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Kleiner Formfaktor für große Aufgaben

Mit den neuen Intel-Atom-Prozessoren lassen sich kompakte Systeme realisieren. Die Verbesserung von IIoT-Hardware mittels eines Bottom-up-Ansatzes gewinnt dadurch an Dynamik und Anbieter von Fog- und Mist-Computing-Lösungen bekommen neue Hardware.

(Bild: ADL Embedded Solutions GmbH)

Das IIoT dringt immer weiter in entlegene Bereiche des industriellen und kommerziellen Umfelds vor. In vielen dieser Umgebungen (z.B. intelligente Netze, Windparks, Öl und Gas, autonome Fahrzeuge, etc.) beeinträchtigen unterbrochene Konnektivität, Latenz und Sicherheitsprobleme die zuverlässige Verbindung zur Cloud. Kommt hier noch die fragmentierte Realität hinzu, eine zusammenhängende IIoT-Cloud-Lösung aus der breiten Palette von bewährten, modernen Geräten, Maschinen, Steuerungssoftware und disparaten Datenbanken aufbauen zu wollen, dann beginnt die Aufgabe monumentale Kosten und zeitliche Ausmaße anzunehmen. Um einige dieser Probleme zu lösen, hat man versucht, die IIoT-Hardware, Datenspeicherung, Datenanalyse und Kommunikationsressourcen näher an den Rand des IIoT zu rücken und zwar in unmittelbare Nähe der ‚Dinge‘, die gesteuert werden müssen. In erster Linie lassen sich somit unterbrochene Verbindungen und Latenzprobleme beheben, was die Verfügbarkeit und Gesamteffizienz verbessert. Zudem unterstützt dies eine optimale Verteilung der Ressourcen und hilft, den Umfang der Sicherheitsaufgabe zu begrenzen. Die Diskussionen in den sozialen Netzwerken und viele erschienene Artikel haben sich auf diese neuen IoT/IIoT-Computing-Strategien konzentriert. Wenn man die Analogie der IoT/IIoT-Cloud fortsetzt, wird die Idee, IIoT-Ressourcen näher an die zu steuernden ‚Dinge‘ heranzubringen, oft als Fog- oder Mist-Computing bezeichnet. Wenn Fog-Computing IIoT-Ressourcen in der Nähe von ‚Dingen‘ definiert, dann definiert Mist-Computing IIoT-Ressourcen direkt auf oder in ‚Dingen‘.

Fog-Computing

Unterstützt durch das ‚Open Fog Consortium‘ definiert sich Fog-Computing als: „… eine horizontale Architektur auf Systemebene, die Ressourcen und Dienste von Computern, Speichern, Steuerungen und Netzwerken von der Cloud bis zu den ‚Dingen‘ verteilt. Fog-Computing adressiert die Anforderungen von IIoT auf lokaler Ebene, wo es verteilte Daten und Steuerressourcen für mehr Effizienz und Zuverlässigkeit zur Verfügung stellt. Fog-Computing nutzt neue, softwaregestützte Automatisierungselemente wie softwarebasierte SPS und die Digitalisierung von Geräten und Prozessen. Dabei ist der Detaillierungsgrad so hoch, dass es als ‚digitaler Zwilling‘ bezeichnet werden kann. Diese Virtualisierungs- und Digitalisierungsstrategien sind ein wichtiger Bestandteil, um auf niedrigen Hardware-Ebenen die bruchstückhafte Art der Kommunikation und Steuerung zu bewältigen.

Mist-Computing

Führt man diese Analogie einen Schritt weiter, kommt man unter Bezugnahme auf Berechnungs-, Kommunikations- und Speicherelemente, die direkt in oder auf Maschinen und Geräten installiert sind und damit das IIoT-Computing auf Hardware-Ebene erweitern, auf den Begriff ‚Mist Computing‘.

