Industrie 4.0 Raspberry Pi für die Industrie und Automotive-Anwendungen

Autor / Redakteur: Hermann Strass * / Kristin Rinortner

Ein selbstfahrendes Auto hat die Schweizer Ideenschmiede Rinspeed mit dem hybriden Sportwagen Etos im Januar auf der CES vorgestellt. Verbaut ist auch der intelligente Mini-Computer MICA.

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Bild 1: Der Mini-Industrie-Computer MICA erfasst und übermittelt im Concept Car Etos von Rinspeed Antriebs- und Motordaten kontinuierlich.
Bild 1: Der Mini-Industrie-Computer MICA erfasst und übermittelt im Concept Car Etos von Rinspeed Antriebs- und Motordaten kontinuierlich.
(Bilder: Dingo Photo)

Die Kurzbezeichnung MICA steht bei Harting für „Modular Industry Computing Architecture“, ein kleines Computer-System, das auf völlig neue Art – optimiert und passend für Industrie 4.0 im IoT – entwickelt wurde. Es dient beispielsweise zum Erfassen von Sensordaten, zur Zusammenarbeit mit SPS-Systemen sowie zur Kommunikation mit zentralen IT-Systemen und mit der „Cloud“. Damit werden flexible Lösungen für die „Integrated Industry“ (Industrie 4.0) realisiert. Die Plattform besteht aus Hardware- und Software-Modulen (Apps).

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Mit einem Baukasten aus Hardware-Modulen und Software-Apps lassen sich analog zum Lego-Prinzip individuelle Produkte konfigurieren. Die MICA-Computing-Appliance verfügt über zahlreiche, rekonfigurierbare Ein-/Ausgabe-Schnittstellen.

Modulare Software und Hardware

Unter Linux steht ein modulares und offenes Software-System zur Verfügung. Das erleichtert die Kommunikation und Integration. Die Software berücksichtigt auch das RAMI-4.0-Modell der deutschen Industrieorganisationen.

Beim Mini-Computer handelt es sich nicht einfach nur um eine lineare Weiterentwicklung herkömmlicher Architektur und Anwendungen. Der Schwerpunkt liegt auf einer effektiven, offenen Software und Vernetzung. MICA ist sozusagen ein Raspberry Pi für Industrieanwendungen.

Für den Einsatz direkt an der Maschine oder Anlage ist die Hardware robust, industrietauglich und in einem kompakten Aluminiumgehäuse verbaut, inklusive industrieüblicher M12-Steckverbinder. Das lüfterlose MICA-IIC-System erfüllt die IP67-Anforderungen in einem Gehäuse mit den Abmessungen B x H x T von ca. 132 mm x 86 mm x 35 mm. Das Gehäuse ist gegen Stoß, Vibrationen oder extreme Temperaturen unempfindlich und gegen elektromagnetische Störungen in beide Richtungen abgeschirmt.

Im Gehäuse sind drei Platinen integriert (Bild 2), von denen eine für den Anwender zur Verfügung steht. Das Gehäuse kann an einer Maschine, auf der Hutschiene, in Fahrzeugen oder an Fertigungsstrecken montiert werden. Die Plattform ist nach gängigen Industrie- und Bahnstandards (z.B. EN 50155) im zertifizierten Labor getestet.

Die drei Platinen (RFID, USB etc.; CPU; Power&Network) müssen auch bei starken Stößen und Vibrationen (z.B. Bahnbetrieb) funktionssicher im Gehäuse verankert bleiben. Ein Niederhalte- und Arretierbügel für die drei Platinen sorgt zusätzlich für die Verankerung der beiden Außenplatinen gegeneinander (Bild 3). Die USB-Verbindungen und die Stromversorgung sind in diesen Niederhaltebügel integriert. Damit wird Platz gespart und eine rüttelsichere Verbindung gewährleistet. Die Module kommunizieren physikalisch über USB-Verbindungen unter Anwendung aktueller IT-Techniken.

