IIoT-Feldgeräte mit Intelligenz

Für das industrielle Internet der Dinge (IIoT) hat Hilscher einen neuartigen Netzwerk-Controller entwickelt. Der netX 90 bietet heute schon die Technologie für IIoT-Anwendungen von morgen. › von Simon Fischer

Das Unternehmen Hilscher Gesell­schaft für Systemautomation mbH zählt seit Jahren zu den führenden Anbietern im Bereich der industriellen Kommunikationslösungen für die moderne Fabrikautomation. Die Produkte von Hilscher reichen von PC-Karten, Gateways über OEM-Aufsteck­module bis hin zu leistungsfähigen ASICs mit den dazugehörigen Protokoll-Stacks. Ein derart umfassendes Lösungs-Portfolio für Feldbusse und Real Time Ethernet ist das Alleinstellungsmerkmal des Herstellers.

Mit dem netX 90 Multiprotokoll SoC betritt der Anbieter nun eine neue technologische Ebene, die besonders für Feldgerätehersteller, die im Zeitalter von Industrie 4.0 nach fortschrittlichen Lösungen hinsichtlich der Integrationstiefe und Intelligenz ihrer Geräte suchen, interessant werden könnte.

Die Begriffe Industrie 4.0 und Internet der Dinge sind bekanntermaßen allgegenwärtig. Seit einigen Jahren wird nun darüber philosophiert, wie sich die vierte industrielle Revolution bewältigen lässt. Hierbei sind erste IoT-taugliche Geräte für das industrielle Umfeld (daher IIoT genannt) entstanden, die sich fortan im Einsatz beweisen dürfen.

Ein Schlüsselelement von Industrie 4.0 in der Produktion heißt „Smart Factory“, die eine tiefgreifende Zusammenarbeit von cyber-physische Systemen (CPS) beinhaltet.

Bei einem CPS werden kontinuierlich Informationen zwischen den einzelnen Komponenten einer Produktionsanlage ausgetauscht. Hierzu stattet man Maschinen, Werkstücke oder auch einzelnen Materialien mit Sensoren, Aktoren und Kommunikationstechnologie aus und verbindet sie miteinander. In der Automatisierungstechnik sind derartige Sensoren und Aktoren in der Feldebene angesiedelt. Man bezeichnet sie daher auch als Feldgeräte. Sie werden über einen Feldbus oder Real Time Ethernet mit einem Steuerungs- oder Leitsystem verbunden, um diese mit Prozessdaten zur Zustandskontrolle zu versorgen.

Daten in die Cloud

Damit ein Feldgerät Industrie-4.0-tauglich wird, muss es jedoch parallel zur Feldbuskommunikation Daten in die Cloud übertragen. Die Cloud bietet hierbei einen zentralen Sammelpunkt für alle Nutz- und Servicedaten. Grundvoraussetzung ist neben leistungsfähigem Echtzeit-Ethernet der Zugang zum Standard-Ethernet über eine gemeinsame Verkabelung. Idealerweise enthält die zentrale Kommunikationseinheit bereits Basis-IT-Funktionen, zum Beispiel einen Webserver, und grundlegende IoT-Funktionalitäten wie einen integrierten OPC UA Server und MQTT Client. Das Anwendungsszenario aus Abbildung 1 verdeutlicht, dass die Feldgeräte sowohl über Profinet oder EtherNet/IP mit der SPS (PLC) Prozessdaten austauschen, als auch über dasselbe Kabel per OPC UA oder MQTT Daten in die Cloud versenden können.

Feldgeräte mit höchster Integrationstiefe

Kundenbedürfnisse von morgen spielen bei Hilscher bereits seit Jahren eine wichtige Rolle in der Produktentwicklung. So begegnen sie beispielsweise den Anforderungen an ein IIoT-fähiges Feldgerät mit einem neuen Multiprotokoll SoC – dem erst kürzlich veröffentlichten netX 90.

Den größten Technologiesprung schafft der Anbieter hierbei mit der Umstellung von einer Einprozessor- auf eine Zweiprozessortechnologie. Notwendig war dieser Schritt aufgrund wiederkehrender Probleme bei der Vermischung von applikativen mit kommunikativen Anteilen im Feldgerät. Eine Zweiprozessor-Lösung war folglich die notwendige und gleichzeitig innovative Konsequenz.

