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Sonnenaufgang für x86-Rechner

Vernetzt zum Industrial Internet of Things

Sonnenaufgang für x86-Rechner

Mit Internet of Things-Anwendungen reduzieren Industrieunternehmen schon heute ihre Kosten, erhöhen ihre Flexibilität und erschließen neue Märkte. Dennoch steht die Entwicklung noch am Anfang. Gleichsam steigt mit dem Wissen um erfolgreiche Praxisbeispiele das Interesse am Konzept Industrial IoT weltweit. Rechner in x86-Architektur helfen mit ihrer Kompatibilität und ihren Standardkomponenten dabei, den Wandel zum vernetzten Unternehmen Schritt für Schritt vollziehen zu können.



Bild: Moxa Europe GmbH

Den Kern eines Internet of Things bildet die Vernetzung aller Geräte – koordiniert durch zentrales Management, das Senden von Daten an ein Kontrollzentrum und die Analyse von Daten, um aus ihnen nützliche Informationen zu gewinnen. Diese Konzepte werden in der Industrieautomation bereits erfolgreich umgesetzt, da es hier weitreichende Möglichkeiten zur Verbesserung von Effizienz, Sicherheit, Betriebs- und Wartungskosten gibt. Allerdings erst dann, wenn die zahlreichen Hardware-Controller, Sensoren und weiteren Geräte intelligent miteinander und mit dem Personal kommunizieren und sich koordinieren können. Um die Effizienz und Produktivität der Fertigung zu erhöhen, wurden die Steuerungen in der Industrieautomation lange Zeit hauptsächlich in ihrer Genauigkeit und Sensitivität verbessert.

Im Gegensatz zu vielen neuen Systemen legten viele Systemhersteller wenig Wert auf die Datenerfassung, Datenanalyse und die Kommunikation zwischen Geräten. In Konsequenz basiert eine große Menge an industriellen Automatisierungsanlagen auf einfacher Hardware wie SPSen. Heutzutage suchen produzierende Unternehmen nach neuen Wegen, um den Fabrikbetrieb kostengünstiger zu gestalten. Es findet ein Wandel hin zu dezentraler Datenerfassung und Verwaltung statt und dieser Trend macht die Kommunikation ebenso wichtig wie die Steuerung selbst. Bei fertigungsnahen IoT-Anwendungen wird oftmals auch von einem Industrial Internet of Things gesprochen, kurz IIoT. Das IIoT verändert die Anforderungen an die Hardware, die Entwickler und die Systemintegratoren drastisch. Dazu kommen hohe Kosten für die Vernetzung aller Geräte, die Interoperabilität mit bestehenden Geräten sowie eine Unmenge an Daten, die Netzwerke und Prozessoren überfordern können. Außerdem gilt es begrenzte Platzverhältnisse in Schaltschränken und hohe Temperaturen zu berücksichtigen, die kritische Komponenten außer Gefecht setzen können.

Zwei Welten der Industrieautomation

Die klassische Automatisierungstechnik gerät durch Technologien aus der IT-Welt immer stärker unter Druck, es ist zu erwarten, dass sie über kurz oder lang von ihnen verdrängt werden. Aktuell lässt sich die Industrieautomation in der Praxis in zwei Klassen einteilen: Die traditionellen Systeme, welche stark auf proprietäre Hardware setzen und die neueren Systeme, die auf Informationstechnologie basieren und mehr allgemeine Computer-Hardware nutzen. Die ursprüngliche Industrieautomation setzt seit langem SPSen, Programmable Automation Controllers (PACs) und Fernbedienungsterminals (RTUs) für die Steuerung und Datenerfassung ein. Es ist jedoch zu beobachten, dass der Absatz von Industrie-PCs zulegt. Ihr Anteil im industriellen Steuerungshardware-Markt soll laut IHS Technology bis 2017 um 18 Prozent wachsen, während der Marktanteil von SPSen und PACs im gleichen Zeitraum sinken soll. Ein Grund dafür ist, dass viele Anwender die Kommunikationsfähigkeit ihrer Geräte verbessern und die Rechenleistung erhöhen wollen. Diese wird benötigt, um etwa in IIoT-Anwendungen aus den ständig wachsenden Pool an Daten nützliche Informationen gewinnen zu können. Dafür sind IPCs sehr gut geeignet.

