bestandsteil des technischen Facility-Managements leistet natürlich noch mehr. Beispiele dafür sind eine bedarfsgerechte Beleuchtung und Regelung von Markisen sowie die Steuerung von Multimediageräten. Hinzu kommt der Einsatz von intelligenten Zutrittskontrollsystemen und Alarmanlagen zur Gewährleistung der Sicherheit des Gebäudes. Das Ziel ist, Funktionsabläufe nach vorgegebenen Einstellwerten automatisch durchzuführen oder deren Bedienung bzw. Überwachung zu vereinfachen. Alle Sensoren, Aktoren, Bedienelemente, Verbraucher und andere technische Einheiten im Gebäude sind miteinander vernetzt.

CoMs in der Gebäudeautomation

Heute kommen in modernen Gebäudeautomatisierungssystemen in der Regel industrielle Rechner zum Einsatz, die kundenspezifisch entwickelt wurden. Der Nachteil sind ihre langen Designzeiten und hohen Entwicklungskosten. Das Herzstück der robusten IPCs sind in vielen Fällen kompakte Embedded-Module, die auf ARM- beziehungsweise Freescale-Technologie basieren und mit relativ hohem Aufwand programmiert werden müssen.

Kostenoptimierte Lösungen sind flexibel konfigurierbare Industrie-Rechnersysteme auf der Basis von standardisierten Computer-on-Modules (CoMs). Zum Einsatz kommen in der Gebäudeautomatisierung vor allem skalierbare Low-Power-Prozessortechnologien wie beispielsweise die Intel-Atom-Plattform. Die Softwareentwicklung kann auf Windows oder Linux aufsetzen.

Die Intel-Atom-E3800-Familie bietet im Vergleich zum Vorgängermodell deutlich mehr Rechen- und Grafikleistung bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch. Die Prozessoren mit integrierter Grafik basieren auf einer 22-nm-Prozesstechnologie mit 3D-Tri-Gate-Transistoren. Erstmals bietet Intel neben Single- und Dual-Core-Intel-Atom-Prozessoren auch leistungsfähige Versionen mit vier Kernen an. Die Quad-Core-CPU E3845 wird mit 1,91 GHz getaktet, die Thermal Design Power (TDP) liegt bei 10 W.

Wie bereits von den hochleistungsfähigen Intel-Core-Prozessoren der vierten Generation bekannt, bieten die Atom-Prozessoren neben der Integration einer leistungsfähigen Grafik eine Erweiterung der Mikroarchitektur, eine Out-of-Order-Execution und ein verbessertes Power Management. Die Turbo Boost-Technologie erlaubt es, einzelne Cores wie auch die Grafik höher zu takten, sodass sich bei Bedarf die Spitzenleistung steigern lässt. Die in den Single-Chip-Bausteinen integrierte Intel-Gen-7-Graphics verfügt über eine hochauflösende 3D-Funktionalität und bietet eine Hardware-Codierung und -Decodierung von HD-Videos verschiedener Komprimierungs-Standards. Support für DirectX 11, OpenCL 1.1 und OpenGL 3.2 ist in Hardware vorhanden. Die Prozessorplattform unterstützt zahlreiche Stromsparmodi und Intels Speedstep-Technologie.

Sicherheit eingebaut

Die implementierte VTx-Virtualization-Technologie und eine Built-in Security-Engine sorgen für ein hohes Maß an Datenintegrität und Zuverlässigkeit für Geräte in der Gebäudeautomatisierung. Der Intel-Atom-Prozessor-E3800 bietet zudem eine Reihe von Sicherheitsmechanismen, die vor unerlaubtem Zugriff von außen schützen. Einige Funktionen sind direkt im Chip integriert, andere können per Software aktiviert werden. Mit den Intel-Advanced-Encryption-Standard New Instructions (AES-NI) zur Datenverschlüsselung lassen sich beispielsweise die zu übertragenden und gespeicherten Daten in Echtzeit verschlüsseln, ohne die CPU zu belasten.

Die Anforderungen an die in der Gebäudeautomation zum Einsatz kommenden Rechnersysteme sind sehr hoch. Die IPCs müssen für das industrielle Umfeld robust ausgelegt sein und äußerst zuverlässig im 24/7-Betrieb möglichst wartungsfrei arbeiten. Dies setzt eine hohe Qualität des Rechners und aller darin verbauten Komponenten voraus. Über LAN muss einen Remote-Zugriff möglich sein. In vielen Anwendungen sollen die Industrie-PCs lüfterlos und passiv gekühlt arbeiten sowie ohne bewegliche Teile wie rotierende Massenspeicher auskommen. System-Monitoring, Watchdog und ein effektives Power Management sorgen zusätzlich für eine hohe Zuverlässigkeit. Darüber hinaus ist eine lange Lieferbarkeit des Produkts von Bedeutung, da die Installationen in der Regel mehrere Jahrzehnte im Einsatz sind.

