Stories
15.04.2008

Wozu braucht ein IPC 32 GByte RAM und eine 64-Core-CPU?

Die Entwicklung in der PC-Technik hat in den vergangenen Jahrzehnten rasante Fortschritte gemacht. Nachdem die immer weitere Erhöhung der Taktfrequenz an ihre physikalischen Grenzen stößt, ist in der jüngsten Vergangenheit die Multi-Core-Technologie in den Mittelpunkt des Interesses gerückt...

Die Entwicklung in der PC-Technik hat in den vergangenen Jahrzehnten rasante Fortschritte gemacht. Nachdem die immer weitere Erhöhung der Taktfrequenz an ihre physikalischen Grenzen stößt, ist in der jüngsten Vergangenheit die Multi-Core-Technologie in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Seit gut 20 Jahren werden PC auch in der industriellen Automatisierung eingesetzt. Die technischen Weiterentwicklungen aus der Office-Welt kommen dabei mit einer kurzen Zeitverzögerung auch in der Industrie zum Einsatz. openautomation sprach mit verschiedenen Experten von Beckhoff über bisherige, aktuelle und zukünftige Entwicklungen im IPC-Bereich.

 

_openautomation: Beckhoff hat 1986 die erste PC-Steuerung ausgeliefert. Wie hat sich die Automatisierungs-Software in den letzten 22 Jahren verändert?_

 

Andreas Thome: Rasant, aber auch beständig. Ein wichtiger Schritt war die Einführung des Programmierstandards IEC 61131-3 als universelle SPS-Programmiersprache. Dadurch ist vieles zusammengerückt und die Anbieter sind in puncto Software-Eigenschaften für die Kunden etwas vergleichbarer geworden. Ein weiterer zentraler Punkt in der Entwicklung der Automatisierungs-‚oftware war und ist das Thema der Echtzeitfähigkeit innerhalb des jeweiligen Betriebssystems. Hier ist festzustellen, dass die Automatisierungswelt es geschafft hat, die Echtzeitfähigkeit stabil und zuverlässig zu implementieren. Am Beispiel Beckhoff wird dies besonders deutlich: Unter allen Microsoft-Betriebssystemen – beginnend mit DOS, über Windows 95/98, NT, 2000 bis hin zu Windows XP und Vista – konnte eine harte Echtzeit mit Reaktionszeiten im Bereich von 1 ms und darunter implementiert werden.

Ramon Barth leitet die Grundlagen-Software­entwicklung bei Beckhoff

Ramon Barth leitet die Grundlagen-Software­entwicklung bei Beckhoff

Ramon Barth: Die heutige Automatisierungs-Software weist einen deutlich höheren Abstraktionsgrad auf, als es 1986 noch der Fall war. Dies wird durch höhere Programmiersprachen unterstützt. Anweisungsliste und Kontaktplan sind seit Einführung der IEC 61131-3 auf dem Rückzug. Zu beobachten ist weiterhin eine zunehmende Modularisierung der Software mit dem Ziel der besseren Wiederverwendbarkeit und Wartung. Moderne PC-Prozessoren gleichen die dafür benötigte Rechenleistung mehr als aus. Die Integration von Automatisierungsgeräten in IT-Netzwerke ist dank PC-Technik weit fortgeschritten.

 

Roland van Mark: Vor 20 Jahren wurden große, klobige und schwere PC am Tragarm, direkt an der Maschine installiert oder in Gehäuse eingebaut, da man PC und Display technisch nicht voneinander trennen konnte. Vor zehn Jahren hat Beckhoff als erster Hersteller Displays mit CP-Link auf den Markt gebracht, die eine Entfernung bis zu 100 m vom PC erlauben. Der PC kann im Schaltschrank untergebracht werden; zwei Koaxialkabel führen zum CP-Link-Control-Panel, das als 3 cm flaches, elegantes Bedienelement dort angebracht ist, wo der Maschinenbediener seinen Arbeitsplatz hat. Weil die Anwendungen immer komplexer wurden, wuchs auch die Anzahl der Feldbuskarten und entsprechend viele Datenleitungen wurden am PC angeschlossen. Beckhoff ist diesem Trend der letzten Jahre mit verschiedenen IPC nachgekommen und bietet, mit einer großen Vielfalt an Geräten, quasi für jede Applikation den passenden IPC.

