Jede Antwort auf die Frage "Was ist ein Embedded System?" sollte die bedeutenden Auswirkungen dieser Technologien auf die Advanced Engineering-Umgebung berücksichtigen. Der weltweite Markt für Embedded Systems wird allein im Jahr 2022 einen Wert von schätzungsweise 140 Mrd. US-Dollar haben, mit einem geschätzten jährlichen Wachstum von 6 % für jedes Jahr bis 2032.
Kurz gesagt, Embedded Systems führen eine Revolution im industriellen Bereich an und finden in allen Bereichen Anwendung, von der Fertigung über den Energiesektor bis hin zu breiteren automatisierten Produktionsumgebungen wie dem Automobilbau und dem Telekommunikationssektor.
In diesem Leitfaden beantworten wir die Frage "Was ist ein Embedded System?", indem wir ihre Funktionsweise näher beleuchten, bevor wir einige Beispiele für Embedded Systeme untersuchen, denen Ingenieure täglich begegnen.
Was ist ein Embedded System und wie funktioniert es?
Was also ist ein Embedded System? Die kurze Antwort lautet, dass es sich um programmierbare Betriebssysteme handelt, die mit einer Vielzahl von Geräten verbunden werden, um beispielsweise die Geschwindigkeit von Fertigungsstraßen zu steuern, Temperaturen anzupassen und Prozesse zu automatisieren, damit Techniker und Ingenieure effizienter arbeiten und sich auf produktivere Aufgaben konzentrieren können.
Diese kurze Definition wird Ihnen jedoch nicht viel mehr Klarheit verschaffen, es sei denn, Sie sind bereits Ingenieur für Embedded Systems. Stattdessen werden wir uns die Schlüsselkomponenten genauer ansehen, die Embedded Systeme in der Fertigung, der Industrieautomatisierung und im fortgeschrittenen Ingenieurwesen unentbehrlich machen und uns damit befassen, wie sie mit ihrer Umgebung interagieren können, um Produktivität, Rentabilität und Effizienz in Echtzeit zu steigern.
Schlüsselkomponenten von Embedded Systemen
Beispiele für Embedded Systeme gibt es in der Fertigung und im Maschinenbau in Hülle und Fülle. Sie lassen sich im Allgemeinen in zwei zentrale Automatisierungskategorien einteilen, nämlich Maschinenüberwachung und Maschinensteuerung.
Bei der Maschinenüberwachung werden Embedded Systeme eingesetzt, um sicherzustellen, dass die langfristige Leistung effizient ist und den Erwartungen der Unternehmensleitung und der technischen Teams entspricht.
Die bereits erwähnte Überwachung der Temperatur und der Liniengeschwindigkeit erfolgt dabei in Echtzeit, wobei kleinste Anpassungen vorgenommen werden, um eine hohe Qualität und einen schnellen Durchsatz zu gewährleisten. Auf diese Weise können Techniker Probleme erkennen und Risiken für Personal und Produktivität schnell in den Griff bekommen, was eine proaktive Wartung der umsatzkritischen Infrastruktur ermöglicht.
1. Mikrocontroller
Mikrocontroller sind im Wesentlichen kleine Personalcomputer, die in einem einzigen Chip untergebracht sind. Sie werden von Embedded System-Ingenieuren bevorzugt, da sie leicht eine bestimmte Aufgabe oder einen Satz von Anweisungen ausführen können.
Diese Komponenten, die eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), RAM- und ROM-Speicher sowie Ein- und Ausgangsschnittstellen auf kompaktem Raum enthalten, sind das Herzstück eines Embedded Systems. Sie stellen die erforderliche Verarbeitungsleistung zur Verfügung, um das Verhalten anderer Geräte, Roboter und Temperaturmanagement-Tools entlang der Fertigungslinie zu steuern.
Mikrocontroller bieten nicht nur eine Art All-in-One-Lösung, sondern sind auch ein Beispiel für die Vorteile von Embedded Systems an und für sich. Sie bieten Ingenieuren, Technikern und Geschäftsführern ein hohes Maß an Flexibilität, da sie leicht umprogrammiert werden können, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen.
