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Smartmanager Pro – ein industrietauglicher Kleincomputer, Quelle: STV-Electronic
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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis

Raspberry Pi – industrietauglich gestaltet

22.12.2022

Die Fortschritte bei der Elektronik sowie in der Computer- und Netzwerktechnik bestimmen in den letzten Jahrzehnten die Entwicklungen im Bereich der Automatisierungstechnik. Auf der Basis des Einplatinencomputers Raspberry Pi ist eine nahezu unübersehbare Fülle innovativer Lösungen entstanden. Damit wurde die Geräteentwicklung nachhaltig beeinflusst.

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Im Unterschied zum Raspberry Pi, der als Einplatinencomputer über alle nötigen Schnittstellen zum Anschluss von Peripherie und zur Einbindung in ein Netzwerk verfügt, sind beim Compute-Modul lediglich die GPIOs auf eine Steckleiste herausgeführt. Der konzeptionelle Unterschied resultiert aus der Tatsache, dass das Compute-Modul ausdrücklich und ganz speziell für den industriellen Einsatz konzipiert wurde. Das verschafft den Entwicklern eingebetteter Systeme mehr Freiheitsgrade bezüglich der konstruktiven Gestaltung ihrer Geräte bei gleichzeitiger Beibehaltung der Vorzüge des Raspberry Pi bezüglich des Betriebssystems und der Programmierwerkzeuge. Hinzu kommt bei der Ausstattung mit Speicherplatz, das verschiedene Varianten verfügbar sind. Das Raspberry Pi Compute Modul CM3+ wird in zwei Grundvarianten angeboten:

  1. ohne Flash-Speicher, aber mit Micro-SD-Kartenslot (vom Anwender können Micro-SD-Karten bis 64 GByte gesteckt werden),
  2. mit Flashspeicher, aber ohne SD-Kartenslot (es stehen drei Varianten mit jeweils 8, 16 oder 32 GByte zur Wahl).

Damit kann in jedem Fall die für den jeweiligen Einsatzzweck kostenoptimale Variante gewählt werden. Alle Varianten sind mit einem 4-Kern Broadcom BCM2837 mit 1 GByte RAM als SoC (System-on-Module) ausgerüstet, der mit 1,2 GHz getaktet wird. Zur Wärmeableitung ist auf dem SoC ein Kühlkörper angebracht. Die in Schloß Holte-Stukenbrock (Ostmünsterland) beheimatete STV-Electronic GmbH ist mit etwa 30 Mitarbeitern ein typisches mittelständisches Technologieunternehmen. Im Mittelpunkt der Arbeit des seit mehr als 25 Jahren bestehenden Betriebes steht die Entwicklung innovativer Hard- und Softwarelösungen in verschiedenen Bereichen der Automatisierungstechnik wie etwa der Antriebstechnik, der industriellen Bildverarbeitung und der Feldbustechnik. Das Unternehmen entwickelt und fertigt Industrierechner zur Bildverarbeitung und zur Steuerung von CNC-Maschinen. Dazu passend werden Programme zur Konfiguration und Visualisierung von Antrieben sowie zur Datenanalyse und Bildverarbeitung angeboten. Mit dem Smartmanager 4.0 wurde ein Gerät geschaffen, dass aktuellen Trends wie etwa der Orientierung auf Open-Source-Lösungen oder die Nutzung des MQTT-Protokolls zum Datenaustausch folgt und zugleich die eigene Gerätepalette komplettiert.