Für die Kommunikationsaufgaben bietet das Unternehmen wie gewohnt eine skalierbare Softwarelösung hinsichtlich der Protokollfunktionalität und -flexibilität. Die Applikationsseite des SoCs nutzt einen separaten Cortex-M4-Prozessor mit 100 MHz und DSP- und FPU-Unterstützung, der durch eine Vielzahl von On-Chip-Peripherien ergänzt wird. Der Datenaustausch mit der Protokoll-Stack-Schnittstelle gelingt über Dual-Port Memory (DPM), das kompatibel zu den derzeitigen SoCs von Hilscher ist.

Smarte Sensoren im IIoT

Der netX 90 SoC von Hilscher unterstützt durch seine Peripherievielfalt auf der Applikationsebene besonders die Sensor- und Encoder-Hersteller. Der durch das IIoT getriebene Trend hin zu smarten Sensoren, die neben der reinen Erfassung von Messgrößen zusätzlich die Aufgaben der Signalaufbereitung und -verarbeitung übernehmen, stellt für die Hersteller zukünftig keine Probleme mehr dar. Der Netzwerkcontroller netX 90 verfügt über vier SPI-Schnittstellen mit bis zu 50 MHz und über zwei I²C-Schnittstellen mit bis zu 3,4 MHz.

Leistungsschwache analoge Signale eines an einem Gerät befestigten Sensors können mit dem netX verstärkt und in eine Messgröße umgewandelt werden, die Aufschluss über den Zustand des Gerätes geben. Die Umwandlung erfolgt per Analog-Digital-Wandler.

Neben den klassischen Sensoren zur Messung von Temperatur, Licht, Druck oder Gas sind Sensoren zur Bestimmung von exakten Positionsdaten in der Automatisierung von großer Bedeutung. Für die Kommunikation zwischen solchen Drehgebern (auch Encoder genannt) und dem Controller wurden die Standards BiSS durch die Firma iC-Haus und EnDat durch Heidenhain entwickelt. Neben den Positionswerten lassen sich dadurch synchron zum Takt weitere Parameter oder Diagnose-Informationen übertragen. Speziell für die Encoder-Hersteller integriert der netX 90 die Hardware Master IP für SSI/BiSS sowie für EnDat 2.2 bereits im Chip. Die für diesen Anwendungsfall typische Umgebungstemperatur von 85 Grad Celsius kann mit dem Netzwerk-Controller bei einer Verlustleistung von unter einem Watt umgesetzt werden. Daher eignet sich dieser SoC ideal für intelligente Sensor- und Encoder-Applikationen im Bereich der industriellen Automatisierung.

Als Allrounder bereit für IIoT

Der netX 90 ist nicht nur für Sensorhersteller geeignet, sondern mit ihm lassen sich auch weitere Applikationen realisieren. Die intelligente Chip-Architektur ermöglicht Applikationen für Motion, Remote IO, Functional Safety, Controls oder auch LVDS Backplane. Außerdem besitzt der netX 90 ein sehr kleines Gehäuse von 10 x 10 mm, sodass er auch in den kleinsten Sensoren zum Einsatz kommen kann.

All diese Eigenschaften machen den SoC zur idealen Hardware-Plattform für ein IIoT-fähiges Feldgerät mit höchster Integrationstiefe.

Über die Feldgeräte der Zukunft lassen sich kontinuierlich Daten und Informationen zwischen den verschiedensten Komponenten der Produktionsanlage austauschen. Der Schritt zu einer Smart Factory, bei dem die CPS auf ideale Art und Weise zusammenarbeiten, ist durch den Einsatz des netX 90 näher gerückt.

Im Jahr 2020 sollen Prognosen zufolge bereits 50 Milliarden Geräte weltweit miteinander im Internet der Dinge kommunizieren. Feldgerätehersteller können daher bereits heute mit der Wahl des netX 90 eine richtungsweisende Entscheidung für die Zukunft treffen. RT ‹

Simon Fischer ist Junior Produktmanager bei Hilscher.

  • Bild 2: Blockdiagramm des Multiprotokoll SoC netX von Hilscher mit der internen Trennung von Kommunikations- und Applikationsaufgaben. Bild: Hilscher
  • Bild 1: Mit integriertem OPC UA/MQTT können Feldgeräte „wertsteigernde Daten“ für Edge-Geräte oder für Cloud-Services über dasselbe physische Kabel zur Verfügung stellen. Bild: Hilscher
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