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Mit Raspberry Pi SPS und PC neu definiert

Die kompakten Compute Module basieren auf Raspberry Pi und können als Kleinsteuerung  oder „IoT“-Modul eingesetzt werden

Die kompakten Compute Module basieren auf Raspberry Pi und können als Kleinsteuerung oder „IoT“-Modul eingesetzt werden

01  Joachim Kurpat ist Head of Product Management bei der Kunbus GmbH

01  Joachim Kurpat ist Head of Product Management bei der Kunbus GmbH

04  Der Rev-Pi Core ist die zentrale Rechnereinheit (CPU) des modularen Systems

04  Der Rev-Pi Core ist die zentrale Rechnereinheit (CPU) des modularen Systems

Raspberry Pi auf Industrieniveau – das beinhaltet das neue Compute Module von Kunbus, mit welchem die SPS und der PC für den Industriebereich neu definiert werden soll. Die etz-Redaktion hat sich exklusiv bei Joachim Kurpat, Head of Product Management bei Kunbus, über die Technologie und die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des flexiblen Moduls erkundigt, welches erstmals auf der SPS IPC Drives 2016 vorgestellt wird.

Kleinsteuerungen sind heute oft geschlossene Systeme mit einem nur begrenzten Anwendungskreis“, betont Joachim Kurpat von Kunbus (Bild 1). „Vor allem aber gibt es kein Ecosystem.“ Raspberry Pi hat dieses Ecosystem, ist allerdings bisher nicht für den Industriebereich geeignet. „Dies wollen wir ändern“, setzt der Kunbus-Manager fort. „Wir definieren die SPS und den PC für die Industrie mithilfe des Raspberry Pi neu.“ Das Ergebnis ist das modulare „IoT“-Modul Rev-Pi, wobei Rev für Revolution steht. Die möglichen Anwendungen reichen weit über die einer Standard-SPS hinaus. „Wir adressieren neben der Industrie auch den Smart-Home-Bereich und die sogenannte Maker-Szene. Ausgerüstet mit analogen und digitalen Schnittstellen dient das Modul auch als flexibles ,IoT‘-Gateway für Big-Data-Anwendungen.“