Der reibungslose Betrieb lässt sich nur sicherstellen, wenn die Datensicherheit der Kommunikation und der Schutz der Hardware gegen Spionage- und Hacker-Angriffe von außen gewährleistet sind. Bereits heute verfügen die eingesetzten Embedded-Module standardmäßig über spezielle Security-Features und können damit wesentlich zur Systemsicherheit des Systems beitragen.

Als Hardwareplattform für die Gebäudeautomatisierung bietet sich ein kompakter Hutschienen-PC an, der dort eingebaut wird, wo alle Kabel unterschiedlicher Bussysteme und Protokolle zusammenlaufen: im Schaltschrank oder Elektroschrank beziehungsweise Elektroinstallationsverteiler. Auf der integrierten, nach DIN 43880 genormten Hutschiene mit einer Teilungseinheit (TE) von 17,5 mm lassen sich die PCs schnell und einfach montieren. Die Vorteile sind eine schnelle Inbetriebnahme und eine leichte Austauschbarkeit bzw. schnelle Anpassbarkeit des Systems an unterschiedliche Anforderungen. Der Hutschienen-PC H1-A3 der Marke DSM Computer von MSC Technologies passt mit einer Breite von nur 124 mm (7 TE) ideal unter die Hutschienen-Normabdeckung. Das robuste Aluminiumgehäuse weist eine Höhe von 90 mm und eine Tiefe von 41 mm (55 mm mit Kühlrippen) auf.

Flexible Einsatzmöglichkeiten

In kleinen Anlagen und Gebäuden kann der Hutschienen-PC als Server, bei größeren Applikationen als Client eingesetzt werden. Ein Rechner ist in der Lage, bis zu 500 Knoten direkt zu verwalten. Auf die verschiedenen Knotenpunkte, wie z. B. Energieversorgung, Sicherheit (Bewegungsmelder, Alarm, Brandmelder), Visualisierung und SPS-Ankopplung, greift die Leitstand-Software zu. Eine hohe Flexibilität ist durch das offene Schnittstellenkonzept gegeben. Die Anlagenbedienung erfolgt auf einem lokalen PC oder per Internetbrowser über Netzwerk und/oder über jeden Internet-Zugang.

Zur Gebäudekommunikation werden die verteilt installierten Server und Clients über Ethernet TCP-IP vernetzt. Deshalb verfügen zahlreiche Hutschienen-PCs bereits standardmäßig über schnelle GBit-LAN-Schnittstellen zur Datenübertragung via Ethernet. Über die USB3.0- bzw. USB 2.0-Schnittstelle kann mittels Umsetzer direkt auf typische Anlagenschnittstellen wie M-Bus, KNX, LON, BACnet, MOD Bus oder Profibus zugegriffen werden. Zusätzlich sind serielle RS232- und RS485-Anschlüsse vorhanden.

Ist eine breitere Auswahl an Schnittstellen gefordert, bietet sich ein energieeffizienter Box-PC an, z.B. das Modell EN-A3 der Marke DSM Computer von MSC Technologies. Mit Abmessungen von 200 mm x 200 mm x 51 mm lässt er sich einfach im Schaltschrank verbauen. Dank der geringen Verlustleistung der integrierten Atom-Prozessoren arbeitet der IPC im gesamten Betriebstemperaturbereich von 0 bis 45 °C ohne Lüfter. Das hochwertige Industriegehäuse fungiert als Kühlkörper. Zahlreiche, gängige Schnittstellen wie USB 3.0 und USB 2.0 Ports, GigaBit-LAN-, serielle Anschlüsse (RS232, RS232/422/485), Audio und Serial ATA sorgen bei dem Box-IPC für eine sichere, drahtgebundene Kommunikation zu anderen Geräten. Zusätzlich lässt sich das System um Wireless-Funktionalität erweitern. Darüber hinaus stehen Grafikausgänge via VGA, DVI-D oder DisplayPort bereit.

Mehr Flexibilität bietet ein skalierbares Embedded-System, das eine unterschiedliche Anzahl an freien Steckplätzen zur Verfügung stellt. Für Systemerweiterungen verfügt z.B. der NanoServer N1-A3 der Marke DSM Computer von MSC Technologies über einen freien PCI-Express-x16-Steckplatz für kurze Karten und intern ein Mini-PCI-Express-x1-Slot. Im robusten Industriegehäuse ist Platz für eine 120 GB große oder sogar größere mSATA-SSD (SATA III). Optional lassen sich bis zu zwei 2,5-Zoll-HDDs/ -SSDs einbauen, wobei ein Laufwerk den PCI Express-Steckplatz belegt.

Zur Realisierung von intelligenten Lösungen im Bereich Gebäudeautomatisierung steht heute eine große Auswahl an kostengünstigen, standardisierten Rechnern zur Verfügung. Die kompakten Industriesysteme mit stromsparender Prozessortechnologie lassen sich schnell und kostenoptimiert im Elektro- oder Schaltschrank verbauen.

Bildergalerie

  • Das energieeffiziente Embedded-System EN-A3 mit Gehäuseabmessungen von 200 mm x 200 mm x 51 mm ist für vielfältige Aufgaben geeignet.

    Bild: MSC Technologies

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