Hutschienen-PC mit Raspberry Pi Offene Computing-Plattform für den Schaltschrank

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Markus Hühn* / Sebastian Human

Im Zeitalter der Digitalisierung und des IIoT werden geschlossene Systeme durch offene, frei programmierbare Edge-Computing-Plattformen ersetzt. Auch auf dem Gebiet der Gebäudeautomation können so Lösungen auf Basis des Raspberry-Pi Ökosystems zunehmend attraktiv werden.

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Kann man die Prozessortechnologie in einen multifunktionalen und schaltschranktauglichen Hutschienen-PC integrieren, der selbst in Unterputz-Kleinverteilerkästen passt, eignet sich eine solche Lösung auch sehr gut für die Gebäudeautomatisierung.
Kann man die Prozessortechnologie in einen multifunktionalen und schaltschranktauglichen Hutschienen-PC integrieren, der selbst in Unterputz-Kleinverteilerkästen passt, eignet sich eine solche Lösung auch sehr gut für die Gebäudeautomatisierung.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Die Gebäudeautomatisierung ist seit langem fester Planungsbestandteil in jedem Neubau, in Wohngebäuden ebenso wie Fabriken und allen weiteren gewerblich genutzten Zweckbauten wie Bürogebäude oder Einkaufszentren. Dabei reichen die Aufgaben der Gebäudeautomatisierung von der effizienten Energienutzung bei Klima-, Heizungs-, Lüftungs- oder Beleuchtungstechnik bis hin zu Sicherheitslösungen durch automatisierte Schließtechnik oder Visualisierungen mittels Überwachungskameras.

Die Realisierung solcher automatisierter Gebäudesteuerungen nahm ihren Ausgang in Zweckbauten, wobei in der Automatisierungsebene vornehmlich so genannte Direct Digital Controls (DDCs) und SPS-Bausteine zum Einsatz kamen. Diese erfassen die Informationen der Sensoren aus der Feldebene, verarbeiten die Daten entsprechend ihrer Regelalgorithmen im hinterlegten Steuerungsprogramm und leiten die Ergebnisse als Steuerbefehle an die Aktoren der Feldebene zurück.

Dies hat auch innerhalb unterschiedlicher Gewerke zu einer Vielfalt proprietärer Automatisierungslösungen geführt, zumal auch die verwendeten Übertragungssysteme auf Feldebene oft verschiedene Medien und Protokolle nutzen.

Wer Interoperabilität zwischen den verschiedenen Gebäudeautomatisierungstechnologien herstellen möchte, benötigt eine Plattform, die nicht nur umfassende Hardware-Schnittstellen in Richtung Feldebene bereit stellt, sondern ebenso die Option zur Software-seitigen Integration der verschiedenen Systeme bietet, um damit beispielsweise auch bedarfsgerechte, softwarebasierte SPS-Anwendungen umsetzen zu können. Aktuelle Trends wie Digitalisierung, IIoT und Smart Metering machen es erforderlich, selbst einzelne Gewerke über einen eigenen Edge-Computer anzubinden. Er ermöglicht es, IP-Technologie mit zentralen Dashboards sowie Management- und Maintenance-Clouds nahtlos anbinden. Auch die Integration passender Edge-Logik vor Ort wird dadurch möglich. Diese muss zunehmend frei programmierbar sein, um dem wachsenden Bedarf nach beispielsweise Smartphone-basierter Steuerung einer jeden Gebäudefunktion gerecht werden zu können oder auch Inferenzlogik auszuführen, die für Predictive Maintenance Zwecke erforderlich ist, da man nicht jeden Messwert in die Cloud schieben will oder auch kann.

Mehr Freiheit in der Gebäudeautomation

OEMs und Systemintegratoren suchen daher nach einer Lösung für Gebäudeautomatisierungen, die flexibel und kostenoptimiert in den Schaltschrank integriert werden kann. Eine ideale Lösung können Plattformen auf Basis des neuen, leistungsoptimierten Raspberry Pi 3 B+ sein. Sie sind mit einer quelloffenen Linux-Distribution ausgestattet und können an spezielle Bedürfnisse angepasst werden. Somit hat man auch bei der Installation weiterer Software wie Entwicklungsumgebungen oder Automatisierungsanwendungen, die auf solchen Edge-Zentralen für die Gebäudeautomation und Steuertechnik zum Einsatz kommen sollen, nahezu keine Einschränkungen. Worin liegen aber die spezifischen Vorteile eines Ansatzes mit Raspberry Pi?

Vom gemeinnützigen Lehrobjekt zur Industrieplattform

Im Jahre 2012 wurde der Raspberry Pi in seiner ursprünglichen, ersten Version für Lehrzwecke als besonders kostengünstige und dennoch vollständige Open-Source-Entwicklungsplattform in den Markt eingeführt. Jeder, der sich für IT-Hardware, im Besonderen aber für Hardware-Programmierung und -Entwicklung interessierte, konnte mit dem kostengünstigen Einplatinencomputer praktisch sofort loslegen. Und so dauerte es auch nicht lange, bis die Geräte zunehmend als praktikable Entwicklungsplattform in der Embedded-Industrie eingesetzt wurden, da der Raspberry als vollwertiger Linux-Mini-Rechner gleichzeitig als Entwicklungs- und Testplattform genutzt werden konnte.