 

_openautomation: Was ist Ihre Zukunftsvision für eine neue Generation Industrie-PC bzw. Embedded-PC?_

Roland van Mark ist bei Beckhoff in Verl im Produkt­marketing IPC tätig

Roland van Mark ist bei Beckhoff in Verl im Produkt­marketing IPC tätig

Roland van Mark: Ein Beispiel für eine neue IPC-Generation ist der Panel-PC CP72xx in Schutzart IP65. Damit verfügt der Maschinenbediener über einen flachen, kompakten Panel-PC, der sich optimal an der Maschine positionieren lässt. Nur zwei bis drei Ethernetleitungen und die Stromversorgung führen durch den Tragarm. Der PC-Einbauraum im Schaltschrank wird eingespart. Bei großen Maschinen können weitere Bediengeräte als Ethernet-Control-Panel installiert werden. Auch bestehende Industrie-PC werden laufend optimiert: Jedes Jahr kommen neue, leistungsfähige Prozessoren hinzu, die in alle Industrie-PC des Produktspekt­rums Einzug halten. Und immer wieder findet sich eine weitere PC-Bauform, die neue Anwendungsfelder erschließt. Dank energiesparender Prozessoren, höher integrierter Motherboards, dem Wegfall von Steckkarten und der Verwendung von Compact-Flash als Datenträger werden die IPC ständig kleiner.

 

Andreas Thome: Im Vordergrund stehen die Entwicklungen rund um das Thema „leistungsfähige Prozessoren bei sehr niedriger Wärmeabgabe“. Die kommenden Produkte der Firma Intel – und hier sind besonders die Intel-Atom-Prozessoren (Menlow-Plattform mit Silverthorne-CPU und Poulsbo-Chipsatz) zu nennen – ermöglichen einen weiteren Schritt in der Leistungsdichte der Industrie-PC. Viel Rechenleistung auf kleinstem Raum – das beflügelt die Phantasie der Ingenieure und Designer, und man darf auf neue Formfaktoren gespannt sein. Bei den Embedded-PC steht das Thema Lüfterlosigkeit bei steigender Prozessorleistung im Vordergrund. Bei den Industrie-PC erwarte ich ein intensiveres Zusammenwachsen von Anzeige- und Recheneinheit, da der PC als immer kleinerer Zusatz nicht mehr das bestimmende Element bei der Gerätekonstruktion sein wird, sondern eher als „Anhängsel“ des Displays fungieren wird. Außerdem würde es mich nicht überraschen, wenn ein PC auch in die Leistungssteller für Motoren oder in einzelne Maschinenteile Einzug halten würde. Hier kommt man automatisch wieder in die Diskussion der zent­­ralen versus dezentralen Steuerungstechnik. Umso weiter die Miniaturisierung bei den Prozessoren fortschreitet, desto mehr rückt natürlich auch das Thema dezentraler Intelligenz in den Vordergrund. Diese erfordert wieder leistungsfähigere Entwicklungswerkzeuge, um einen Gesamtkomplex aus vielen einzelnen CPU zu beherrschen und zu programmieren. Als Folge müssen sich auch die Programmierstandards in der Automatisierungstechnik in Richtung verteilter Systeme weiterentwickeln.

 

_openautomation: Was macht der Indust-rie-PC mit 32 GByte RAM und einer 64-Core-CPU?_

Josef Papenfort: Der IPC wird sicherlich immer noch das machen, was er jetzt schon macht: auf einem Gerät IO, SPS und Motion Control ablaufen lassen. Der Trend zu immer komplexer werdenden SPS-Programmen ist schon erkennbar. Zykluszeiten werden immer kleiner werden. Die Anzahl der synchron zu regelnden Achsen wird weiter zunehmen, und die Art der Kopplung der Achsen untereinander wird komplexer werden. Elekt-ronische Kurvenscheiben und elektronische Getriebe werden ebenfalls zunehmen. Viele Achsen werden in Zukunft interpoliert betrieben werden. Aber all das wird in einigen Jahren eine dann moderne CPU nicht auslasten können. Integrierte Vision- und Robotiksysteme werden sicherlich in Software realisiert werden. Moderne und altbekannte Regelalgorithmen – wie neuronale Netze – können mit genügend CPU-Leistung vielleicht industriell tauglich gemacht werden. Komplexere Maschinen verlangen auch mehr an Diagnose und Instandhaltung. Expertensysteme und ausgefeilte Diagnosen werden dem Endanwender das Leben einfacher machen. Nicht zuletzt können auch neue Ein- und Ausgabemöglichkeiten, zum Beispiel eine Spracheingabe, die Bedienung einer Maschine vereinfachen.

 

Uwe Prüßmeier: „Schneller, höher, weiter“ – geht natürlich immer, aber es sollte kein Selbstzweck sein. Der Anwender muss einen klaren Vorteil durch die größere Leistung bekommen. Zunächst ist nicht mit steigenden Kosten für die Mehrleistung zu rechnen. Also lautet die Frage wirklich nur: „Was stellt man damit an?“ Allgemeine Anforderungen sind die Vereinfachung der Bedienung, die Verbesserung der Integration in andere Systeme sowie die Optimierung der Visualisierung. Auch bei den Steuerungsaufgaben gibt es Verbesserungsmöglichkeiten: schnellere Programmabarbeitung, kürzere Zyk-luszeiten, vorausschauende Wartung und verbesserte Diagnose. Auch eine Online-Qualitätskontrolle des Fertigungsprozesses kann möglich werden.