Ein 1-GHz-ARM-Prozessor aus der weitverbreiteten ARMv7-Familie mit 1 GByte RAM und 4 GByte eMMC-Speicher kann mit bis zu 32 GByte microSD-Speicher erweitert werden. Die 100-MBit-Ethernet-Schnittstelle verfügt über DHCP, IPv4 und IPv6. Es gibt verschiedene E/A-Schnittstellen für unterschiedliche Spannungen, darunter 8 x GPIO für 12/24 V DC. Die MICA-Box kann mit einer Versorgungsspannung von 12/24 V DC oder mit Power over Ethernet (PoE) betrieben werden.

Erstes „Virtual Industrial Computing“ in der Produktion

Das MICA-System ist das erste „Virtual Industrial Computing“ im Produktionsumfeld. Es besteht aus einer Kombination etablierter Linux-Technologien. Damit können Anwendungen direkt auf einem Feldgerät virtualisiert werden. Das erspart dem Entwickler den hohen Aufwand einer herkömmlichen Virtualisierung. Jede Anwendung ist für sich isoliert und gekapselt. Daher gibt es keine Inkompatibilitäten oder Paketabhängigkeiten. Die Kommunikation zwischen den Containern beruht auf IP-Techniken.

Virtualisierung in Containern

Die Virtualisierung geschieht nicht unter einem Hypervisor mit eigenem Betriebssystem für jede virtuelle Instanz, sondern durch Container (Bild 4). Der hohe Verwaltungsaufwand für die Wartung und die benötigte hohe Rechenleistung für mehrere Betriebssysteme bei der herkömmlichen Virtualisierungstechnik werden durch die Containertechnik eingespart.

Sie ist klein, schnell und effektiv, passend für Embedded-Anwendungen. Ein Container enthält kein vollständiges Betriebssystem, sondern nur genau das, was für die jeweilige virtuelle Umgebung gebraucht wird: Prozess-Code, Runtime-Routinen, System-Werkzeuge, System-Bibliotheken und Anwendungen.

Die verschiedenen Container teilen sich einen gemeinschaftlichen Kernel. Sie sind durch Kernel-Namensräume gegeneinander isoliert. Durch diese besonders effektive Virtualisierung starten und arbeiten die Prozesse praktisch ohne Verzögerung. Durch die moderne LXC-Architektur werden die Bedienung, die Verwaltung und die Integration anderer Softwaremodule deutlich vereinfacht.

Die Containerarchitektur erlaubt es mehrere Sensoren, Feldgeräte oder Prozesse modular, transparent und simultan zu betreiben. Ändert sich eine Anwendung, ist nur der betreffende Linux-Container betroffen. Der Rest des Systems läuft problemlos weiter.

Kommunikation über virtuelle Repräsentation

Das Referenzarchitekturmodell für Industrie 4.0 (RAMI 4.0) beschreibt den Aufbau und die Arbeitsweise von Industrie-4.0-Komponenten, die mit der IT-Welt und mit ERP-Systemen kommunizieren können. Ein Klemmenblock, eine einfache Pumpe oder ein Linearmotor kommunizieren bisher im Regelfall nicht. Mit Hilfe von RFID oder anderen Identifikationstechnologien bekommt nun jede Komponente eine eindeutige ID (virtuelle Repräsentation).

Über diese virtuelle Repräsentation sind die relevanten Eigenschaften und Funktionalitäten einer Komponente festgelegt. Jede virtuelle Repräsentation (Verwaltungsschale im RAMI 4.0), wird in einem eigenen Container gekapselt und bekommt damit automatisch eine IP-Adresse. So kann jeder Sensor oder Aktor über die MICA eindeutig identifiziert und über das Netzwerk angesprochen werden. Dies ist somit unabhängig vom Alter der Anlage oder den eingesetzten Protokollen, Sensoren oder Aktoren.

Software und Sicherheit in MICA-Systemen

Die Software basiert auf offenen Komponenten, wie Busybox, HTML5, OPC UA oder Linux in Zusammenarbeit mit SAP PCo, SAP MII, Excel oder Datenbanken. Dem Entwickler stehen weitere, in diesem Umfeld übliche, Software-Elemente zur Verfügung, wie beispielsweise Apache Hadoop, MQTT, MySQL, Python oder R.

