netHAT und netPI von Hilscher:

Entwicklungsumgebung für industrielles Internet der Dinge

Für Studenten, Bastler, Tüftler – sogenannte ‚Maker‘ – aber auch für professionelle Entwickler ist der Raspberry Pi eine beliebte Plattform. Über 10 Millionen Exemplare wurden bereits verkauft. Jetzt hat das Unternehmen Hilscher – Spezialist für industrielle Kommunikation – auf der Basis seiner netX-Chips ein Aufsteckmodul namens netHAT entwickelt, mit dem Anwender einen Raspberry Pi sehr einfach in industrielle Echtzeit-Ethernet-Netzwerke integrieren können. Darüber hinaus liefert Hilscher für den Raspberry Pi unter dem Namen netPI eine Umgebung für die Entwicklung von IoT-Anwendungen. Wir stellen beide Entwicklungssysteme vor.

Stefan Körte, Leiter der Geschäftsbereiche Vertrieb und Marketing innerhalb der Hilscher Gesellschaft für Systemautomation (Bild: Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)

Das Unternehmen Hilscher ist seit vielen Jahrzehnten bekannt als der Spezialist für Industriekommunikation. So lautet denn auch der Firmenslogan passenderweise: ‚Competence in Communication‘. Die Nutzung von industriellen Kommunikations-Standards zieht sich wie ein roter Faden durch die Unternehmensgeschichte. Dabei hat Hilscher stets eine Vorreiterrolle eingenommen. Nun hat das Unternehmen – ganz in dieser Tradition – einen neuen Coup gelandet. Für die beliebte Lern- und Entwicklungsplattform Raspberry Pi haben die Hattersheimer eine Aufsteckplatine – ein sogenanntes HAT-Modul – entwickelt, mit dem Anwender ihren ‚Raspi‘ ohne Aufwand mit industriellen Kommunikationsprotokollen wie z.B. Profinet, Ethernet/IP oder Ethercat ausstatten können.

Für Nachwuchsprogrammierer und ‚Maker‘

„Für die Nachwuchsprogrammierer in der Industrie sind Entwicklungsumgebungen wie Raspberry Pi gepaart mit Hochsprachen nichts Exotisches mehr, sondern gewohnte und notwendige Entwicklungsumgebungen“, erläutert Stefan Körte, Leiter der Geschäftsbereiche Vertrieb und Marketing innerhalb der Hilscher Gesellschaft für Systemautomation. „Der von Hilscher entwickelte netHAT ermöglicht Echtzeitkommunikation mit dem Raspberry Pi auf der Basis industrieller Ethernet-Systeme.

Mithilfe des auf dem netHAT-Modul implementierten netX-Chips von Hilscher ist es für Anwender nun sehr einfach, ihren Raspberry Pi in industrielle Netzwerke wie Profinet, Ethernet/IP oder Ethercat einzubinden. (Bild: Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)

Der Raspi lässt sich dadurch als Slave in allen gängigen Echtzeit-Ethernet-Netzwerken betreiben“, ergänzt Körte. „Die Idee hinter dem netHAT war es, eine sehr günstige Hardware zu schaffen, mit der Schüler, Studenten, ein Labor oder eine Entwicklungsabteilung eigene Ideen entwickeln und ausprobieren können, und das für sehr kleines Geld“, erläutert er. Hilscher hat für diesen Zweck ein sogenanntes HAT-Modul (Hardware Attached on Top) mit seinem Multi-Protokoll-Chip netX ausgestattet, der prinzipiell sehr viele verschiedene Netzwerkprotokolle unterstützt. Mit der netX-Chip-Technologie ist Hilscher schon seit Jahren eine der führenden Firmen im industriellen Kommunikationsmarkt.

HAT-Modul: Einfach aufstecken und losprogrammieren

Das netHAT-Modul von Hilscher stellt derzeit drei Echtzeit-Ethernet-Protokolle zur Verfügung, nämlich Profinet, Ethernet/IP und Ethercat. Bei Bedarf könnte die Pallette an Protokollen auch erweitert werden. (Bild: Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)

Durch die Ausführung als HAT-Module hat der netHAT-User keinerlei Aufwand bei der Konfiguration. Körte erläutert: „Die Protokollstacks sind mit 32-Byte Ein- und Ausgangsdaten vorkonfiguriert. Hilscher liefert dazu alles, was zur Inbetriebnahme, beispielsweise an der SPS bzw. im Netzwerk, notwendig ist: Gerätebeschreibungsdateien, Firmware und Applikationsbeispiele. Man kann das netHAT-Modul daher einfach auf die GPIO-Pins aufstecken und loskommunizieren!“ Durch die vorkonfigurierten Stacks ist kein protokollspezifisches Wissen notwendig. Man kann sich komplett auf seine Applikation und das SPS-Programm konzentrieren. Zum Wechseln des Feldbusprotokolls muss lediglich eine andere Firmware geladen werden. Dabei bleibt die Applikation unverändert und muss nicht angepasst werden.