Flexible Hardware
Der Rev-Pi Core ist die zentrale Rechnereinheit (CPU) des modularen Systems (Bild 2). Das Modul ist weitgehend kompatibel zu einem Raspberry-Pi-Modell B+. Um dies zu erreichen, steckt das Compute Module von Raspberry Pi in einem Sockel der Grundplatine. Genutzt wird der Prozessor BCM2835 mit 700 MHz. Außerdem enthält das Modul einen 500 MByte RAM von Broadcom sowie einen 4 GByte-„eMMC“-Flash-Speicher. Über den Sockel wird das Modul mit 5 V, 3,3 V und 1,8 V Spannung versorgt. Außerdem laufen alle IO-Anschlusssignale über den Sockel.
Ein wichtiges Element des Rev-Pi Core ist das Netzteil. Um minimale Wärmeverluste zu bekommen, werden effiziente DC-DC-Wandler eingesetzt, die aus den in industriellen Schaltschränken üblichen 24 V die benötigten Betriebsspannungen erzeugen. Aber der Picore läuft nicht nur im genormten Spannungsbereich von 20,4 V bis 28,8 V, sondern auch noch bei nur 10,7 V Versorgungsspannung. Also können auch Autobatterien oder Solaranlagen als Spannungsquelle verwendet werden. Bei 24 V Versorgung übersteht der Picore einen Spannungseinbruch von 10 ms ohne Störungen (mit voller Belastung der USB-Buchsen) und sogar 25 ms ohne Last an den USB-Buchsen. Die Versorgungsspannung und eine Funktionserdung werden über einen robusten Steckverbinder von unten angeschlossen. Eine aufwendige Schutzbeschaltung garantiert die unbeeinträchtigte Funktion selbst bei massiven Störungen auf der Stromversorgungsleitung, sofern die Funktionserdung angeschlossen ist.
Der Rev-Pi Core verfügt über drei LED, die jeweils rot oder grün leuchten können. Eine der LED ist für die Kon­trolle des allgemeinen Status reserviert. Die anderen beiden LED werden über das Prozessabbild angesteuert. Je nach dort abgelegten Datenwert leuchten sie mit bestimmten ­Farben und Blinkrhythmen.
An der Frontseite stehen zwei USB-A-Buchsen zum Anschluss von USB-2.0-Client-Geräten zur Verfügung. Beide Buchsen stellen an den 5-V-Anschlüssen die vollen 500 mA Strom bereit. Dadurch können problemlos auch USB-Festplatten oder Surfsticks ohne externen aktiven Hub angeschlossen werden. Die Micro-USB-Buchse in der Mitte dient zum Anschluss eines USB-Host-Systems (üblicherweise ein PC) und schaltet den Rev-Pi Core in den passiven Speicherkarten-Modus um. So kann ein PC auf den eigebauten „eMMC“-Flash-Speicher zugreifen und dort zum Beispiel Software ablegen. An der RJ45-Ethernet-Buchse lässt sich ein LAN anschließen. Alternativ wird die Verbindung zu einem LAN über einen WLAN-USB-Dongle hergestellt. USB- und Ethernet-Anschlüsse verfügen über eine Schutzbeschaltung. Störeinstrahlungen oder ESD können dem Rev-Pi Core nichts anhaben. „Mit LAN, WLAN, Bluetooth sowie Bluetooth Low Energy ist unser Modul bestens für die ,IoT‘- und Cloud-Kommunikation vorbereitet”, betont J. Kurpat.
Der Broadcom-Prozessor stellt hochauflösende Grafikfunktionen zur Verfügung. Deshalb ist der Rev-Pi Core an der Oberseite mit einer Micro-HDMI-Buchse ausgestattet, über die ein Monitor mit Soundausgabe angeschlossen werden kann. Zusammen mit Maus und Tastatur über USB steht so ein vollwertiger PC zur Verfügung.
Eine Real Time Clock mit 24 h Pufferung über wartungsfreie Kondensatoren sorgt dafür, dass der Rev-Pi Core auch bei Netzausfall immer weiß, wie spät es ist. Sobald der Rev-Pi Core an das Internet angeschlossen ist, holt er sich die aktuelle Zeit von einem Timeserver und aktualisiert seinen RTC-Chip dann mit dieser Serverzeit.
Die Pibridge ist der Daten-Highway, der die einzelnen Module von Revolution-Pi miteinander verbindet. Über einen Systemsteckverbinder werden jeweils zwei benachbarte Module auf der Oberseite des Gehäuses miteinander verbunden. Drei Signaltypen werden über diesen Stecker zwischen den Modulen ausgetauscht: Vier Pins der Pibridge ermöglichen beim Startvorgang eine automatische Modulerkennung. Vier Pins der Pibridge dienen der schnellen Kommunikation kleinerer Datenpakete über eine serielle RS-485-Schnittstelle. Acht Pins ermöglichen den schnellen zyklischen Datenaustausch großer Datenmengen über Ethernetsignale. Diesen Kommunikationskanal nutzen die modularen Gateway-Scheiben von Kunbus, die bis zu 512 Byte von den Feldbussen als Master oder Slave einsammeln können. „Die Scheibenmodule lassen sich nahtlos an das IP20-Gehäuse des Hauptmoduls anreihen“, ergänzt J. Kurpat. „Damit entsteht ein komplettes Automatisierungssystem.“
„Eine komplette Konnektivität ist sichergestellt“, setzt J. Kurpat fort. „Unser Modul hat somit Verbindung zu den wichtigen Feldbussen, wie Profinet, Profibus sowie Ethercat, und außerdem zu Gebäudebussen, wie KNX/EIB, Enocean, Bacnet, Zigbee und Gebäudefunksystemen.“ Geplant ist laut dem Automatisierungsexperten auch eine halbhohe Version des Moduls für die Unterverteilung.