2. Sensoren
Sensoren werden eingesetzt, um Echtzeitdaten aus der Umgebung, in der sich das Embedded System befindet, zu sammeln und zu melden. Sie verleihen diesen innovativen Technologien die Fähigkeit, im Handumdrehen auf kleinste Veränderungen zu reagieren und so sicherzustellen, dass die Produktionsprozesse weiterhin hocheffizient sind und das Risiko von Ausschuss oder schlechter Qualität minimiert wird.
Mit Hilfe dieser Sensoren kann ein Ingenieur für Embedded Systems eine Reihe von Umgebungsfaktoren schnell verstehen und ändern, darunter:
- Temperatur
- Luftfeuchtigkeit
- Druck
- Bewegung
- Optische Hindernisse
Der zunehmende Einsatz der digitalen Bildverarbeitung in der technischen Industrie bedeutet, dass sich unsere Antworten auf die Frage "Was ist ein Embedded System?" wahrscheinlich ändern werden - mit Geräten, die in der Lage sind, mit wenig oder gar keinem menschlichen Eingriff auf visuelle Daten angemessen zu reagieren.
Die Erkennung von Objekten dieser Art ist in der Fertigungsumgebung von entscheidender Bedeutung, da Hindernisse in der Produktionslinie nicht nur kostspielige Verzögerungen verursachen, sondern auch zu gefährlichen Situationen führen können, in denen das Wohlergehen der Arbeiter in Gefahr ist.
3. Aktuatoren
Aktuatoren sind für die Ausführung von physikalischen Aktionen zuständig, die von der Programmierung des Embedded Systems überwacht werden. Sie sind über die Ausgangsschnittstellen mit dem System verbunden und es gibt eine Reihe von Aktuatoren, die in fortgeschrittenen Entwicklungsumgebungen verwendet werden, darunter:
- Motoren
- Servos
- Solenoide
- Relais
- Ventile
Kurz gesagt, Aktuatoren wandeln die elektrischen Signale, die das Embedded System aussendet, in eine mechanische Bewegung oder eine Form von physischer Aktivität um, indem sie Bewegung, Wärme oder Kraft erzeugen, die Bewegung von Hydraulikflüssigkeit steuern oder pneumatischen Druck erzeugen. Daher könnte man sagen, dass Aktuatoren für einen Großteil der funktionellen "Arbeit" verantwortlich sind, die wir mit Embedded Systemen insgesamt in Verbindung bringen.
4. Speicher
Der Speicher, der in Embedded Systems zum Speichern und Abrufen von Informationen verwendet wird, ist in zwei Bereiche unterteilt: Festwertspeicher (ROM) und Arbeitsspeicher (RAM).
ROM-Speicher und Flash-Alternativen werden verwendet, um systemkritischen Code oder Firmware zu speichern, der - was angesichts seines Namens vielleicht nicht überrascht - nicht verändert werden muss. ROM speichert Daten über Abschaltungen und Neustarts hinweg und beherbergt oft das grundlegende Eingabe-/Ausgabesystem (BIOS) des Computers und die Informationen, auf die die an das Embedded System angeschlossenen Geräte zugreifen müssen, um korrekt zu funktionieren.
RAM hingegen gilt als "flüchtiger" Speicher, der Strom benötigt, um Datenverluste zu vermeiden. In RAM-Modulen werden in der Regel die Informationen und Variablen gespeichert, die bei der Ausführung von im ROM gespeicherten Programmen verwendet werden, da diese Variablen je nach Produktionsbedarf geändert werden können, wobei die Daten flexibel abgerufen und verändert werden können.
5. Eingabe/Ausgabe (E/A)-Schnittstellen
Mit einer Reihe von Ein- und Ausgabeschnittstellen (E/A) können Embedded Systeme auf einfache Weise mit der Außenwelt auf digitalem und analogem Wege interagieren.
