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01 Rahman Jamal, Technical & Marketing Director Europe der National Instruments Germany GmbH, (links) und Dr. James Truchard, Präsident, CEO sowie Mitbegründer von National Instruments, (rechts) mit der MSR-Embedded-Plattform Compactrio 9068

Cyber-Physical Systems auf Basis von Graphical System Design

02 Bei dem Software-Designed-Controller Compactrio 9068 bilden Prozessor und FPGA eine Einheit

03 Labview 2013 unterstützt auch Linux Realtime

04 Bei der Vorstellung wurde das Ethernet-Chassis NI Compactdaq 9188XT mit einem Hammer aus einem Stein befreit

Cyber-Physical Systems sind ein Pfeiler der nächsten industriellen Revolution. Realisieren lassen sie sich mit grafischem Systemdesign. Damit befasst sich National Instruments schon seit Jahren und führt die Steuerungs- und Regelungstechnik mit der Messtechnik zusammen. Dass sich mit der offenen Embedded-MSR-Plattform auch große Engineering-Herausforderungen lösen lassen, wurde auf der NI-Week 2013 deutlich.

Spätestens seit der Hannover Messe 2013 ist bekannt, dass die Initiative „Industrie 4.0“ als Innovationsmotor für den Wirtschaftsstandort Deutschland dienen soll. Das derzeitige Zusammenwachsen von Informationstechnik, Datenverarbeitung und industrieller Fertigung ist ein Innovationssprung, der mit der Entwicklung der Dampfmaschine zu vergleichen ist. „Man mag dazu stehen, wie man will – technisch gesehen ist Industrie 4.0 ganz sicherlich kein Hype, sondern unter Schlagworten wie „Internet der Dinge“ oder vor allem Cyber-Physical Systems (CPS) bereits seit Jahren in der Entwicklung“, berichtet Rahman Jamal (Bild 1), Technical & Marketing Director Europe der National Instruments Germany GmbH. So schuf die Forschungsgesellschaft National Science Foundation den Begriff Cyber-Physical Systems im Jahr 2006 und initiierte hierzu eine Reihe wegweisender Workshops. „Schon damals habe ich unsere Vision zum Erstellen von CPS vorgestellt“, schildert Dr. James Truchard (Bild 1), Präsident, CEO und Mitbegründer von National Instruments. Wenn man sich den Begriff CPS näher anschaut, wird deutlich, warum NI hier schon so lange aktiv ist: „Cyber“ deutet auf „vernetzt“ und „intelligent“ hin, „Physical“ auf die Anbindung an die reale Welt über IO und „Systems“ zielt auf die eingebetteten Regel- und Steuersysteme ab. Spätestens hier ist zu erkennen, dass bei CPS die IT-Welt und die Mess- und Automatisierungstechnik ineinandergreifen. „Unser grafisches Systemdesign bildet eine ganzheitliche Plattform bei der Umsetzung von CPS“, erläutert R. Jamal. So lassen sich damit die großen Engineering-Herausforderungen lösen sowie intelligente technische Systeme jeglicher Art disziplinübergreifend zur Anwendung bringen. Das Graphical System Design abstrahiert einerseits die zunehmende Komplexität und macht sich andererseits die modernsten kommerziellen Technologien zunutze. Es umfasst Hard- und Software, ist modular sowie rekonfigurierbar und stellt vielfältige Ausführungsplattformen zur Verfügung. „Dabei geht es vor allem auch darum, dass sich die Entwickler auf ihre eigentlichen Aufgaben konzentrieren können und nicht erst unterschiedliche Entwicklungsumgebungen erlernen müssen. Wesentlich dafür ist der softwarezentrische Ansatz, bei dem die Integration des Gesamtsystems im Vordergrund steht“, verdeutlicht R. Jamal den Ansatz von National Instruments. Die entsprechende offene Plattform für das grafische Systemdesign ist Labview. Damit können Anwender so programmieren, wie sie wollen und nicht, wie es die jeweilige Programmierentwicklungsumgebung vorgibt.

