Unser Know-how

Grundlegend

…werden Mikrocontroller und andere eingebettete Geräte oft ohne Betriebssystem verwendet. Sie erfüllen ihre Aufgaben immer in einer festgelegten Reihenfolge und nutzen also kein Multitasking. Das Potential der vorhandenen Technik bleibt somit vielfach einfach ungenutzt. Moderne Anwendungen verlangen allerdings nach der Nutzung des kompletten Hardwarepotentials. Für diesen Fall wird ein entsprechendes Betriebssystem benötigt. Für eingebettete Geräten ist hier FreeRTOS die ideale Wahl. Es ist schlank, bietet die Möglichkeit des Multitasking, erlaubt diverse Möglichkeiten der Speicherverwaltung und ist für ein breites Spektrum an Mikrocontrollerfamilien verfügbar.

Unsere Arbeit mit FreeRTOS

Bei SYS TEC electronic ist FreeRTOS fester Bestandteil unserer Microcontroller- basierten Lösungen, welche in Kundenprojekten und Eigenprodukten zum Einsatz kommen. Ausschlaggebender Vorteil ist die Möglichkeit, den Mikrocontrollern die Fähigkeit des Multitasking zu geben, um Warte- und Leerlaufzeiten zu minimieren. Das Gesamtsystem lässt sich auf diese Weise in Bezug auf Latenz und Deterministik deutlich verbessern. Für die Ausführung bestimmter Aufgaben muss länger auf Datensätze gewartet werden. Unter Einsatz von FreeRTOS muss das System nicht blockieren und ist in der Lage, parallel andere Tätigkeiten ausführen, ohne Zeit zu „verschwenden“.

Ein praktisches Anwendungsbeispiel von FreeRTOS ist bei unserem Modul sysWORXX SSM-100 in Verbindung mit der Körperschallanalyse zu finden. Während das Modul auf die, autonom von der Hardware, aufgenommenen Beschleunigungsdaten wartet, werden gleichzeitig aufwändige Berechnungen der vorherigen Messreihe durchgeführt und über Ethernet versendet. Dadurch wird die Betriebszeit des Moduls vollständig ausgenutzt.

Die flexible Speicherverwaltung ist ein weiterer Faktor für den Einsatz in der SYS TEC electronic Entwicklung. Denn diese lässt sich wahlweise dynamisch oder statisch verwenden. Die dynamische Variante ist einfacher einzusetzen, sie birgt jedoch die Gefahr von Laufzeitfehlern, bspw. durch Memory-Leaks. Wird die statische Speicherverwaltung gewählt, können Prozesse optmial geplant und ausgeführt werden. Dies sorgt für effizientere Nutzung des Speichers, gleichzeitig kann die Anwendung schneller und zuverlässiger arbeiten.

Grundlegend

Um kostenintensive Ausfallzeiten zu vermeiden und vorausschauend zu warten, ist eine permanente Überwachung der Maschinendaten empfehlenswert. Dies wird bspw. durch die Analyse von Körperschall möglich.

Dabei werden die erzeugten Schwingungen einer Maschine (erzeugt durch Wellen, Lagern, usw.) über angebrachte Sensoren aufgenommen und die jeweiligen Sensordaten mittels eines Analyseverfahrens aufbereitet und ausgewertet. Insbesondere Schwingungsfrequenzen, welche durch die einzelnen Maschinenkomponenten erzeugt werden, lassen sich mit dieser Methode erkennen und auswerten. Schäden an den Komponenten werden so durch visuell abgebildete Frequenzen sichtbar, lange bevor die Maschine ausfällt.

Unsere Arbeit im Bereich Körperschallmonitoring

Mit der Hauptsteuerung sysWORXX CTR-700, welche als Edge-Controller fungiert, und dem Messmodul sysWORXX SSM-100 entwickelte unser Team bei SYS TEC electronic eine kompakte Lösung zum Thema Körperschallanalyse. Das SSM-100 nimmt über Beschleunigungssensoren die Schwingungen direkt an der Maschine auf und berechnet mittels Fast Fourier-Transformation das Frequenzspektrum. Anhand dieses Spektrums lassen sich die einzelnen Schwingungen visualisieren, die die Maschine erzeugt. Entsteht ein Schaden in der Maschine, beispielsweise ein Lagerriss, ist dies in einem veränderten Frequenzspektrum zu erkennen.

