Cloud-Computing-Plattform mit modularem Mini-Edge-Server

Autor / Redakteur: Christian Blersch * / Gerd Kucera

Für das Cloud Computing brauchen Systemintegratoren flexibel und einfach erweiterbare Edge-Server-Plattformen. OEM-Partner BeckIPC offeriert solche modularen Edge Server mit AMD-Prozessoren.

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Bild 1: Über das Webinterface der Cloud können Maschinensteuerungen sowohl konfiguriert als auch mit programmiert werden. Grafische Oberflächen wie die WEB-PLC von Beck IPC sorgen für eine einfache Benutzerführung ohne die Syntax einer Programmiersprache erlernen zu müssen.
Bild 1: Über das Webinterface der Cloud können Maschinensteuerungen sowohl konfiguriert als auch mit programmiert werden. Grafische Oberflächen wie die WEB-PLC von Beck IPC sorgen für eine einfache Benutzerführung ohne die Syntax einer Programmiersprache erlernen zu müssen.
(Bild: BeckIPC)

Unternehmen, die das Internet der Dinge nutzen wollen, können die zentrale IoT-Hardware in die Cloud verlagern. In vielen Fällen entscheiden sich Industrieunternehmen allerdings dazu, einen Großteil der IoT-Hardware im eigenen Unternehmen anzusiedeln. Die Cloud Software wird dabei allerdings nicht im firmeneigenen klimatisierten Rechenzentrum betrieben.

Für viele industrielle Fertiger und Automatisierungsanbieter bedeutet dies, dass die vielen Geräte, Maschinen und Roboter einen eigenen lokalen Cloud-Server erhalten und das IoT-Netzwerk dann in der Fabrikhalle entsteht. Die diversen Cloud-Server können dann in Echtzeit miteinander kommunizieren, sodass auch Industrie-4.0-Applikationen möglich werden.

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Cloud-Server-Technologie für IoT & Industrie 4.0

Die industrielle Steuerungstechnik und Kommunikation wird dadurch um Cloud-Lösungen erweitert. Sie verbinden speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und industrielle Protokolle mit dem IoT und stellen eine Vielzahl von IoT Services bereit – beispielsweise die Parametrierung von Steuerungslogik und Alarmfunktionen über Clouds.

Geräte aller Art können so ohne zusätzliche Software-Installation vor Ort in Betrieb genommen werden. Über eine webbasierte SPS-Programmierung sind die Steuerungen sogar programmierbar, sodass sich solche spezialisierten Service-Dienstleistungen vollständig remote vornehmen lassen.

Web-PLC ist eine solche webbasierende grafische Editor-Lösung für einfache SPS-Funktionen. Sie stellt die Steuerungsfunktionen And, Or, XOr, FF, Timer, Counter, Compare und weitere, einfach zu erstellende SPS-Funktionen und zusätzliche Protokolle (beispielsweise Modbus) remote zur Verfügung.

Die Cloud-Server-Technologie ist damit eine konsequente Ergänzung um die passenden Clouds – sowohl hardwareseitig als auch in Bezug auf die Software und Applikationen, die auf den Cloud-Servern ablaufen. Anwender erhalten ein Gesamtpaket, das vom (dezentralen) E/A-System über die lokalen Steuerungen und HMIs sowie ihre Gateway-Komponenten bis hin zur Cloud-Lösung reicht. Für den Anwender ist dabei besonders vorteilhaft, dass er auf diese Weise alle Komponenten aus einer Hand beziehen kann, alle Komponenten eine hohe IT-Sicherheit bieten und vielfältige Anbindungsoptionen zum Feld hin verfügbar sind, darunter CAN, Profibus, Profinet, Ethernet/IP, M-Bus, Mobilfunk sowie serielle Schnittstellen.

An die Serverplattform werden dabei hohe Anforderungen gestellt, denn sie soll zum einen besonders robust sein, zum anderen aber auch kostengünstig. Es besteht nämlich ein großer Bedarf darin, Industrie 4.0 mit einem geringen Investitionsaufwand zu ermöglichen. Deshalb stellen Lösungsanbieter die Nutzung ihrer neuen Cloud-Lösungen beispielsweise auf einer monatlichen Mietbasis bereit. Manche Lösungen belaufen sich damit auf nur 5 € pro Monat. Das ermöglicht Maschinenbauern eine effiziente Integration, selbst wenn diese nur 10 bis 20 Maschinen pro Jahr fertigen.

Ideal ist es, wenn die Lösung auf die aufwendige Implementierung von MQTT verzichtet, weil alle notwendigen Programmieraufwendungen in der Gesamtlösung bereits integriert sind. Zum Prozess hin muss dadurch nichts mehr geregelt werden. Entscheidender ist eher die Anbindung von Protokollen und Datenbanken, die in der Welt der Office-Server üblich sind, wie beispielsweise OpenVPN, NAT und COM-Server, die man auf dem Cloud Servern selbst zur Verfügung stellt.