Die offenste Compactrio-Plattform aller Zeiten
Konsequent entwickelt National Instruments die Werkzeuge für das Graphical System Design weiter. Zu den auf der NI-Week in Austin 2013 neu vorgestellten Werkzeugen gehört der softwaredesignte Controller NI Compactrio-9068 (Bild 2). Laut Dr. J. Truchard ist dies die offenste Compactrio-Plattform, die es je gab. Darin sind moderne Technologien integriert, zum Beispiel die Zynq-7020-All-Programmable-SoC-Technologie von Xilinx, die einen Dual-Core-Prozessor Cortex-A9 von ARM und einen Xilinx-7-FPGA kombiniert. Auf jeden Fall behält der Controller uneingeschränkte Kompatibilität mit NI Labview und den IO-Modulen der Plattform NI Compactrio bei. Die gewohnte Programmierung mit Labview stellt sicher, dass die neue Technologie sowohl in neuen als auch in bereits existierenden Designs mit minimalem Aufwand genutzt werden kann. Die vorhandene Labview-Anwendungssoftware lässt sich problemlos zum Beispiel von einem bisherigen Compactrio-System auf den softwaredesignten Controller übertragen. Der neue Compactrio-Controller basiert auf der Labview-RIO-Architektur (rekonfigurierbare IO) und unterstützt den Anwender bei der Bewältigung anspruchsvoller Embedded-Steuerungs-, -Regelungs- und -Überwachungsaufgaben jeglicher Art, ohne dass dieser bei der Entwicklung unnötig Zeit oder Kosten investieren muss. Das bei National Instruments übliche robuste Gerät hat einen erweiterten Betriebstemperaturbereich von –40 °C bis 70 °C. Die Leistung ist aufgrund des Dual-Core-Prozessors Cortex-A9 von ARM mit 667 MHz und Artix-7-FPGA von Xilinx viermal schneller als bei der vorherigen Generation. Mit einem Quad-Core-Prozessor, an dessen Integration National Instruments arbeitet, soll sich die Leistungsfähigkeit nochmals um das 30-fache erhöhen. Bei der Plattform ist die Software der Schlüssel zum Erfolg. So lässt sich auch bei der Embedded-MSR-Plattform Compactrio das Innenleben des Controllers und damit die Funktion des Geräts individuell programmieren. Da sich die Funktionalität anwendungsspezifisch anpassen lässt, muss man keine kundenspezifische Hardware mehr bauen.

Labview mit Linux Realtime
Das neue Linux-basierte Echtzeitbetriebssystem dieses Controllers ermöglicht Anwendungsentwicklungen mit Labview Real-Time sowie C/C++. Die Unterstützung des Betriebssystems NI Linux Realtime in Labview 2013 (Bild 3) bietet Entwicklern Zugriff auf eine Vielzahl von Community-basierten Bibliotheken und Anwendungen, um ihre Steuer-, Regelungs- und Überwachungssysteme zu erweitern. Labview 2013, die neue Version der Plattform für das grafische Systemdesign, bietet ebenfalls erweiterte Zugriffsmöglichkeiten. Dazu gehören die einfachere Erstellung von Webdiensten sowie der sichere, Browser-basierte Zugriff über den Industriestandard Webdav. Die aktuelle Version macht das Entwickeln komplexer, webbasierter Systeme intuitiver als bisher. Die Software, welche das Kernstück der NI-Idee für das Graphical System Design bildet, unterstützt innovative Technologien und gestattet gleichzeitig, die Reduzierung der Komplexität des Designs von Anwendungen unterschiedlicher Art, angefangen bei einfachen Messaufgaben bis hin zu vollständig automatisierten Testsystemen. Codeverwaltung, Dokumentation und Review-Werkzeuge sorgen für höhere Zuverlässigkeit und bessere Qualität für komplexe Anwendungen. Mobile Plattformen, wie iOS und Android, ermöglichen die Nutzung von Dashboards für die dezentrale Überwachung und Systemkontrolle. Die neuen Funktionen werden durch das gängige Programmierparadigma von Labview umgesetzt. Kostspielige Toolchains, betriebssystem- oder hardwarespezifische Schulungen bzw. Kenntnisse sind daher nicht mehr notwendig. Die Umsetzung von kontinuierlichem Anwender-Feedback wird durch die Aufnahme von über 100 neuen Funktionen und Verbesserungen in Labview 2013 sichtbar. Außerdem stellte NI einen integrierten Zugang zum Labview Tools Network vor, einer stetig wachsenden Palette an Zusatzpaketen für Labview, die insgesamt schon über zwei Millionen Mal heruntergeladen wurden. Ebenfalls wurde der Zugang zu Ressourcen vereinfacht und ausgeweitet, die sicherstellen, dass Labview-Programmierer alle Vorteile der Entwicklungsumgebung nutzen können. Zusätzlich umfasst die neue Version aktualisierte Anwendungsbeispiele und neue Beispielprojekte, um Programmierern eine Vielfalt an Ressourcen zur Verfügung zu stellen, die unterschiedlichen Lerntypen gerecht wird. Ein weiteres Beispiel für die Unterstützung moderner IO-Plattformen innerhalb des Frameworks von Graphical System Design, ist das Ethernet-Chassis NI Compactdaq-9188XT (Bild 4) mit acht Steckplätzen. Dieses wurde für verteilte oder dezentrale Messanwendungen in extremen Umgebungsbedingungen entwickelt. Das NI Compactdaq-9188XT kann Temperaturen von – 40 °C bis 70 °C standhalten, hat eine Stoßfestigkeit bis 50 g und eine Vibrationsfestigkeit bis 5 g.