Für integrierte Industrieanwendungen wird die Identifikation der beteiligten Elemente benötigt, damit deren Ort und Zustand erfasst werden kann. Es bietet sich an, einen intelligenten RFID-Leser im MICA-System herstellerneutral zu integrieren. Dieser kann beispielsweise durch Hinzufügen oder Austausch von Softwarecontainern auch komplexe Auswertungs- und Datenaufbereitungsaufgaben übernehmen.

Eine MICA mit Datenspeicher lässt sich direkt an der Maschine montieren. Im Fehlerfall können die Daten mehrerer Monate oder Jahre zur Fehleranalyse verwendet oder während regulärer Serviceintervalle ausgelesen und zur Produktverbesserung analysiert werden.

Die Linux-Software (Debian, LXC-Container) wurde gewählt, weil damit beispielsweise die Netzwerkkonfiguration oder die Vergabe von IP-Adressen erheblich erleichtert wird. Das MICA Basissystem übernimmt allgemeine Aufgaben, wie Authentifizierung, Containerverwaltung, Installation, Netzwerkeinstellungen oder Upgrades. Entwickler können sich auf ihre Algorithmen konzentrieren und Apps transparent mit Standard-Webtechnologien wie HTML, CSS oder JavaScript in die Anwender-Schnittstelle integrieren.

Anwender können über eine moderne und leicht zu bedienende Web-Oberfläche (WebUI) entsprechend ihren Zugangsberechtigungen die Anwendungen bedienen, exportieren, klonen oder konfigurieren.

Sicherheit ist bei der besonders hohen Vernetzung und Verbindung über Netzwerke extrem wichtig. Das erfordert eine sichere Kommunikation und Authentifizierung der Systeme. MICA nutzt dafür besonders wirksame Verfahren. Jedes Produkt hat einen „Trusted Platform Module“-Chip (TPM), über den die zuverlässige und sichere Authentifizierung erfolgen kann. Zusätzlich unterstützt das System SSL und VPN.

Die Anwendungen sind durch das oben beschriebene „Virtual Industrial Computing“-Konzept gegeneinander abgesichert. Da jede Anwendung in einem eigenen Container (Sandbox) läuft, gibt es keine ungewollten Manipulationen oder Wechselwirkungen zwischen den Containern.

Anwendungsbereiche und Anwendungsbeispiele des MICA-Systems

Die hohe Modularität in Verbindung mit der variablen Konnektivität erlaubt den Einsatz in zahlreichen industriellen Systemen. Einige Beispiele sind:

  • Cloud Gateway,
  • Dokumentation von Prozessdaten,
  • KI-Box (neuronales Netz, Fuzzy Logic),
  • Predictive Analytics,
  • Produktionssteuerung,
  • RFID Reader,
  • SAP bis zur Maschine,
  • SPS-Orchestrierung und
  • Vorausschauende Wartung.

Zur Gewinnung neuer Erkenntnisse aus den Sensordaten, der Prozessdynamik und Analyse der Lebenslaufdaten dienen Anwendungen wie KNIME oder offene Datenbankanwendungen.

Anwendungen in der Industrie sind um Größenordnungen vielfältiger als im Büro oder Zuhause. Praktisch jedes Projekt ist ganz oder teilweise ein Unikat.

Daher ist das MICA-System so extrem flexibel und modular. Insbesondere die Software-Modularität in Form von autonomen Containern bietet hier den größten Vorteil. Fertige Apps können von der Harting-Internetseite heruntergeladen werden.

MICA konkurriert nicht mit der SPS

Die MICA ersetzt keine SPS, sondern kooperiert mit dieser. Damit können zusätzliche Informationen aus den Betriebsdaten extrahiert werden. Diese werden dann wieder an die SPS zurückgeführt, um die Steuerungsfunktionen zu verbessern. So kann eine Maschine beispielsweise jahrelang eine eingestellte Temperatur einhalten.