Gerätetechnik

Mit dem Smartmanager 4.0 wurde ein industrietauglicher Kleincomputer entwickelt, der eine Vielfalt von Einsatzmöglichkeiten bietet. Die Gerätefamilie basiert auf dem speziell für den industriellen Einsatz geschaffenen und seit dem Jahr 2019 in mehreren Varianten verfügbaren Raspberry Pi Compute Module 3+. Grundausstattung. Die verschiedenen Smartmanager-Varianten sind mit einem speziell angepassten Debian-Linux ausgestattet 
und werden daher auch als Linux-Controller bezeichnet. Die Geräte werden in einem für die Montage im Schaltschrank geeigneten Hutschienengehäuse (IP20) geliefert. Für die Spannungsversorgung wird eine Gleichspannung von mindestens 12 V bis maximal 30 V benötigt. Eine Echtzeituhr mit einem 24-h-Pufferspeicher sorgt für einen sicheren Weiterbetrieb auch nach kurzzeitigen Unterbrechungen der Spannungsversorgung. An der Vorderseite des Gerätes befinden sich neben der Power-LED zwei frei programmierbare Status-LEDs sowie zwei ebenfalls frei programmierbare Tasten. Varianten und Schnittstellen. Die angebotenen Gerätevarianten des Smartmanagers resultieren im Wesentlichen aus den verfügbaren Compute-Modulen (siehe Kasten). Neben einem Modell mit einem Micro-SD-Kartenslot gibt es drei Modelle mit Flash-Speichern von jeweils 8, 16 und 32 GByte. Auf die Ausstattung mit Schnittstellen hat das aber lediglich an einer Stelle Einfluss. Während die Gerätevariante mit Micro-SD-Kartenslot über 2 x RS485 verfügt, bieten die Varianten mit Flash-Speicher jeweils 1 x RS485 und 1 x RS232. Die vorhandenen Schnittstellen erlauben vielfältige Möglichkeiten zur Anbindung von Peripherie. Die seriellen Schnittstellen (insbesondere RS485/Modbus) ermöglichen den Anschluss entsprechender Sensorik und Aktorik. Mit den Ethernet-Anschlüssen kann eine Einbindung in IP-Netze erfolgen und über die HDMI-Schnittstelle kann ein Display angeschlossen werden. Die Nutzungsmöglichkeiten der USB-Anschlüsse reichen vom Programmieren, über das Anbinden von Speichern bis hin zur Integration weiterer Ein-/Ausgänge (I/O). Ähnliches gilt für den Erweiterungsbus. Auch hier können weitere I/Os, aber auch Übergänge zu anderen Netzen (z. B. M-Bus, LON) bereitgestellt werden. Software und Einsatz. Die Beliebtheit des Raspberry Pi resultiert nicht zuletzt aus der Vielfalt der frei verfügbaren Programmierwerkzeuge. Welchem Werkzeug der Vorzug gegeben wird, hängt vor allem von zwei Faktoren ab: Den durch die Ausbildung geprägten „Vorlieben“ des Anwendungsentwicklers und dem jeweiligen Anwendungsfall. Bezüglich der Einsatzmöglichkeiten lassen sich zwei größere Bereiche ausmachen. Einerseits der Einsatz zu Zwecken der Steuerung und der Gewinnung und Sammlung von Prozessdaten im Sinne eines Edge-/Fog-Knotens. Andererseits die vorzugsweise Ausrichtung als Steuerungsrechner im Sinne einer SPS. Edge-/Fog-Knoten. In diesem mit Sicherheit häufigsten Anwendungsfall läuft auf dem System das vom Hersteller vorinstallierte Linux-Derivat (oder ein anderes). Zur Programmierung stehen alle für dieses Betriebssystem in der Mehrzahl frei verfügbaren Programmierwerkzeuge zur Verfügung. Bei den textorientierten Sprachen sind dies unter anderem Phyton, C/C++, Basic-Dialekte, Java, Node.js. Als visuelle Tools kommen beispielsweise Scratch oder das aktuell beliebte Node-RED zum Einsatz. Mit Mosquitto gibt es zudem eine Broker-Software für das MQTT-Protokoll. Für die Haus- und Gebäudeautomation können zudem Werkzeuge wie FHEM, ioBroker und Open Home Automation Bus (openHAB) genutzt werden. Einsatz als SPS. Der Smartmanager 4.0 kann unter Nutzung der zuvor genannten Tools ohne jede Einschränkung als vollwertige SPS genutzt werden. Eine praktikable Lösung bietet jedoch die Nutzung des in der Automatisierungsbranche weit verbreiteten Programmiersystems Codesys. Dieses Werkzeug unterstützt alle gemäß DIN EN 61131-3 vereinbarten Programmiersprachen, darunter die vielfach bevorzugten visuellen Sprachen Kontaktplan- und Funktionsbausteinsprache. Voraussetzung für die Nutzung dieses kostenpflichtigen Werkzeugs ist die Installation des Codesys-Laufzeitsystems.


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