Fazit
All diese Neuerungen veranschaulichen, dass National Instruments seine Grundidee des Graphical System Design stetig um neue Technologien ergänzt. Solch ein Framework erleichtert das Bestreben von Ingenieuren und Wissenschaftlern, einen positiven Beitrag für die Gesellschaft zu leisten, da sich Innovationen damit einfacher umsetzen lassen. Zudem steht damit eine methodische Grundlage zur Verfügung, alle Phasen der Systementwicklung zu optimieren.

Mehr als 4 000 Besucher informierten sich in Austin auf der NI-Week 2013 über die Neuheiten und Anwendungsmöglichkeiten von Produkten von National Instruments

Besucherrekord auf der NI-Week 2013
Am 6. August gab Dr. James Truchard, Präsident, CEO und Mitbegründer von National Instruments, mit der Eröffnung der ersten Key-Note-Session den offiziellen Startschuss zur diesjährigen NI-Week in Austin/Texas. An der dreitägigen Konferenz, auf der National Instruments jährlich seine Produktneuheiten präsentiert, nahmen erstmals über 4.000 Besucher teil. Diese informierten sich bis zum 8. August auf rund 250 interaktiven, technischen Session sowie den Produkten und Lösungen von mehr als 100 Firmen über die Möglichkeiten der embedded Mess-, Steuer- und Regeltechnik. Die Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der neuen Produkte wurden praxisorientiert anhand von interessanten Einsatzbeispielen vorgestellt. So wandelt Localgrid die Energieproduktion in Kanada mit dem Controller NI Compactrio-9068 zu einem Smart-Grid. Labview 2013 wird von Google Lunar Xprize dazu verwendet um eine Mondlandung zu steuern, die in zwei Jahren einen neuen Rover auf den Erdtrabanten absetzen wird. Das Projektteam North American Eagle verwendet das Gehäuse NI Compactdaq-9188XT zur Datensammlung unter besonders harten Umgebungsbedingungen bei ihrem Versuch den Geschwindigkeitsweltrekord an Land zu brechen. Quanser setzt schon das neue NI Myrio ein und steuerte damit einen Quadcopter und flog damit während der Academic Keynote Speech auf der Bühne. Die nächste NI-Week findet vom 5. bis 8. August 2014 in Austin statt. Dr. James Truchard wird übrigens auch auf dem 18. Technologie- und Anwenderkongress „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ eine Keynote halten. Er und Prof. Alberto Sangiovanni- Vincentelli von der University of Berkeley werden dann einen Einblick in die Handlungsfelder der Zukunft rund um das Thema Systemdesign geben. Auf dem VIP 2013 werden sich am 23. und 24. Oktober 2013 rund 700 Teilnehmer in Fürstenfeldbruck bei München, anhand von Ideen und Best- Practice-Beispielen zahlreicher Branchenexperten informieren und inspirieren lassen.

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