Alles, was wir bisher behandelt haben, vom Speicher über Sensoren bis hin zu Aktuatoren, muss miteinander und mit der CPU des Embedded Systems kommunizieren können. Um dies zu ermöglichen, wurden verschiedene E/A-Anschlüsse entwickelt, darunter die serielle Peripherieschnittstelle (SPI), Inter-integrierte Schaltungen (I2C) und universelle asynchrone Empfänger/Sender (UART). Ohne E/A würden alle Komponenten eines Embedded Systems nicht zusammenarbeiten.
Mit der fortschreitenden Digitalisierung der Industrie und der Entwicklung des Industrial Internet of Things (IIoT) können Embedded System-Ingenieure zunehmend Netzwerklösungen nutzen, um mit den verschiedenen Geräten, die die Produktionslinien antreiben, zu kommunizieren und die Kommunikation zwischen ihnen zu fördern, wobei Ethernet- und WiFi-Funktionen zunehmend Eingang in die fortschrittliche Entwicklungsumgebung finden.
Wir wissen nun mehr über die verschiedenen Komponenten, aus denen ein durchschnittliches Embedded System in der fortgeschrittenen Entwicklungsumgebung besteht. Trotzdem haben wir die Frage "Was ist ein Embedded System?" noch nicht vollständig beantwortet, denn wir vergessen die Kehrseite der Hardware-Münze: die Software, die es ermöglicht, die erforderlichen Aufgaben auszuführen.
Programmierung und Entwicklung
Ein stabiler Entwicklungsprozess ist in der Umgebung von Embedded Systems von entscheidender Bedeutung. Kodierung, Fehlersuche und Tests spielen alle eine Rolle, um die Produktion qualitativ hochwertiger Produkte und Komponenten zu gewährleisten, die Sicherheit der Ingenieure und Techniker für Embedded Systems, die mit der Implementierung und Wartung dieser Lösungen betraut sind, zu gewährleisten und die Möglichkeit zu haben, bei Bedarf schnell auf alternative Produktionsmethoden umzustellen.
Schauen wir uns die gängigen Programmiersprachen für Embedded Systems genauer an und warum sie so wichtig sind.
Übliche Programmiersprachen für Embedded Systems
Es gibt zwar eine breite Palette von Sprachen, die in Embedded Systems verwendet werden, aber wir werden uns mit drei Sprachen beschäftigen, mit denen Ingenieure für Embedded Systems üblicherweise arbeiten:
- C: C ist die am weitesten verbreitete Sprache für die Programmierung von Embedded Systems. Es handelt sich dabei um eine "Low-Level"-Codiersprache, die so ressourcenschonend wie möglich konzipiert wurde, was sie zu einer hervorragenden Wahl für die Softwareentwicklung für Mikrocontroller macht. C-Programmierer schreiben Code, der nahe am "nackten Metall" ist, d. h. sie müssen verstehen, wie die Hardware mit der Software interagiert, was für die Programmierung eingebetteter Systeme unerlässlich ist.
- C++: Als objektorientierte Erweiterung von C ist C++ eine schnelle und effiziente Sprache, die auch die komplexesten Aufgaben bewältigen kann. Eingebettetes C++ ist bemerkenswert energie- und speicherbewusst, wobei Programmierer in der Lage sind, nur 4kB RAM und einen Mikrocontroller-Prozessor zu verwenden, während die Paradigmen, die seine kontinuierliche Entwicklung als Sprache bestimmen - wie Skalierbarkeit, Wiederverwendung und Polymorphismus - es Ingenieuren eingebetteter Systeme ermöglichen, schnell Lösungen für die Herausforderungen zu entwerfen und zu wiederholen, denen sie begegnen.