Hardwareschichten des IIoT

Die Tabelle zeigt typische Hardware, die auf den verschiedenen Computing-Schichten des IIoT erforderlich ist. Auf der ‚Cloud‘-Ebene handelt es sich bei den Hardware-Elementen um Server-Farmen von teilweise immenser Größe und um anspruchsvolle Kontrollzentren auf Unternehmensebene, die enorme Datenmengen für Management, Steuerung und Überwachung eines Unternehmens bis hinunter zur Fabrikhalle speichern und analysieren. Auf der Fog-Computing-Ebene verkleinern sich stetig die Größenordnungen der Geräte via Server-Räume und lokale Speicher, die von einer Reihe von kleineren Netzwerkelementen wie Gateways, Router, Industrie-PCs mit lokalen Datenbanken unterstützt werden und die lokal Daten analysieren und ‚Dinge‘ überwachen und steuern. Mist-Computing vervollständigt das Migrationsbild der Ressourcen, indem es die wichtigsten Hardware-Elemente des Fog-Computings direkt auf oder in die ‚Dinge‘ erweitert. Dies jedoch mit viel kleineren eingebetteten Formfaktoren. Neben der Bereitstellung der Steuerungs- und Überwachungsfunktionen für die Geräte, muss diese Hardware auch die gemeinsame Nutzung von Fog- und Mist-Computing- Ressourcen unterstützen.

Hardware-Anforderungen gemäß den Schichten des Industrial IoT (IIoT) (Bild: ADL Embedded Solutions GmbH)

Hardware für Mist-Computing

In der Realität ist die direkte physikalische Integration auf/in Dinge keine leichte Aufgabe. Die verwendete Hardware muss den gleichen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, mechanische Beanspruchung etc.) Stand halten wie die ‚Dinge‘, in die sie integriert ist. In zunehmendem Maße befinden sich diese ‚Dinge‘ in exponierten oder abgelegenen Orten, was die Wahl der Mist-Computer-Hardware zu einem kritischen Designelement macht. Ebenso darf die Lebensdauer und Qualität der Mist-Computing-Hardware die Gesamtqualität und Lebensdauer der zu steuernden Maschinen oder Geräte in keiner Weise beeinträchtigen. Aus Herstellersicht erfordert dies eine sorgfältige Auswahl der Hardware-Komponenten, die die Produktlebensdauer und Qualität verbessern. Zudem muss die Schaltungsarchitektur einen zuverlässigen Betrieb über alle Temperatur- und Spannungsbedingungen gewährleisten. Dies alles unter Beibehaltung eines kompakten Formfaktors für die eingebetteten Komponenten. Von einem funktionalen Standpunkt aus, müssen Fog- und Mist-Computing-Hardware mehrere Kerne mit Virtualisierungs-Technologie aufweisen, um softwaredefinierte Automatisierungs- und Digitalisierungsanforderungen zu unterstützen. Gleichzeitig muss die Hardware auch die notwendige Leistung für die Datenanalyse, Steuerung, Überwachung und Kommunikation mit anderen Elementen des Fog- oder Mist-Computernetzwerks bereitstellen. Angesichts dieser Anforderungen bringen Unternehmen wie ADL Embedded Solutions neue industrielle Embedded-PC und CPU-Board-Designs (SBC) mit kompakten Formfaktoren auf den Markt.

