Industrie-PCs Vorausschauende Wartung für die Bahn

Von Mathias Beer*

ModBlox7 heißt der neue Box-PC-Standard von PICMG. Er kombiniert die Vorteile eines Standards mit vielen Freiheiten, wie dem intelligenten I/O-Konzept der Ci4Rail. Hier ein Anwendungsbeispiel aus der Bahn.

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Bild 1: Schematische Darstellung des Anwendungsbeispiels „Getriebediagnose“
Bild 1: Schematische Darstellung des Anwendungsbeispiels „Getriebediagnose“
(Bild: Ci4Rail)

Initiiert von der Ci4Rail und unterstützt von Adlink, EKF Elektronik, Elma Electronic, Eltec Elektronik, Embeck, ept, General Micro Systems, Heitec, Hirose Electric, Intel, Kontron, nVent, Schroff, Samtec, Sealevel Systems und Tews Technologies wird gerade ein neuer Box-PC-Standard durch die PICMG entwickelt. Die ModBlox7-Spezifikation hat zum Ziel, sowohl die Interoperabilität der Geräte für die Hersteller als auch die Interoperabilität für die Nutzer des Box-PCs zu gewährleisten und dabei wirklich modulare Systeme zu schaffen, die weiterhin hochintegrierbar und kostengünstig bleiben sollen.

Während dazu viele übergeordnete Überlegungen hinsichtlich Mechanik, PCB-Aufbau, Stromversorgung und modulare Schnittstellen-Kombinationen in den Standard geflossen sind, bleibt jedoch weiterhin genügend Raum für Hersteller, sich auch innerhalb des Standards zu spezialisieren und die unternehmenseigene Kernkompetenz in die Produkte fließen zu lassen. Ein Anwendungsbeispiel soll das verdeutlichen:

Beispiel: Predictive Maintenance in der Bahn

Getriebe an Drehgestellen von Schienenfahrzeugen sind hochbeanspruchte Systeme, da sie hohen mechanischen Belastungen und enormen Umweltanforderungen ausgesetzt sind. Zur frühzeitigen Ermittlung von Getriebeschäden an Triebzügen sollen Vibrationen und Beschleunigungen am Drehgestell permanent erfasst und ausgewertet werden.

Die Erfassung der Daten erfolgt lokal mittels analogen Vibrationssensoren. Die Verarbeitung und Übertragung der Daten soll innerhalb des Wagenkastens erfolgen, da zusätzlich noch Geschwindigkeits- und Fahrzeugdaten vom Kommunikations-Netzwerk (z.B. MVB) erfasst werden müssen.

Bild 2: Die I/O-Modularität im Box-PC-Standard ModBlox7
Bild 2: Die I/O-Modularität im Box-PC-Standard ModBlox7
(Bild: Ci4Rail)

Hier zeigen sich nun die Herausforderungen speziell an die I/O. Eine Platzierung des Rechners auf dem Drehgestell macht die Lösung sehr teuer (Robustheit), zusätzlich müssen sie Daten vom Fahrzeugnetzwerk dorthin geführt werden. Wird der Rechner innerhalb des Wagenkastens installiert, müssen analoge Signale über längere Distanzen von den Drehgestellen dort hingeführt werden. Beides birgt technische Risiken und bringt hohe Kosten mit sich.

Das Anwendungsbeispiel zeigt die Anforderungen an heutige Steuer-, Kommunikations- oder Diagnose-Anwendungen: hohe Flexibilität in den Schnittstellen (analoge, digitale, Feldbus- und Wireless-Schnittstellen) bei gleichzeitiger optimierter Rechenperformance und einfachster Integration.

I/O-Konzept: Daten erfassen, wo sie entstehen

Produkte, die auf dem ModBlox7-Standard basieren, bieten die Möglichkeit, die Rechner-Einheit modular um die benötigten Schnittstellen im 7-TE-Raster zu erweitern. Als Erweiterung der im Standard beschriebenen mechanischen und elektrischen Integration legt Ci4Rail besonderen Wert auf einfache und abstrahierte Software-Integration.

So wird jede I/O-Einheit mit einer Onboard-Intelligenz ausgeführt, die die I/O-Funktionalität lokal in der I/O-Unit abbildet, über IP-basierende Technologien wie Ethernet oder WLAN mit der Haupt-CPU kommuniziert und damit eine logische wie physische Abstraktion bietet.

Software-Abstraktion zur Schnittstellen-Erweiterung

Je abstrahierter ein Embedded-Rechner um Schnittstellen erweitert werden kann, desto weniger Einfluss haben Schnittstellen-Anzahl, -Art und -Kombinationen in Bezug auf die Gesamtperformance des Systems. Das Betriebssystem des Hauptrechners muss nun also nicht für jede neue Schnittstelle durch entsprechende Treiber adaptiert werden. Das reduziert den Pflegeaufwand, verhindert Rückwirkungen verschiedener Schnittstellen(-Treiber) untereinander und erlaubt so eine deutlich bessere Skalierbarkeit. Dieses Konzept bietet nun ganz nebenbei noch die Lösung für ein erkanntes Problem aus dem obigen Anwendungsbeispiel.

Integrationsaufwand und Verkabelungskosten reduzieren

Bild 3: Remote-I/O-Module aus dem Portfolio von Ci4Rail (ModuSio)
Bild 3: Remote-I/O-Module aus dem Portfolio von Ci4Rail (ModuSio)
(Bild: Ci4Rail)

Die genannte I/O-Abstraktion erlaubt es nun nicht nur, die Schnittstellen-Einheiten logisch, sondern auch physisch von der Haupt-CPU zu trennen. Alle I/O-Funktionen sind auch als remote I/O-Einheiten verfügbar (ModuSio). Die Host-Anbindung dieser lokal verteilten I/O Einheiten erfolgt über Ethernet oder WLAN.

Damit lassen sie sich identisch zu den integrierten I/O Units ansprechen. Versorgt werden sie abhängig von ihrer Host-Kommunikation über Power-Over-Ethernet oder (im WLAN-Fall) über dedizierte 12/24-V-Versorgung. In jedem Fall benötigt es nur ein Kabel, um lokal verteilte I/O-Module zu betreiben.

Standard plus eigene Kernkompetenzen

Embedded- und IoT-Anwendungen fordern heute optimierte Performance bei hoher Flexibilität im Sinne der Schnittstellen. Durch die Verbindung eines intelligenten I/O-Konzepts mit dem modularen Box-PC-Standard ModBlox7 entstehen so effiziente Systeme mit verteilter Intelligenz und standardisierter Kommunikation, die deutlich effizienter als vergleichbare Lösungen mit traditioneller Architektur arbeiten – und das mit deutlichen Einsparungen an Kabel- und Integrationskosten.

* Mathias Beer ist Chief Product Officer bei der Ci4Rail GmbH in Nürnberg.

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