Offene Plattform
Der Rev-Pi Core ist eine offene Plattform, auf der angefangen von dem Betriebssystem bis hin zu Applikationen alles installiert werden kann, was auch auf einem Raspberry Pi läuft. Standardmäßig ist auf einem Rev-Pi Core Linux als Betriebssystem mit passenden Treibern für die Rev-Pi-IO- und Gateway-Module vorinstalliert. Darauf aufbauend kann der Anwender im Online-Shop Kunbus die Soft-SPS von Logi.cals und die Scada-Software Spider-Control nutzen. So entsteht eine komplette und betriebsbereite SPS.
Es kann aber auch eine eigene Software unter Linux mit Python geschrieben werden. Dafür werden der Treiber und die optimierte Betriebssystemversion genutzt, um auf alle Prozessdaten zuzugreifen. In einem Speicherbereich wird dafür ein Prozessabbild mit allen aktuellen Prozesswerten vorgehalten.
Als Betriebssystem ist Raspbian (eine Debian-Variante) in der Version Wheezy mit RT-Patch des Kernels 4.1.13 vorinstalliert. Dies ist ein Kompromiss, um so nah wie möglich an der originalen Entwicklungsumgebung eines Raspberry Pi zu bleiben und trotzdem eine hohe Kontrolle über die Priorities der Tasks zu bekommen, die der Scheduler verwaltet. Der Scheduler, der die Ausführung von Tasks durch das Betriebssystem steuert, kann bei diesem modifizierten Kernel umfangreich konfiguriert werden, sodass die üblicherweise durch Netzwerk- und andere IO-Zugriffe verursachten Verzögerungen vermieden werden. Anwender der Soft-SPS-­Lösung müssen sich mit diesen Details nicht befassen. Aber Programmierer, die ihre eigene Software laufen lassen wollen, werden mit technischen Dokumenten unterstützt, um den Scheduler für eigene Applikationen zu konfigurieren.
Basierend auf dem Betriebssystem lassen sich eigene Applikationen installieren oder mit Python eigene Programme schreiben. Für einen vollen Zugriff auf die IO-Erweiterungen der Rev-Pi-Familie wird der Treiber Pi-Control, kurz Pi-Con genutzt. Dieser Treiber sammelt über die Pibridge mit einer definierten Zykluszeit alle Daten der Rev-Pi-Familie ein bzw. verteilt die Daten auf diese Geräte. Die Daten werden dabei in einem zentralen Speicherbereich, dem Prozessabbild abgelegt. Pi-Con läuft als „High Priority Task“ unter Kontrolle des Linux-Schedulers. Dadurch ist die maximale Zykluszeit des Treibers definiert. In der aktuellen Version liegt diese Zykluszeit für ein System mit zwei IO-Modulen zwischen 5 ms und 10 ms.
Picon macht aber mehr, als nur die Datenverteilung. Beim Starten des Systems erkennt Picon über ein eigenes Protokoll auf der Pibridge alle angeschlossenen Module ­eines Systems und auch deren physikalische Position. Picon kann diese Systemkonstellation mit einer Konfigurationsdatei vergleichen, die zuvor mit dem grafischen Konfigurator Pictory erstellt wurden. In der Konfigurationsdatei können auch spezifische Konfigurationswerte für jedes Modul stehen, die Picon beim Starten an die Module verteilt, um deren Betriebsarten und Verhaltensweisen einzustellen.
Alle zyklisch ausgetauschten Prozessdaten stammen aus einem zentralen Prozessabbild im Rev-Pi Core oder werden dort abgelegt. Das ist ein Speicherbereich, in dem die Prozessdaten an vorbestimmten Adressen abgelegt werden. Dafür ist Picon zuständig, der mit dem Rev-Pi Core ausgeliefert wird. Die Prozessdaten lassen sich nicht nur über die Pibridge austauschen, sondern auch über USB, Ethernet oder die GPIO-Anschlüsse des Compute Moduls. Entwickler können über einfache Aufrufe des Betriebssystems in das Prozessabbild schreiben oder von dort lesen. Eigene Programme werden nahtlos in das modulare Hardwarekonzept eingebunden.
Neben Picontrol werden nach und nach weitere Treiber veröffentlicht, mit denen zum Beispiel Daten zwischen ­einem MQTT-Broker und dem Prozessabbild oder über einen seriellen USB-Kanal Daten zwischen dem Prozessabbild und zum Beispiel einem Arduino oder einem Enocean Transceiver ausgetauscht werden können.