Mit Standardhardware automatisieren

In der IT-basierten Industrieautomation, in der Datenanalyse und der Kommunikation zwischen Geräten eine größere Rolle spielt, tendieren viele Anwender derzeit dazu, SPSen, PACs und RTU durch IPCs zu ersetzen. Viele dieser Geräte rechnen schneller und kosten weniger, insbesondere wenn PC-Standardtechnologie verbaut wird. Es findet außerdem eine Veränderung beim Fachkräftenachwuchs statt – junge Programmierer, die in die Industrie einsteigen, haben meistens mehr PC-, als Automationshintergrund, da meist in weiten Teilen auf x86-Computern ausgebildet wird und auch zuhause in der Regel Systeme mit dieser Architektur genutzt werden. Dafür ist der Nachwuchs umso mehr mit dem Computer als Teil des täglichen Lebens vertraut.



Die Datenmenge, die jedes Jahr erstellt und kopiert wird, wächst schnell: 2013 waren es nach der IDC/ EMC Digital Universe Studie 4,4 Trillionen Gigabyte. Bis 2020 soll sich dieser Wert verzehnfachen auf 44 Trillionen Gigabyte. Derzeit werden nur aus 22 Prozent dieser Daten nützliche Informationen generiert – dieses Ratio soll innerhalb des nächsten Jahrzehnts angehoben werden. Bild: Moxa Europe GmbH


90 Prozent der Investitionen in erneuerbare Energien fließen in die Solar- und Windenergie. Kraftwerksbetreiber und Anlagenbauer arbeiten weltweit daran, die dezentralen Einrichtungen mittels IIoT-Technologie kostengünstiger und sicherer zu machen. Bild: Moxa Europe GmbH

Die Datenflut dezentral bewältigen

Echtzeitfähige Businesssoftware wie ERP- und MES-Anwendungen befähigen die Mitarbeiter, Entscheidungen schneller zu treffen. Damit lassen sich auf vielen Ebenen Kosten senken und Verluste verhindern. Dazu müssen Anwender jedoch über Systeme verfügen, die große Datenvolumina mit minimaler Latenz verarbeiten können. Gängigen Infrastrukturen sind in IIoT-Anwendungen dabei Grenzen gesetzt: Feldgeräte können nun so viele Daten erfassen, dass die bisherige Herangehensweise, Daten stapelweise und in geplanten Intervallen zu verarbeiten, oft nicht mehr ausreicht. Die Netzwerke und Computersysteme werden von den Unmengen an Daten auf dem Weg zum Kontrollzentrum schlicht überladen. Mit der Vorverarbeitung von Daten lässt sich Nutzloses bereits nahe ihrer Quelle aussortieren, damit sie das Netzwerk nicht verstopfen und Mitarbeiter nicht von ihren zentralen Aufgaben ablenken. Daher dürfte es zu einer zentralen Funktion von IIoT-Anwendungen werden, Daten in Echtzeit und am Rand des Netzwerks zu verarbeiten. Auch für diese Aufgabe bringen viele industrietaugliche PCs die passende Hardware mit.

Beispiel aus der Stromerzeugung

Die Energiewirtschaft ist einer der Hauptinteressenten an IIoT-Technologien. Angesichts der globalen Sorge über den Klimawandel sind erneuerbare Energien auf dem Vormarsch, wobei 90 Prozent der weltweiten Investitionen in regenerative Energie derzeit in Wind- und Solarparks fließen. Diese Anlagen erfordern fortlaufende Datenverarbeitung etwa für sich dynamisch anpassende Winkel von Solar-Panelen und Windradflügeln.

Ein x86-Computer ist wohl das sinnvollste Gerät für die Lösung dieser Aufgaben, denn er kann die hohe Rechenleistung bieten, über die RISC-Computer kaum verfügen. Sie reicht aus, um große Mengen komplexer Daten von Rotoren, Getrieben und anderen Geräten in Echtzeit zu verarbeiten. Gleichzeitig hält sich der Stromverbrauch in Grenzen und die Abmessungen der Einheiten sind kompakt genug für das begrenzte Platzangebot in den Anlagen. Viele industrietaugliche PCs sind zudem dafür ausgelegt, unter den rauen Umgebungsbedingungen ihren Dienst zu verrichten, in denen die Kraftwerke betrieben werden.