Für die Zukunft gerüstet

Derzeit sind die großen drei Echtzeit-Ethernet-Protokollstacks Profinet, Ethernet/IP oder Ethercat für netHAT-User integriert. Prinzipiell sind hier jedoch auch weitere Protokolle denkbar: „Da wir einen netX-Chip auf dem netHAT-Modul einsetzen, könnten wir die Protokolle auch auf andere Netzwerke ausdehnen. So könnte man auch das Thema TSN in Zukunft damit beleuchten“, so Körte.

Raspberry-Pi-Entwicklungsumgebung für das sichere Internet der Dinge

Eine weitere Entwicklung in diesem Zusammenhang stellt die netIOT-Edge-Gateway-Entwicklungsumgebung für den Pi dar, die Hilscher zur SPS IPC Drives vorstellen wird. Körte dazu: „Für das netHAT-Steckmodul ist für eigene IoT-Entwicklungen ein komplettes SD-Karten-Image für den Raspberry Pi verfügbar. Das bedeutet, ein handelsüblicher 40 Euro-PI-3, ergänzt um das HAT-Modul für Realtime-Ethernet/Feldbus/RFID/IO-Link von Hilscher für weitere 40 Euro, bilden die derzeit günstigste Industrie-4.0-Entwicklungsplattform für Laboranwendungen.“ Das alleine wäre noch keine durchgängige Lösung, daher hat Hilscher als einer der Ersten die originale PI-3-Architektur mit der HAT-Schaltung kombiniert, in das Hutschienen montierbare Gerät netPI eindesignt und um Funktionen wie sicherer Systemstart und Software-Verschlüsselung ergänzt. Die fertige Kundensoftware wird durch einen einfachen Prozess anschließend verschlüsselt, sodass sie nur noch auf key-gesicherten netPI-Kundengeräten läuft. Der Kundenvorteil: Risikolose Entwicklung und Software-tauglichkeitsprüfung genau heute auf einer 80 Euro-Lösung – sicher eingebettete Software später im industrietauglichen Gerät für den professionellen Einsatz. Wenn die Software auf dem Raspberry Pi ausgetestet ist, dann wird also genau diese Entwicklung eins zu eins auf einer industriegerechten, gehärteten und nach Security-Gesichtspunkten optimierten Umgebung ablaufen. Als Hardware hierfür ist das netPI-Gateway von Hilscher vorgesehen. „Die netIOT-Gateways gibt es jedoch in verschiedenen Bauformen und Leistungsklassen“, erläutert Körte. „Es gibt das bereits verfügbare große ‚On Premise‘-Gateway. Darüber hinaus kommt ein mittleres Gateway, das in den nächsten Wochen erscheint, und schließlich gibt es das netPI-Gateway für kleinere Gateway-Applikationen. Um auch auf den größeren Gateways eingesetzt zu werden, kann die auf dem Raspberry Pi entwickelte Software angepasst werden, dies bietet Hilscher als Dienstleitung an. Der Clou an netPI ist die Tatsache, dass man seine IoT-Gateway-Anwendungen auf einem extrem preiswerten Pi entwickelt. Am Ende der Entwicklung kann man die Software auf eine robuste und für industrielle Anforderungen ausgelegte Hard- und Firmware-Plattform aufspielen.

netIOT-Entwicklungsumgebung

Service und Support für netHAT und netIP sollen durch ein Anwenderforum unterstützt werden. So können Entwickler sich untereinander austauschen – ganz wie es sich für eine digitale Community gehört. (Bild: Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)

Auch der Einstieg in die netPI-Entwicklungsumgebung ist denkbar einfach, denn für das netHAT-Modul kann der User sich vom netIOT-Portal (www.netIOT.com) ein fertiges Image laden und auf eine SD-Karte kopieren. Damit erhält er für den Raspberry Pi ein vollständig lauffähiges Image – vorkonfiguriert mit allem was für eine erfolgreiche Entwicklung einer Gateway-Anwendung erforderlich ist. So ist es denkbar einfach, beispielsweise auf die Daten aus einem Profinet zuzugreifen und diese Daten dann – beispielsweise über OPC UA mithilfe vom Daten-verschaltungseditor Node Red – in eine übergeordnete Cloud zu transportieren. So ist gewährleistet, dass der Einarbeitungsaufwand in die Softwareentwicklung solcher industriellen Gateway-Entwicklungen denkbar gering ist.