Mit Soft-SPS und Visu
Für das Modul stehen der IEC-61131-3-kompatible Editor Logi.CAD 3 für PC von Logi.cals zusammen mit Logi.RTS, dem dazugehörigen Runtime-System, das auf dem Rev-Pi Core läuft, und die mit Logi.CAD 3 erstellten Steuerungsabläufe umsetzt sowie der Visualisierungssoftware Spidercontrol zur Verfügung.
Das Runtime-System Logi.RTS greift zyklisch auf das Prozessabbild zu. Logi.CAD 3 läuft auf dem offenen Basisframework Eclipse. Dies gewährt eine langfristige Verfügbarkeit der Komponenten und ist zudem auf Windows, Mac OS X sowie auf allen gängigen Linux-Distributionen einsetzbar. Die Zielsetzung von Logi.CAD 3 ist die Unterstützung von teamübergreifendem effektivem Programmieren von Steuerungsapplikationen. Features, wie nachvollziehbare Änderungen im erzeugten Code, Integration von Qualitätssicherungs- und Aufgabenverwaltungswerkzeugen sowie ein schnelles Feedback bei Eingabe von fehlerhaftem Code, sind der Schlüssel, um diese Zielsetzung zu erreichen.
Die Konfigurationsdatei kann mit einem PC oder direkt auf dem Revolution Pi erstellt werden – und zwar mit dem grafischen Konfigurator Pictory. Dies ist eine Webanwendung und kann daher mit jedem Browser bedient werden. Dabei kann Pictory auf dem Rev-Pi selber laufen oder auf jedem PC.
Spidercontrol von der Firma Ininet verwendet einen Webserver (Scada-Server) auf dem Rev-Pi Core, um die Prozessdaten mit einem beliebigen Browser auszutauschen und zu visualisieren. Mit dem zugehörigen Editor werden einfache Anzeigen oder auch komplexe Prozessvisualisierungen mit Alarmen und Sollwerteingaben realisiert werden. Webserver und -browser können die Daten über eine gesicherte Verbindung auch über das Internet austauschen. Mithilfe eines Basic-Interpreters lassen sich sogar eigene kleine Codezeilen in diese Software einbinden, um zum Beispiel eine Rezeptverwaltung einzubauen. „Neben der Soft-SPS und der Visualisierung sowie den Programmiermöglichkeiten eines Raspberry Pi mit C und C++ planen wir auch die Portierung von Labview von National Instruments auf das Modul“, freut sich J. Kurpat.
Serverdienste (Cloud Services) stellen eine sichere Umgebung für die Verwirklichung von „IoT“-Ideen bereit. So wird ein eigener Dyn-DNS-Server zur Lösung des Problems wechselnder IP-Adressen der Rev-Pi-Geräte erstellt. Crypto-Chips sorgen für Datensicherheit; sie verwalten und stellen die umfangreiche Zertifikate sicher. Daten werden verschlüsselt über das Internet ausgetauscht. Weiterhin werden SMS- und Text-to-Speech-Gateways mit minimaler Reak­tionszeit zur Verfügung gestellt, um zum Beispiel System­alarme zu versenden. Es ist davon auszugehen, dass die Raspberry-­Pi-Community in ihrem funktionierenden Ökosystem schnell weitere Dienste zur Verfügung stellen wird. (hz)