SBC mit Edge-Connect-Architektur

Ein gutes Beispiel hierfür ist der ADLE3800SEC von ADL, ein nur 75x75mm kleiner Single-Board-Computer (SBC) mit Edge-Connect-Architektur. Der kompakte SBC basiert auf einem aktuellen Atom-Prozessor, aus Intels System-on-Chip- (SoC) E3800-Atom Familie (Bay Trail Produktgeneration), welcher bis zu 4GB stromsparenden DDR3L-RAM zur Seite gestellt bekommt. Intel VT-x (mit EPT) steht zur Unterstützung von Virtualisierungs-Aufgaben zur Verfügung. Die integrierte Intel-HD DirectX 11 und Open GL 4.0 Grafikeinheit stellt die Videoausgabe von Full-HD bis WQXGA über Displayport bereit. Der frontseitige Displayport ist via Adapter auch DVI, HDMI und VGA fähig. Für den Anschluss von Sensoren, Kameras und Speicher stehen auf dem SBC zwei Gigabit-LAN auf Basis i210 sowie USB3.0 und eine USB 2.0 Schnittstelle zur Verfügung. Der einfach zugängliche und skalierbare Massenspeicher ist als verschraubtes und verkabelungsfreies M.2 2242 SATA (AHCI) Modul ausgeführt. Über den Edge-Connector auf der Hinterseite des SBC lässt sich das Board um zwei zusätzliche PCI-Express-Devices sowie SATA- und USB-Geräte zur universellen Verwendung erweitern. Durch den weiten Eingangsspannungsbereich des Onboard-PSU von 20 bis 30VDC findet der SBC einfache Integration in typischen Industrie-Szenarien. Ein großer Arbeitstemperaturbereich von -40 bis +85°C prädestiniert den SBC für rauen Einsatz in robusten Embedded-Anwendungen. Er eignet sich für intelligente Systeme mit hohen Anforderungen an Abmessung, Gewicht und Leistungsfähigkeit (SWaP). Die Edge-Connect-Architektur bietet eine zusätzliche Schnittstelle für Hochgeschwindigkeits-I/O-Erweiterungen. Dieser robuste Steckverbinder ermöglicht eine flexible Auslegung von Erweiterungs-PCBs und einer Vielzahl von Baseboard-/Breakout-Board-Konfigurationen. Hierdurch können modular anpassbare IPC-Systeme für unterschiedliche Applikationen wie IoT, Router, Security und Remote, Robotik, UAV, tragbare Computer oder Medizingeräte schnell und bedarfsgerecht realisiert werden. (siehe Aufmacher). Kompakte Lösungen wie der ADLE3800SEC oder das Derivat ADLEPC-1500 (siehe Bild auf dieser Seite) erleichtern die IIoT-Implementierung, da sie die Kompatibilität mit IoT-Entwicklungsplattformen wie Microsoft Azure und anderen Optimierung der Sicherheit und Gesamtstabilität beibehalten. Ihre wesentliche Funktionalität und Leistungsfähigkeit bei allgemein niedriger Anschaffungs- und Betriebsinvestition trägt dazu bei, die für effiziente Verteilung der Datenspeicherung und Datenanalyse anfallenden Kosten bei der Erstellung von Fog- und Mist-Strukturen zu reduzieren.

Der kompakte Embedded-PC ADLEPC-1500 ist gemäß Microsoft Azure zertifiziert. (Bild: ADL Embedded Solutions GmbH)

Entwicklerfreundlicher Embedded-PC

Der ADLEPC-1500 ist ein voll ausgestatteter Embedded-PC mit Abmessungen von nur 86x81x33mm (BxTxH). Der PC basiert auf dem Single-Board-Computer (SBC) ADLE3800SEC und zeichnet sich durch einen weiten Eingangsspannungsbereich von 20 bis 30VDC (optional bis zu 36VDC) sowie einen großen Temperaturbereich von maximal -40 bis +85°C aus. Dies macht ihn zur Lösung für eine Vielzahl von Anwendungen und Umgebungen, zum Beispiel für unbemannte Systeme (UAV), industrielle Steuerungen, Robotik, Verkehrsmanagement und Überwachung. Untergebracht ist der Embedded-PC in einem industrietauglichen CE/FCC-konformen Gehäuse mit Befestigungsoptionen für DIN RAIL, VESA und Direktmontage. Über die Edge-Connect-Architektur des SBC kann der ADLEPC-1500 problemlos nach kundenspezifischen Anforderungen um zusätzliche Schnittstellen und Funktionen erweitert werden. Dies ermöglicht es , kundenspezifische Erweiterungskarten über mehrere Prozessor-Generationen hinweg ohne Mehraufwand wie Re-Design oder Entwicklung zu nutzen. Eine deutliche Einsparung und geringeres Risiko in Entwicklung und Design sind dabei unmittelbare Vorteile.

Autor: JC Ramirez,
Entwicklungsdirektor,
ADL Embedded Solutions GmbH
www.adl-europe.com

Hardware für Fog- und Mist-Computing im IIoT
Bild: ADL Embedded Solutions GmbH


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