Signierung der Software schafft Sicherheit

Der Security-Gesichtspunkt spielt insbesondere bei industriellen IoT-Anwendungen eine zentrale Rolle. Neben sicheren Kommunikationsprotokollen sind die Anforderungen an solche Kommunikationsgeräte dabei auch Zertifikate und Signierungen: „Der Anwender kann seine Anwendung nur mit einer Signierung durch uns auf einem netIOT-Gateway laufen lassen. Nach dieser Signierung kann der Code nicht mehr geändert werden. Dies ist eine der zentralen Forderungen an solche Gateway-Geräte im professionellen Einsatz“, erläutert Körte. „Die Entwicklungen werden durch uns signiert, sodass sichergestellt ist, dass nachträgliche Änderungen an der Software oder Programmmanipulationen nicht mehr möglich sind.

Fazit

Die industriellen Kommunikationssysteme sind die Nervenbahnen des industriellen Internet der Dinge. Hilscher ermöglicht vielen Entwicklern mit seinen jetzt vorgestellten Innovationen einen Zugriff auf Daten und Informationen, die über diese Kommunikationssysteme laufen. Das Zusammenspiel von unterschiedlichen Disziplinen, wie sie Industrie 4.0 und das Internet der Dinge fordern, ist nur möglich, wenn die proklamierte Offenheit der Systeme auch faktisch bei den Entwicklern und dem Entwicklernachwuchs ankommt. Das netHAT-Modul ermöglicht plötzlich einer breiten Anwenderschaft den Zugriff auf industrielle Ethernet-Protokolle während Hilschers netPI am Ende eines Entwicklungsprozesses die Migration auf professionelle und gehärtete Geräte möglich macht. Damit ist das Unternehmen – wieder einmal – Vorreiter in der industriellen Kommunikation und bringt das Thema IoT und Industrie 4.0 sicher vielen Entwicklern ein ganzes Stück näher.

netIOT-Gateways von Hilscher

Der Clou an netPI ist die Tatsache, dass man seine IoT-Gateway-Anwendungen auf einem extrem preiswerten Pi entwickelt. Am Ende der Entwicklung kann man die Software auf eine robuste und für industrielle Anforderungen ausgelegte Hard- und Firmware-Plattform aufspielen. (Bild: Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)

netIOT Edge Gateways koppeln Automatisierungsnetzwerke sicher an eine Cloud oder IoT gerichtete Applikation. Als Feldgeräte stehen sie im zyklischen E/A-Datenaustausch mit der SPS und kommunizieren zudem mit IoT-fähigen Feldgeräten direkt. Diese in Echtzeit ausgetauschten Schlüsseldaten der Feldebene bilden die Grundlage für intelligente übergeordnete Applikationen von cyber-physische Prozessen und M2M Lösungen. Die Geräte sind für den Dauerbetrieb im Intranet oder Internet ausgelegt. Schutzmechanismen wie physische Trennung von Automatisierungs- und IT-Netzwerk, vertrauenswürdiges Betriebssystem, das Starten von nur signierter Firmware und Paketen und Verschlüsselungsverfahren nach höchsten Standards sichern die Datenintegrität und schützen vor möglichen Datenabgriffen. Die Basisfunktion der Geräte bildet ein web-basierter Thing-Verschaltungseditor. Er dient zur Modellierung des Datenflusses in den Geräten. Datenapplikationen und -profile lassen sich binnen Minuten mit vorgefertigten Funktionsblöcken erstellen. OPC UA und MQTT-Zugänge adressieren Objekte in IoT-Feldgeräten oder der Cloud über standardisierte IoT-Protokolle. Zusätzliche Softwarepakete des Bereiches netIOT Service erweitern die Basisfunktion um weitere Applikationen oder um Zugänge zu spezifischen Clouds.

• Mühelose Integration in industrielle Ethernet-Netzwerke als standard Feldgerät
• Schnelle Modellierung des Datenflusses zwischen Feld und Applikation mittels Thing-Editor
• Direkte OPC UA / MQTT-Kommunikation zu IoT-fähigen Geräten an der SPS vorbei
• Vertrauenswürdige Plattform durch sicheres Booten und verschlüsselte SSL/TLS-Kommunikation
• Leistungsstarke Plattfom für embedded Cloud-Computing
• Drahtloser Zugangsknoten zur IoT-Feldgeräteparametrierung über Apps