- Python: Als High-Level-Programmiersprache mit einfacher Bedienung und leicht verständlicher Syntax ist Python zwar ein relativer Neuling - vor allem im Vergleich zum Stammbaum von Sprachen wie C und C++ -, aber das hat seiner Verwendung in der Welt der Embedded Systeme keinen Abbruch getan. Für die Sprache gibt es leistungsstarke Bibliotheken, die Datenanalyse und maschinelles Lernen leicht zugänglich machen, und eine wachsende Gemeinschaft von Anhängern sorgt dafür, dass die Sprache immer beliebter wird. Sie gilt als die zweitbeliebteste Sprache der Welt und erfreut sich immer größerer Beliebtheit.
Die Bedeutung der Ressourcenoptimierung in Embedded Systems
Die Wahl der Programmiersprache in vielen Beispielen von Embedded Systemen wird oft von den begrenzten Ressourcen diktiert, die dem Entwickler und Embedded System Ingenieur bei der Erstellung von Software für Mikrocontroller zur Verfügung stehen.
Im Vergleich zum Speicher, zur Verarbeitungsleistung und zum Energieverbrauch eines typischen Personalcomputers verfügt ein Embedded System oft über weniger Rechenleistung und Speicher, was bedeutet, dass die Ressourcenoptimierung bei der Wahl der Sprache, in der der Code geschrieben wird, unbedingt berücksichtigt werden muss.
Darüber hinaus müssen Embedded Systeme in fortschrittlichen Entwicklungs- und Fertigungsumgebungen in der Regel Echtzeitanforderungen erfüllen, sei es die schnelle Reaktion auf Temperaturabfälle oder die Beseitigung von Blockaden in der Leitung. Die CPU muss in der Lage sein, schnell auf diese Probleme zu reagieren, was bedeutet, dass größere, unhandlichere Sprachen in der Regel vermieden werden, um die Menge der genutzten Rechenressourcen zu minimieren.
Die Ressourcenoptimierung ist der entscheidende letzte Schritt bei der Beantwortung der Frage "Was ist ein Embedded System?". Sie stellt sicher, dass diese innovativen, wichtigen Technologien kostengünstig und zuverlässig arbeiten und die Wahrscheinlichkeit von Abstürzen und Fehlern minimiert wird, die sich auf die Erwirtschaftung von Einnahmen oder die Sicherheit der Mitarbeiter in anderen Bereichen der Produktionslinie auswirken können.
Beispiele für eingebettete Systeme
Embedded Systems sind für die Optimierung der Effizienz, die Reduzierung von Fehlern und die Verbesserung der Sicherheit in der Produktions- und Konstruktionsindustrie unerlässlich. Die Automatisierung, die sie bieten, ist entscheidend für die kontinuierliche Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit in einem zunehmend dynamischen und schnelllebigen Markt.
Nachdem wir nun die Frage "Was ist ein Embedded System?" beantwortet haben, können wir uns nun einigen realen Beispielen von Embedded Systemen zuwenden, denen Fachleute in den Bereichen Hochtechnologie, Fertigung, Chemie und Industrie regelmäßig begegnen.
1. Speicherprogrammierbare Steuerungen (PLCs)
Speicherprogrammierbare Steuerungen sind das Rückgrat der Industrie- und Fertigungsautomatisierung und gehören zu den Embedded Systems, die zur Steuerung einer Vielzahl von Maschinen und anderen Produktionsprozessen eingesetzt werden. SPS automatisieren viele elektromechanische Prozesse in der Industrie, von der Temperaturregelung bis hin zur Bewegung von Roboterarmen und Förderanlagen.
Neben ihren Automatisierungsaufgaben werden SPS auch zur Erfassung von Daten für spätere Analysen eingesetzt, die Aufschluss über Maschinenausfälle, durchschnittliche Betriebstemperaturen und die Gesamtproduktivität geben. Daher werden SPS häufig zusammen mit SCADA- und Maschinenüberwachungssystemen eingesetzt, um nützliche Produktionsberichte, Live-Trends und den Chargenstatus für jeden Embedded System-Ingenieur anzuzeigen, der dies wünscht.