Die Computer müssen üblicherweise Temperaturen von minus 40 bis plus 70 Grad Celsius standhalten, manchmal sogar bis zu 85 Grad Celsius. Sofern die verbauten x86-Computer über die passenden Schnittstellen und Netzwerkverbindungen verfügen, können die Stromerzeuger in den Verbund eines Internet of Things eingebunden werden. Ein möglicher Einsatz: Wenn Geräteausfälle oder Funk-Interferenzen eine Windturbine daran hindern, mit dem Kontrollzentrum zu kommunizieren, kann sie über eine kürzere Verbindung zu einer weiteren Turbine kommunizieren.

Voraussetzungen für die problemlose Nachrüstung

Neben ihren Kommunikationsfähigkeiten sind viele Teilnehmer in IIoT-Infrastrukturen interoperabel und rückwärtskompatibel. Bestehende Geräte und Anlagen in der Industrie, der Energiewirtschaft und im Transportwesen nutzen eine Reihe von Datenschnittstellen, einschließlich digitaler Ein- und Ausgänge, RS-232, 422/485-Schnittstellen, Ethernet und USB. Wenn ein IPC diese Standards unterstützt, ist moderne Ausstattung leichter nachzurüsten. Insgesamt lässt sich die Infrastruktur eines Unternehmens mit diesem Technologiegerüst leichter an den Anforderungen ausrichten, die künftige Geschäftsmodelle der IT abverlangen mögen. Zugleich erlauben die Standards die Umrüstung ganzer Fabriknetzwerke Schritt für Schritt. Der parallele Betrieb von alten und neuen Systemen ist üblich. Computer in IIoT-Systemen müssen also über eine Vielzahl an Schnittstellen verfügen und die richtigen Kommunikationsprotokolle unterstützen.

Zeit und Kosten mit kabelloser Datenübertragung sparen

IIoT-Plattformen helfen Fertigungsunternehmen dabei, ihre Geräte miteinander und mit dem Kontrollzentrum zu verbinden. Neben verschiedenen E-/A-Schnittstellen für die Anbindung von nachgeschalteten Geräten muss der Computer die Daten auch an vorgeschaltete Geräte senden. Ethernet wird üblicherweise für viele dieser Verbindungen eingesetzt, bei seiner Installation gibt es jedoch oft Schwierigkeiten. Da nach dem IoT-Konzept mehr und mehr Geräte ins Netzwerk eingebunden werden, steigt die Menge an nötiger Verkabelung und damit die Kosten. Zusätzlich sind industrielle Netzwerke gefordert, immer weiter voneinander entfernte Geräte zu verbinden. Wireless-Netzwerke bieten sich als Lösung dieses Dilemmas an. Mit kabellosen Technologien lassen sich Industriegeräte und Sensoren oft insbesondere dort komfortabel mit den Netzwerken verbinden, wo noch keine Kabel liegen. Installationszeiten und -kosten sinken. Drahtlose Signale reisen durch die Luft und werden in ihrer Qualität durch die Umgebungsbedingungen beeinflusst. Dabei halten Hersteller die Temperatur für den kritischsten Faktor. Sollen Wireless Devices eine Verkabelung ersetzen, ist die Stabilität und Leistung der Verbindung die größte Herausforderung für IIoT-Geräte.

Wireless-Leistung und Thermik

Hersteller von Industrie-PCs versuchen, die thermischen Schwierigkeiten zu lösen, um stabile Wireless-Leistung auch unter extremen Umgebungsbedingungen sicherzustellen. Es gilt, die Temperatur um die Wireless-Komponenten herum zu stabilisieren und Hitze abzuleiten. Dazu muss der Host Computer über ein ausgeklügeltes thermisches Design verfügen. Die IPC-Serien V2201 und V2403 von Moxa wurden speziell für den Einsatz unter extremen Feldbedingungen entwickelt. Sie unterstützen Wi-Fi sowie 3G- und 4G-Konnektivität bei einer Betriebstemperatur von minus 40 bis plus 70 Grad Celsius mit einem lüfterlosen, kompakten Formfaktor. Die Grundlage für diesen technologischen Durchbruch bildet das vom Hersteller patentierte thermische Design der Rechner.

Mit verschiedenen E/A-Schnittstellen sind die V2201- und V2403-Serien kompatibel zu zahlreichen Industriegeräten, wodurch Installationskosten reduziert werden. Mit ihren x86-CPU-Optionen, den kompakten Abmessungen und dem robusten Design sind die Einheiten ausdrücklich für den Einsatz in industriellen IoT-Anwendungen ausgelegt. Dazu bringen die Computern eine ausreichend niedrige Datenlatenz mit – bei gleichzeitig oft geringeren Instandhaltungskosten ohne Abstriche bei der Betriebsstabilität.