Bis zu sechs Kanäle können simultan analysiert werden, um beispielsweise an zwei Messpunkten die drei Raumachsen einzeln zu erfassen. Der Frequenzbereich reicht von 1 Hz bis 1 kHz. Die verwendeten Transformations- und Filteralgorithmen sind flexibel und können an individuelle Anforderungen angepasst werden. Darüber hinaus ist diese Lösung kombinierbar mit weiteren Standardsensoren und -aktuatoren (z. B. Temperatur, Energieaufnahme, Luftfeuchte, …).

So entsteht ein umfängliches Gesamtbild des Maschinen- bzw. Anlagenzustandes. Dies ermöglicht unseren Kunden, die Maschinenanalyse an Anlagen unterschiedlichen Alters, beispielsweise auch hinsichtlich des Energiemonitorings, zu erweitern.

Grundlegend

Oftmals scheitern die Digitalisierung bzw. das Retrofit einer Fertigungslinie oder eines Bürogebäudes daran, dass es aufwändig und kostenintensiv ist, eine bestehende Anlage nachträglich „intelligent“ zu
machen. Die Erfassung von Umweltdaten, wie Temperatur oder Luftfeuchte, oder auch die Positionserfassung des eigenen Inventars beginnt mit der Herausforderung, notwendige Sensorik nachträglich an die bereits etablierte Infrastruktur anzubinden.

Eine Lösung dafür stellen kabellose Sensoren dar, die funkbasiert kommunizieren. Der finnische Anbieter Wirepas bietet hier eine sehr robuste und damit im industriellen Umfeld zuverlässige Möglichkeit, bestehende Infrastruktur smartund intelligent zu machen.

Unsere Arbeit mit Wirepas

Der Charme des Wirepas Kommunikations- Stacks  liegt nicht nur darin, dass dieser energieeffiziente kabellose Kommunikation mit beliebiger Sensorik und Aktorik erlaubt, sondern auch in dessen Intelligenz.
Mit Wirepas ausgerüstete Funkknoten organisieren sich selbst – ohne weitere Konfiguration kümmern sie sich in ihrer Gruppe um das Routing der Daten. Die einzelnen Knoten bilden ein vermaschtes Netz (Mesh Net) und verwenden dadurch eigenständig den optimalen Weg der Datenübertragung.

Jeder Knoten in diesem Mesh Netzwerk kann gleichzeitig Daten senden, empfangen und an benachbarte Knoten weiterleiten. Dadurch verteilt Wirepas den Batterieverbrauch gleichmäßig und die Lebenszeit des individuellen Knotenpunktes wird maximiert. Jeder Knoten sendet immer nur mit der am minimalsten möglichen Leistung, die notwendig ist, um die Entfernung zum Nachbarknoten zu überbrücken.

Mit unserem sysWORXX CTR-700 und dem sysWORXX CTR-100 bieten wir zwei Möglichkeiten, Wirepas Netzwerke an Ihre Infrastruktur anzubinden. Die Geräte funktionieren dabei als sogenannte Senke (Sink) und erlauben die Verwendung jeglicher mit Wirepas laufenden Sensoren oder Aktoren. Konkret verwenden auch wir Wirepas in Kombination mit unseren Geräten bei der Überwachung unserer eigenen Fertigung. Sollten sich die Umweltfaktoren während der Fertigung ungünstig verändern (erhöhte Temperatur od. Luftfeuchte), ist dies über die batteriebetriebenen Sensoren zeitnah zu erkennen. Dadurch kann schnell und effizient auf Veränderung reagiert werden.

Grundlegend

M2M oder auch Machine-to-Machine – die direkte Kommunikation und der Datenaustausch zwischen Geräten ist heutzutage nicht mehr weg zu denken. Die Mehrzahl industrieller Anwendungen nutzt dafür klassische und bewährte Feldbussysteme, wie Modbus, CANopen, usw. Soll die Kommunikation aber nicht nur innerhalb der Produktionshalle zur Verfügung stehen, müssen modernere Schnittstellen und Protokolle verwendet werden.