Es wäre eine Verschwendung von Bandbreite und Speicherplatz diese Information in kurzen Abständen an ein übergeordnetes System oder in die Cloud zu senden. Die MICA kann diese überflüssigen Daten direkt vor Ort ausfiltern. Jede Abweichung vom Normalfall wird von der MICA erkannt, die passende Reaktion veranlasst und an das übergeordnete System weitergeleitet.

MICA kann selbst jahrzehntealte Maschinen oder Sensoren mit dem Internet verbinden. Klein und robust lässt sich der Minicomputer an jede Hutschiene oder Maschine anklemmen. Damit kann theoretisch jedes Gerät im Werk einen Internetzugang erhalten und sich vernetzen.

Anwendungsbeispiele des MICA-Systems

Als Anwendungsbeispiele seien an dieser Stelle Verpackungsstationen, vorbeugende Wartung, Datenanalyse sowie das Nachrüsten von Bestandsmaschinen genannt.

Verpackungsstation: Kundenbestellungen werden in Kartons verpackt und versandfertig gemacht. In einem herkömmlichen System muss der Mitarbeitende eine Waage, die SPS der Verpackungsmaschine, das ERP und einen Etikettendrucker bedienen sowie Arbeitsanweisungen manuell nachschlagen. In einem MICA-System sind alle diese Geräte und Prozesse integriert.

Die Aktivitäten werden automatisch ausgeführt. So werden die Daten der Waage über OPC UA an SAP MII weitergegeben, die Arbeitsanweisung über JSON aus dem ERP geladen, in STEP 7 übersetzt und in die SPS geladen. Der Mitarbeiter wird entlastet, Fehlerquellen minimiert und der Verpackungsprozess deutlich beschleunigt. In weiteren Schritten können weitere KPIs erfasst und Prozesse optimiert werden.

Vorbeugende Wartung: Das rechtzeitige Erkennen von Wartungsbedarf ist einer der effektivsten Wege, Standzeiten von Produktionsanlagen zu minimieren und Wartungskosten zu reduzieren. Da viele Maschinen eine Lebensdauer von 30 Jahren und mehr haben, hat ein großer Teil des existierenden Maschinenparks keine zeitgemäße Ausstattung zum Erfassen, Speichern und Kommunizieren relevanter Daten.

In einer Anwendung für Spritzgussanlagen wurden die Werkzeuge mit RFID gekennzeichnet, der Strom während der Schüsse durch einen induktiven Stromsensor gemessen und die Ergebnisse in der MICA zusammengeführt, gespeichert und weiterverarbeitet. Im ersten Schritt wird eine Warnung ausgelöst wenn sich der Stromverbrauch ändert, was auf Probleme hindeutet. Schon hierdurch werden die Austauschintervalle verlängert und Kosten gespart.

Nach einigen Monaten wird ein neuronales Netzwerk mit den erfassten Daten trainiert und auf der MICA installiert, das bessere Vorhersagen über die Lebensdauer erlaubt. In einem weiteren Schritt kann MICA an das ERP angebunden werden, um die Bestellung und Vorhaltung der Ersatzteile zu optimieren.

Datenanalyse: Sind alle Elemente einer Anlage identifiziert (z.B. mit RFID), dann können diese über die ganze Lebensdauer analysiert werden. In der Fertigung kann die Zahl und Art der Zwischenprüfungen optimiert werden, wodurch Zeit und Kosten eingespart werden. Bei einem deutschen Hersteller wurde beispielsweise die Prüfzeit, bei gleicher Endqualität, um 18% reduziert. Bei großen Stückzahlen ist diese Einsparung besonders relevant.

Je nach Land gibt es unterschiedliche Anforderungen an die jährliche Inventur. Sind alle Maschinen und Geräte mit RFID ausgerüstet, kann die Inventarzählung von Tagen oder Wochen auf Stunden verkürzt werden. Dazu fährt ein mit RFID-Leser ausgestatteter Rollwagen durch die Lagerhallen und inventarisiert automatisch den Bestand in Form von computergerechten Daten.