2. Überwachungs-, Steuerungs- und Datenerfassungssysteme (SCADA)
SCADA ermöglicht es Ingenieuren, industrielle Prozesse und Anlagen in großem Maßstab zu überwachen und zu steuern, und gibt Fachleuten in der fortschrittlichen technischen Industrie die Möglichkeit, Informationen zu erfassen, zu verarbeiten und aufzuzeichnen sowie die Steuerung lokaler Maschinen über die Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) zu ermöglichen, die wir in Beispiel vier untersuchen werden.
Das typische SCADA-System besteht aus einer Reihe von SPS, Sensoren, Geräten und einem Server oder einer virtuellen Maschine vor Ort, wobei die Benutzer mit dem SCADA-System interagieren, um die Prozesse eines gesamten Standorts über eine Bediener-Workstation zu steuern.
SCADA ist besonders leistungsfähig in Situationen, in denen die Möglichkeiten der menschlichen Kontrolle begrenzt sind, wie z. B. in der industriellen Produktion, in der Wasser- oder Stromversorgung, im Öl- und Gassektor und in der Abwasseraufbereitung. Diese Systeme liefern Informationen in Echtzeit und ermöglichen einen sicheren und zuverlässigen Ablauf von Prozessen und Vorgängen.
3. Verteilte Steuerungssysteme (DCS)
Verteilte Steuerungssysteme (DCS) sorgen für die Synchronisierung der Produktionsmaschinen in der Fertigungsumgebung und ermöglichen die Automatisierung der gesamten oder eines Großteils der Fabrikumgebung.
Ähnlich wie SCADA bestehen sie aus einer Reihe von logischen Steuerungen, Sensoren und Schnittstellen, die über die gesamte Produktionsumgebung verteilt sind. DCS verfügen häufig über einen eigenen Mikrocontroller und eine separate CPU, so dass bei einem Ausfall eines Bereichs des Systems andere Prozesse weiterlaufen können.
Diese Technologien bieten ein hohes Maß an Skalierbarkeit - da jederzeit und überall weitere DCS hinzugefügt werden können - und werden in Bereichen eingesetzt, in denen eine kontinuierliche oder Batch-Produktion erforderlich ist, wie z. B. in chemischen und petrochemischen Raffinerien, Papierfabriken und Kraftwerken.
4. Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs)
HMIs sind benutzerfreundliche Schnittstellen für Bediener und Embedded System-Ingenieure und ermöglichen es Fachleuten in der Fertigungs- und Industrieumgebung, den Maschinenbetrieb zu überwachen und zu ändern.
HMIs entwickeln sich von einfachen Tasten und Anzeigeleuchten zu grafischen Touchscreen-Displays - oder sogar zu mobilen Anwendungen - mit einem Dashboard, das alle notwendigen Informationen auf einen Blick bietet. HMIs werden auch zur Verfolgung von Produktionszeiten eingesetzt, um sicherzustellen, dass konkrete KPIs und andere Zielvorgaben eingehalten werden, und ermöglichen eine schnelle Reaktion und die Möglichkeit der Echtzeitüberwachung.
HMIs sind auch für die Sicherheit am Standort von entscheidender Bedeutung. Da rund 90 % der Unfälle und Fehler im industriellen Umfeld durch menschliches Versagen verursacht werden, sind HMIs ein wertvolles Mittel, um Techniker, Bediener und Ingenieure von den sich bewegenden Maschinen zu trennen und ihnen eine risikoarme Fehlerdiagnose zu ermöglichen.
5. Prozesskontrollsysteme
Die Prozessleitsysteme haben sich im letzten Jahrhundert dramatisch weiterentwickelt.
Während die Steuerung großer Industrieanlagen und Produktionsstätten in der Regel von lokalen Schalttafeln am Standort aus gesteuert wurde, bedeuten Prozessleitsysteme, dass diese separaten Schalttafeln alle in einen ständig besetzten Kontrollraum integriert wurden. Jetzt können sie oft von einem einzigen Zugangspunkt oder einem mobilen Gerät aus gesteuert werden.