Auf der Anwendungsebene ermöglichen es den Anwendern zudem sehr einfach, beispielsweise ein Dashboard, ein Alarmhandling oder auf Basis unserer Node-Red-Implementierung eine eigene Anwendung per Drag&Drop zu erstellen. Das Ziel ist dabei, die Anwender zu ertüchtigen, ihre Daten innerhalb eines Tages vom Sensor ins SAP-System zu bringen bzw. etwas Vergleichbares zu entwickeln.

Ziel des Lösungsbaukastens ist es, Maschinen- und Roboterherstellern eine übergeordnete Logik für die Industrie-4.0-Kommunikation in Echtzeit zu bieten mit Latenzen, die im zwei bis dreistelligen ms-Bereich liegen und je nach Konfiguration sogar nur 25 ms betragen können. Weitere Applikationsfelder sind aber auch das Facility Management oder mehrere verteilte Vending-Automaten und Ticketing-Systeme auf Bahnhöfen oder beispielsweise Smart-Grid-Applikationen.

Flexibel extern erweitern durch robuste EM-Module

Da das Business-Modell solcher Cloud Services allerdings mehr Software als Hardware ist, sollten Hersteller bei der Auswahl passender Server-Technologie bevorzugt auf externe Hardware setzen.

Bei seinen neuen Server-Plattformen für Cloud-Dienste setzt BeckIPC dabei die AMD Embedded G-Series basierten Box-PCs von EMTrust ein, die in jeden Schaltschrank oder in jedes Führerhaus eines Nutzfahrzeugs passen.

Das Besondere ist, dass bei dieser Lösung die Erweiterungsbaugruppen nach außen verlagert sind, sodass sich kundenspezifische Konfigurationen mit wenigen Handgriffen zusammenstellen lassen.

Die sogenannten EM-Module sehen aus wie sehr robust ausgelegte USB-Sticks und sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Dadurch bieten sie echte Plug&Play-Modularität und sind also auch für Systemintegratoren geeignet.

Anstatt also einen Box-PC aufzuschrauben, die Erweiterungskarten einzusetzen, entsprechende Konnektoren einzudesignen und diese über Kabel an die Erweiterungsbaugruppen anzuschließen, erfolgt das bei dem System von EM-Trust einfach durch das Stecken eines USB-Moduls. Die Erweiterungsbaugruppe ist damit vor Ort genauso komfortabel, sicher und schnell anschließbar wie Mäuse, Keyboards, Webcams oder externe Festplatten.

Das mechanische Konzept beinhaltet eine Führungsschiene als verdreh- und fehlersicheren Einschub sowie eine zug- und rüttelfeste Arretierung der Baugruppe mit einer Rändelschraubensicherung. Die Systemauslegung eignet sich dadurch selbst für Applikationen in Fahrzeugen, in denen Stoß und Vibrationen besonders robuste Systemauslegungen erfordern.

Reichhaltiges I/O-Angebot für schnelle Vorort-Konfiguration

Durch den externen modularen Aufbau können industrielle Applikationen schnell bedarfsgerecht mit analogen oder digitalen I/Os, seriellen Schnittstellen, Feldbussen, Industrial Ethernet Interfaces oder sogar Funkmodulen bestückt werden.

Dadurch lässt sich diese Box-PC-Konfiguration vor Ort flexibel auf die jeweils benötigte IoT-Servertechnologie auslegen.

Parallel zur Vorstellung des Konzepts sind bereits über zehn unterschiedliche I/O-Baugruppen verfügbar. Das Angebot soll zudem konstant ausgebaut und auch mechanisch erweitert werden – beispielsweise mit Baugruppenspezifikationen, die über zwei Slots reichen und so auch externe Festplatten aufnehmen könnten.

Das Ziel ist, alle relevanten I/O-Baugruppen verfügbar zu machen, die über USB angesprochen werden können.

I/O-Hersteller können das Konzept der externen I/O-Baugruppen bei EMTrust lizenzieren lassen. Im Laufe der nächsten 12 Monate will man die Spezifikation zudem mit einer übergeordneten Vereinigung standardisieren, sodass ein Embedded Standard für diese Art der I/O Erweiterungen geschaffen wird.

Die neuen Box-PCs basieren auf dem Embedded-G-Series-SOC-Prozessor von AMD, der sowohl CPU, GPU als auch den I/O Controllerhub integriert.

Die mit einer Langzeitverfügbarkeit von 10 Jahren ausgestatteten Prozessoren zeichnen sich durch zwei bis vier CPU-Cores (Codename Jaguar) und eine AMD-Radeon-Grafik auf dem Leistungsniveau einer dedizierten Grafikkarte aus.