Einsparungen an Arbeitszeit bis über 90% wurden schon von einem deutschen Unternehmen gemeldet. Das geht inzwischen auch ohne genseitige Beeinflussung durch Geräte die nahe beieinander auf Paletten gestapelt sind. Im Fraunhofer-Institut in Nürnberg kann dies jederzeit demonstriert werden.

Nachrüsten von Bestandsmaschinen: Industrieanlagen sind oft einige Jahrzehnte im Einsatz. Über die MICA können bestehende Maschinen oder Anlagen an das Firmennetz oder über das Internet an die Cloud angebunden und mit zeitgemäßen Funktionen modernisiert werden. Dazu müssen alle Elemente eine eigene Identifikation erhalten, beispielsweise über eine MICA mit RFID-Leser.

„Raspberry Pi gos Industry“ – was ist dran?

In Pressemeldungen wird von einem Exklusivvertrag zwischen Farnell element14 und Raspberry Pi berichtet. Unter der Überschrift „Farnell passt Raspberry-Pi-Boards an individuelle Kundenwünsche an“ wird verkündet „Raspberry Pi goes Industry“. Das sollte man nicht wörtlich nehmen. Wie in der Überschrift gemeldet können Platinen mit unterschiedlichem Layout, auf Kundenwunsch bei einer Mindestbestellmenge zwischen 3000 und 5000 Stück, gefertigt werden.

Es ist richtig, dass bei industriellen Anwendungen eine große Vielfalt an Varianten benötigt wird. Allerdings werden für industrielle Anwendungen erheblich höhere Anforderungen (z.B. ab IP54) gestellt als für einen Kleincomputer auf dem Schreibtisch (z.B. IP20) im Wohnzimmer.

Wie im Artikel kurz angedeutet, müssen bestimmte Werte für Stoß, Vibration, Temperaturbereich, Feuchte, Stromversorgungstoleranz oder Schutzart (IP-Code) erfüllt werden. Auch ist möglicherweise eine Funkzulassung (z.B. für RFID-Leser) erforderlich. Auch die Sicherheit (IEC 61508, SIL 1 bis 4) und Lebensdauer (z.B. Bahnbetrieb 20 Jahre; eine Wartung alle 5 Jahre) unter den erschwerten Bedingungen müssen oft durch geeignete Tests zuverlässig bestimmt werden.

Die Werte müssen nachgewiesen und dokumentiert werden. Dazu sind umfangreiche Tests nötig, die viel Zeit und Geld kosten. Solche Tests sind für den Raspberry Pi nicht bekannt und wohl auch nicht geplant.

Zum Test von reinen Software-Routinen oder zum einfachen Funktionstest kann natürlich ein sehr preisgünstiges Raspberry-Pi- oder Fischertechnik-System eingesetzt werden. Auf großen Industriemessen sieht man oft Modelle ganzer Produktionsanlagen in Fischertechnik aufgebaut.

Das dient zur Prüfung der Funktionen und Abläufe und zur Veranschaulichung für potentielle Interessenten. In beiden Fällen (Raspberry Pi und Fischertechnik) kann man aber nicht von Industrieanwendungen sprechen.

Das im Artikel beschriebene MICA-Sytem mit ARM-Prozessor wie beim Raspberry Pi erfüllt die, je nach Anwendung unterschiedlichen, Industrieanforderungen. Die Werte sind dokumentiert und – soweit erforderlich – zertifiziert.

Wettbewerb zu Anwendungen auf der Hannover Messe

Im Rahmen des Anwendungs-Wettbewerbs „Was machst Du mit MICA?“ wurden Ingenieure aufgefordert auf Basis der MICA-Plattform eine Anwendung zu entwickeln. Die drei besten Umsetzungen werden auf der diesjährigen Hannover Messe auf dem Harting-Stand prämiert und ausgestellt.

* * Hermann Strass ... arbeitet als Berater (Technology Consulting) für neue Technologien in Nördlingen.

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