Eins davon ist MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Es ermöglicht einen sicheren und verschlüsselten Transport und kann über Internet oder lokale Netzwerke beliebe Entfernungen überwinden. Bei der Kommunikation mit MQTT wird zwischen der Rolle des Brokers und der Clients unterschieden. Der Broker verwaltet alle einkommenden und ausgehenden Daten, während die Clients Daten an den Broker senden und von diesem empfangen können.

Dazu abonniert („subscribed“) der Client entsprechende Themen („Topics“) und veröffentlicht („published“) seine eigenen Daten unter eigenen Topics. Ein Client empfängt nur die Daten, die er subscribed. Die Verwendung von MQTT ist einfach, gleichzeitig aber auch sehr zuverlässig und erlaubt dennoch eine hohe Sicherheit über Nutzerverwaltung und Verschlüsselung.

Unsere Arbeit mit MQTT

Wir bei SYS TEC electronic Team arbeiten mit dem offenen Netzwerkprotokoll, weil es sich wirklich einfach in fast jedes System integrieren lässt. Wir arbeiten bereits seit 2017 mit MQTT und nutzen es für die meisten Anwendungen. Bei der Erfassung von Klima- und Energiedaten bspw. werden Daten durch Modbus-, einer seriellen Schnittstelle auf dem sysWORXX CTR-700, aufgenommen. Vorverarbeitet stehen sie einem MQTT-Broker für die weitere Verarbeitung bereit, der diese bei Bedarf sehr komfortabel in eine lokale oder cloudbasierte Datenbank überführen kann. Intern nutzen wir MQTT zur Kommunikation innerhalb von Baugruppen. Somit lassen sich Daten zwischen Prozessen komfortabel und sicher austauschen, die in verschiedenen Programmiersprachen entwickelt wurden.

Grundlegend

Mikrocontroller und andere eingebettete Systeme wurden in den vergangenen Jahren stetig leistungsfähiger. Die Geräte ohne ein Betriebssystem zu verwenden, ist oft nicht sinnvoll, da weder die gesamte Hardwarekapazität ausgenutzt, noch das vollständige Potential ausgeschöpft werden kann. Für diesen Fall greifen Fachleute auf verschiedene Betriebssysteme zurück – unter anderem auch Linux. Neben den offensichtlichen Vorteilen, wie dem Multitasking, bietet es weitere Vorzüge, wie einen modularen Aufbau und die einfache Erweiterung mit zusätzlicher Software.

Unsere Arbeit mit Linux

Viele Entwickler schwören darauf und auch unser Team arbeitet seit vielen Jahren mit Linux. Dabei kommt es sowohl als Betriebssystem für Kundenprojekte zum Einsatz, als auch für unsere Eigenprodukte. Im Vergleich zu Windows kann es durch seinen modularen Aufbau leicht auf verschiedenste Zielhardware portiert und angepasst werden. Möglich ist das, da der Code des Linux-Kernels und der meisten Distributionen öffentlich einsehbar ist. Die Software kann demnach zielgenau auf die Hardware abgestimmt werden, um so ein robustes und zuverlässiges Gesamtsystem zu erhalten.

Die Linux Distribution Debian wird beispielsweise auf dem sysWORXX CTR-700 verwendet. Zusätzlich zu den von uns entwickelten Gerätetreibern, die alle Schnittstellen zugänglich machen, kann mit Linux jederzeit neue Software nachinstalliert werden. Ebenso ist es ohne viel Aufwand für Nutzer möglich, selbst Anwendungen in den verschiedensten Programmiersprachen (C, C++, Java, Java Script, Python, …) für und auf dem Gerät zu entwickeln.

Auf der Plattform des sysWORXX CTR-700 nutzen wir für Kundenprojekte auch die Distribution Yocto. Dieses Leichtgewicht wird gezielt an dedizierte Funktionalitäten für einen Anwendungsfall angepasst. Entwickler und Anbieter haben so eine bessere Kontrolle und Grundlage für Update Prozeduren. Die reproduzierbaren Builds ermöglichen Projekte mit großen Mengen gleicher Geräte reibungslos auszurollen.