In rechenintensiven Standard-Benchmarks liefern die neuen, hochintegrierten SOCs eine im Vergleich zu AMD-Embedded-G-Series-APUs um bis zu 113% verbesserte CPU-Performance. Im Vergleich zum Intel Atom bieten sie sogar eine 125% Verbesserung der CPU-Performance.

Bei der Grafikleistung stehen bis zu 20% mehr Leistung im Vergleich zu AMD-G-Series-APUs und eine fünffache Verbesserung gegenüber Intel Atom zur Verfügung.

GPGPU Processing und schnelle I/O-Kopplung

Zudem ist die integrierte Radeon-Grafik auch als General Purpose GPU ausgelegt und kann die CPU bei hoch parallelen Berechnungen mit bis zu 154 GFLOPs unterstützen. Dieses Parallel Processing mit OpenCL auf der CPU/GPU ist insbesondere für Applikationen interessant, in denen es auf höchste Präzision ankommt. Dazu zählen beispielsweise industrielle Steuerungen und Automatisierungsapplikationen, Vision-basierte Appliances in dem Bereich Sicherheit, Überwachung und Medizintechnik sowie Inspektions- und/oder En-/Decodier-Engines in der Kommunikation. Bei einer solchen attraktiven Grafik ist es eigentlich schade, dass es auch Varianten gibt, die als Headless SOCs eben ohne diese kommen. System-Designer profitieren bei dieser Auslegung aber durch noch effizientere TDP-Werte des SoCs sowie einen günstigeren Preis.

Als dritte Chip-integrierte Baugruppe darf auch der I/O-Controller nicht unerwähnt bleiben. Er ist für die Kopplung des Arbeitsspeichers, der PCI-Express- und USB-Ports sowie von SATA-Datenspeichern und SD-Cards verantwortlich. Die Integration auf demselben Chip spart nicht nur Platz, sondern verkürzt auch die Kommunikationskanäle zwischen allen Einheiten. Davon profitieren insbesondere I/O-reiche Applikationen, wie es das neue Box-PC-Design von EMTrust adressiert. Die TB-M basiert auf energieeffizienten Dual- und Quad-Core-Varianten aus AMDs Embedded-G-Series-SoC-Prozessorfamilie mit Taktraten bis 1,5 GHz. Auf engstem Raum verfügt das modulare System über ein großes Schnittstellenangebot mit sechs USB-3.0-, vier USB-2.0- und drei Gigabit-Ethernet-Ports.

Der lüfterlose Box-PC zeichnet sich durch hohe Qualität, Ausfallsicherheit und Langzeitverfügbarkeit aus. Er ist damit eine geeignete Plattform für Anwendungen, die einen lüfterlosen und damit wartungsfreien sowie geräuschlosen und energiesparenden 24/7-Betrieb erfordern. Das hochintegrierte modulare System wird in Deutschland entwickelt und produziert. Dies ermöglicht ein schnelles Handeln und flexibles Reagieren auf Kundenwünsche. Bei der Fertigung verwendet EMTrust zudem nur langzeitverfügbare Komponenten, sodass die Investitionen in diese Technologie über viele Jahre hinweg gesichert sind.

Die TB-M ist durch das Aluminiumgehäuse und lüfterlose Design eine robuste Lösung für raue Industrie- und Umweltbedingungen. Sie hat Abmessungen von 194 mm x 127,3 mm x 41,7 mm (T x B x H) und einen erweiterten Temperaturbereich von –40 bis +85 °C. Der weite Spannungsversorgungsbereich von 8 VDC bis 32 VDC ist so gewählt, dass nahezu alle Applikationen bedienbar sind.

Weitere technische Merkmale sind ein Arbeitsspeicher mit bis zu 8 GByte energieffizientem DDR3L-DRAM, ein DVI-I-Steckverbinder für hochauflösende Monitore (DVI und VGA) und ein Micro-SD-Card-Slot, mit dem sich alle Arten von kundenspezifischen Anwendungen realisieren lassen. Hinzu kommen noch Hardware-Monitor und Watchdog, ein Vierkanal-HD-Audio-Interface, Kopfhörer- und Mikrofonanschluss. WLAN, Bluetooth sowie GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA-Module können optional bestückt werden.

Die Speicherung großer Datenmengen ermöglicht die mSATA-Flash-Disk, verfügbar von 8 GByte bis 1 TByte. Als Betriebssystem stehen wahlweise Linux und Microsoft Windows zur Verfügung. Aufgrund ihrer kompakten Größe und des geringen Gewichts von 900 Gramm ist die EM Tough Box Modular TB-M flexibel einsetzbar.

* Christian Blersch ist Geschäftsführer von EMTrust in Weichs.

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