Diese Technologien werden in der Regel in der chemischen und petrochemischen Industrie eingesetzt, um die Sicherheit der Mitarbeiter und die Energieeffizienz zu gewährleisten und den optimalen Betrieb der Anlagen selbst unter schwierigsten Bedingungen zu ermöglichen.
Die Prozesssteuerung kann in der Industrie- und Fertigungsumgebung verschiedene Formen annehmen. Von der offenen Steuerung, bei der eine Reihe vorgegebener Anweisungen verwendet wird, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen, bis hin zur kontinuierlichen Prozesssteuerung, mit der die Wassertemperatur während der Produktion überwacht und angepasst werden kann, stellen diese Systeme sicher, dass die Prozesse korrekt durchgeführt werden und zu hochwertigen Ergebnissen führen.
Diese Beispiele für Embedded Systeme könnten an sich schon als Antwort auf die Frage "Was ist ein Embedded System?" betrachtet werden.
Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung von Qualität und Sicherheit in fortschrittlichen Konstruktions- und Fertigungsumgebungen und ermöglichen die Überwachung und Erfassung geschäftskritischer Daten sowie die Automatisierung von Prozessen, die ansonsten menschliches Eingreifen erfordern würden.
Wenn Sie mehr über die von uns unterstützten Sektoren erfahren möchten, finden Sie in unserem kürzlich erschienenen Leitfaden "Was ist Advanced Engineering?" einen genaueren Überblick darüber, wie die Branche eine wichtige Rolle für das Funktionieren der Gesellschaft spielt und uns helfen wird, die Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte zu bewältigen.
Fazit
Wer sich fragt: "Was ist ein Embedded System?", dem wird klar, dass diese Technologien an der Spitze des Wandels stehen, der sich in der fortschrittlichen technischen Umgebung bereits vollzieht. Mit einem schnell wachsenden globalen Marktwert sind Embedded Systeme führend bei der Revolutionierung so unterschiedlicher Branchen wie Fertigung, Energie, Automobilbau und Telekommunikation.
Embedded Systems umfassen mehrere kritische Komponenten, darunter Mikrocontroller, Sensoren, Aktuatoren, Speicher und E/A-Schnittstellen. Diese Komponenten arbeiten nahtlos zusammen, um Echtzeitüberwachung, präzise Steuerung und Prozessautomatisierung zu ermöglichen, was zu den erheblichen Vorteilen von Embedded Systems für Sicherheit, Effizienz und Umsatzgenerierung führt.
Programmiersprachen wie C, Python und C++ sind wichtige Werkzeuge für den Ingenieur von Embedded Systems. Diese Sprachen sind von zentraler Bedeutung für die Optimierung der Ressourcennutzung, ein entscheidender Faktor in der eingeschränkten Produktionsumgebung. Die Ressourcenoptimierung stellt sicher, dass Embedded Systeme effizient arbeiten und das Risiko von Abstürzen und Fehlern, die sich auf die Produktion und die Sicherheit auswirken können, verringert wird.
Für diejenigen, die Beispiele für Embedded Systeme suchen, hat unser Leitfaden mehrere prominente Beispiele aus dem industriellen Umfeld untersucht. Von bekannten SPS- und SCADA-Systemen bis hin zu DCS, HMI und Prozesssteuerungssystemen zeigen diese Beispiele aus der Praxis die Vielseitigkeit von Embedded Systemen und ihre zentrale Rolle in verschiedenen Branchen.
Im Wesentlichen stellen Embedded Systeme einen entscheidenden technologischen Fortschritt dar, der die Industrie in die Lage versetzt, die Anforderungen eines dynamischen und schnelllebigen Marktes zu erfüllen und gleichzeitig höchste Qualitäts- und Sicherheitsstandards für die Mitarbeiter zu gewährleisten. Die Vorteile eingebetteter Systeme und ihre kontinuierliche Weiterentwicklung und Integration unterstreichen ihre immense Bedeutung in der modernen Technik und Automatisierung.
Experten für Embedded Systems Rekrutierung
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