Andreas Thome ist Produktmanager PC-Control bei Beckhoff

Andreas Thome ist Produktmanager PC-Control bei Beckhoff

Andreas Thome: Seit Beginn der PC-Technik träumte man von künstlicher Intelligenz. Leider ist bis heute keine dem Menschen ähnliche Intelligenz nachgebildet worden. Diesem Traum könnte man in Zukunft mit mehreren Kernen und brachialer Rechengewalt durchaus näher kommen. Die Verfahren der Gesten-, Sprach- und Bilderkennung können auf den kommenden Rechnergenerationen auf Terrabyte an lokalen Daten zugreifen und zumindest als ausgefeilte Expertensysteme helfen. Diese können zur Verbesserung der Prozessbedienung, zur menschlicheren Interaktion, zur schnelleren Fehlersuche und zur Prüfung der Produktqualität eingesetzt werden. Jeder Anlagenteil oder jedes Maschinenmodul könnte einem Kern zugeordnet werden, sodass eine parallele Abarbeitung mit hohen Taktzahlen erfolgen könnte. Die Erfahrungen der letzten Jahrzehnte zeigen allerdings, dass sprunghafte technologische Entwicklungen – nur aufgrund schnellerer Rechner – nicht zu erwarten sind: Man kann vieles schneller und besser, und daraus entwickeln sich kontinuierlich neue Möglichkeiten. Wer hätte vor einigen Jahren gedacht, dass uns eine kleine „Schachtel“ den Weg anzeigen, ihn mit Sprache ansagen und gleichzeitig noch die Sehenswürdigkeiten kommentieren würde?

 

Industrial-Multi-Core im Fokus_openautomation: Welche Auswirkungen haben Dual- und Multi-Core-Prozessoren auf neue Steuerungsarchitekturen?_

Ramon Barth: Die hohe Rechenleistung von PC-Steuerungen ermöglicht softwarebasierte Automatisierungslösungen, die in der Vergangenheit nur von dezidierten Hardware-Baugruppen erbracht werden konnten. Durch Multi-Core-Prozessoren wird dieser Trend noch weiter verstärkt, da zum Beispiel rechenzeitintensive schnelle Algorithmen einen der Cores exklusiv nutzen können.

Andreas Thome: In der Automatisierungstechnik profitiert derzeit hauptsächlich das Betriebssystem von der Dual- und Quad-Core-Technologie. Der unmittelbare Vorteil für den Anwender ergibt sich aus der schneller ablaufenden Visualisierungs-Software, die trotz gleichzeitig laufender Echtzeitautomatisierung noch flüssig agiert und mit schnellen Bildumschaltzeiten und 3-D-Grafik aufwarten kann. Für die Zukunft ist das natürlich nicht ausreichend. Auch die Automatisierungs-Software kann auf die einzelnen Kerne aufgeteilt werden, um zum Beispiel mehrere Tasks innerhalb eines präemptiv arbeitenden Gesamtsystems zu gleicher Zeit ablaufen zu lassen.

 

_openautomation: Mit der eigenen Motherboard-Entwicklung kann Beckhoff schnell auf neue Prozessoren bzw. Chipsätze reagieren. Welche Entwicklungen sind innerhalb des nächsten Jahres zu erwarten?_

Andreas Thome: Die zu erwartenden Entwicklungen gehen in zwei Richtungen: einerseits in die Unterstützung der neuen Prozessoren mit geringer thermischer Leistungsabgabe (Intel-Menlow-Plattform), andererseits die Implementierung neuer Mehrkerntechnologie, zum Beispiel Intels Core-2-Quad-Prozessoren. Dadurch ist Kontinuität und Leistungssteigerung für alle Produkte gewährleistet. Bei den Formfaktoren kommt, neben ATX, Slot, 3 1/2 Zoll, Compact, PC/104, noch COMExpress hinzu. Auch kundenspezifische Designs werden auf Wunsch mit den neuen Prozessorfamilien durchgeführt.

 

Weitere Informationen unter www.beckhoff.de.

Video-Tipp

der Redaktion

VDMA: Industrie 4.0 - Next Steps

Deutschland befindet sich inmitten eines technologischen Sprungs. Der deutsche Maschinenbau beflügelt seit Jahren weltweit den industriellen Fortschritt. Der Begriff „Industrie 4.0" steht dabei für die Vision einer vierten Industriellen Revolution.

Zum Schmunzeln

Psychiater zum Patient: "Ich kenne Ihr Problem noch nicht, deshalb fangen Sie am besten ganz am Anfang an." Patient: "Am Anfang schuf ich Himmel und Erde."

Copyright © VDE VERLAG GMBH, zuletzt aktualisiert am 23.09.2014