Bis heute wurden insgesamt rund 30 Millionen Raspberry-Pi-Geräte verkauft, was sich zudem in einer beeindruckend großen Online Support Community widerspiegelt. Inzwischen ist der Raspberry Pi auf dem besten Weg, selbst zu einer neuen Standard-Industrie-Plattform zu werden. So nutzt beispielsweise Oracle einen Cluster von 1060 Raspberry Pis für den weltweit größten Pi-Supercomputer. Und das Jet Propulsion Laboratory der NASA hat einen Bauplan veröffentlicht, der eine Raspberry Pi als Basis für den Nachbau des Mars-Rovers nutzt. Nun macht sich der Minicomputer auf, auch industrielle Einsatzbereiche zu erobern.

Industrietauglicher Raspberry

Die Version 3 des Raspberry Pi in Form des industriell robusten BCM2837-SoC von Broadcom bietet hierzu beispielsweise einem 1,2-GHz-Quadcore-ARM-Prozessor samt großzügig ausgelegter Visual Processing Unit (400 MHz). Die vier Arm Cortex-A53 Cores sind dabei für die hohe Rechenleistung verantwortlich, damit die Plattform selbst sehr komplexe Aufgaben im IoT-/Edge-Bereich der Gebäudeautomation übernehmen kann. Die Armv8-A -Architektur beeindruckt dabei durch bis zu 60 Prozent mehr Leistung als ihr Cortex-A7 Vorgänger. Zudem bietet sie auch ein verbessertes Power-Management für eine minimale Wärmeentwicklung, so können entsprechend entwickelte Systeme selbst bei extremen Temperaturen von -40 °C bis +55 °C im Schaltschrank innen wie außen ohne aktive Lüftung auskommen.

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Wichtig ist, dass Open-Source-basierte Raspberry-PC Systeme voll industrietauglich ausgelegt sein sollen und speziell für den Einsatz im industriellen Sektor entworfene SODIMM Prozessor-Module nutzen, für die alleine schon über die Raspberry Foundation eine Langzeitverfügbarkeit bis mindestens 2026 garantiert ist. Praktisch ist es zudem, wenn der On-Board-eMMC-Flash der Raspberry Pi basierten Systeme in unterschiedlichen Speicherkapazitäten geordert werden kann, damit für jede Anwendung bedarfsgerecht Speicherplatz zur Verfügung steht und nicht zu viel für unnützen Speicher bezahlt werden muss. Alternative Varianten mit SD-Slot bieten OEMs noch mehr Flexibilität.

Ein solch modularer Aufbau bietet neben der entsprechenden Planungssicherheit zusätzliche Flexibilität und Skalierbarkeit, da Industrie-PCs damit auch hardwareseitig durch performantere CPU-Module erweitert werden können. So können Anbieter die Langzeitverfügbarkeit ihrer Industrie-PCs auch auf 10 Jahre ansetzen, um eine weitere wichtige Voraussetzung für elektronische Komponenten im industriellen Einsatz zu erfüllen.

Schnittstellenvielfalt und flexibler Einbau

Auch das Angebot an Kommunikationsschnittstellen sollte auf industrielle Anforderungen ausgelegt sein. Zum Pflichtprogramm zählen Ethernet, USB 2.0 und idealerweise galvanisch getrennte, terminierbare serielle RS485- beziehungsweise RS232-Schnittstellen. Praktisch ist es zudem, wenn sich zusätzliche Funktionalitäten wie WLAN, Feldbus- und weitere I/O-Anbindungen beispielsweise über Zusatzmodule bei Bedarf leicht ergänzen lassen. Um Raspberry-Pi basierte Systeme an beliebige, bereits vorhandene Stromquellen im Schaltschrank anschließen zu können, sollte zudem auch ein Weitbereichsnetzteil von 12 bis 30 V im Pflichtenheft stehen.

Freie Programmwahl

Maximale Flexibilität bieten solche Systeme, wenn OEM ihre gewünschte Programmierungs-, Steuerungs- oder Automatisierungsplattformen frei wählen können. Dazu bieten serviceorientierte Anbieter solcher Systeme ein applikationsfertiges und passgenau zugeschnittenes Linux OS, einen umfassenden Software- und Integrationssupport sowie laufend aktuelle Sicherheits-Patches. So kann auf solchen Systemen mit CoDeSys, NodeRed, Node.js, C, C++ sowie zahlreichen weiteren Umgebungen programmiert und entwickelt werden. Oder man installiert sich eine Gebäudeautomationsplattform wie FHEM und openHAB zur Steuerung der Peripherie. Oder verwandelt den Mini-PC mit Mosquitto in einen MQTT-Broker. Systemintegratoren profitieren dabei von der riesigen Community der Raspberry-Pi-Nutzer mit unzähligen detaillierten Projekten, Hilfestellungen und Problemlösungen. So können sie auf Basis industriegerechter Open Source Lösungen für viele Aufgabenstellungen in der Gebäudeautomatisierung und industriellen Steuerungstechnik Lösungen in industrieller Qualität, applikationsfertig bereitstellen und ihren Kunden eine hohe Langzeitverfügbarkeit gewährleisten.

* Dipl.-Ing. Markus Hühn arbeitet als Geschäftsführer der STV Electronic.

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