www.beckhoff.de

Special Application Park

Schneller und multifunktionaler Nicht selten ist von MES-Anbietern zu hören, dass einzig die Produktions-IT noch große Potenziale zur Effizienzsteigerung in der Fertigungsindustrie bietet. Eine weitere Performance-Steigerung der Steuerungstechnik in der Maschine stehe nicht im Verhältnis zum Aufwand. Angeblich lohne es sich nicht, die letzten Millisekunden aus der Automatisierungstechnik „herauszuwringen“, Produktionsprozesse sollten vor allem im gesamtheitlichen Maßstab optimiert werden. Doch das eine muss ja nicht das andere ausschließen. Auf der Hannover Messe zeigt das Unternehmen Beckhoff Automation aus dem ostwestfälischen Verl, wie PC-basierte Steuerungstechnik einen wichtigen Beitrag für noch höhere Leistungsfähigkeit von Maschinen und Anlagen leisten kann. Schnelle Steuerungstechnik verkürzt Zykluszeiten – so lässt sich schneller produzieren – und verbessert zum Beispiel die Energieeffizienz. IO-Response-Zeiten < 100 μs eröffnen dem Anwender neue Möglichkeiten für die Produktionsoptimierung, ist man bei Beckhoff überzeugt. „Mit steigender Prozessorleistung kann der PC – neben den Basisfunktionen SPS, Motion und HMI – weitere Aufgaben übernehmen“, stellt Dr. Josef Papenfort, Produktmanager bei Beckhoff, heraus. „Spezialfunktionen werden demnächst Bestandteil der Software-SPS sein.“ Die Integration weiterer Funktionalitäten, wie Messtechnik, Vision und Robotik, in die PC-basierte Steuerungstechnik verringert die Anzahl von speziellen Hardware-Baugruppen und von Schnittstellen, damit auch die Engineering- und die Wartungskosten. Dabei profitiert die PC-basierte Steuerungstechnik vom Moore’schen Gesetz, der Verdopplung der CPU-Leistung alle 18 Monate. Vor allem die Entwicklung der Multicore-Prozessoren erhöht das Potenzial, neben den reinen Steuerungsaufgaben noch weitere softwarebasierte Funktionen zu übernehmen. „Eine Übertreibung ist eine Wahrheit, die die Geduld verloren hat“, meinte Khalil Gibran. Ist es übertrieben, wenn sich die Automatisierungsspezialisten bereits heute Gedanken machen, was der Industrie-PC mit 32 GByte RAM und einer 64-Core-CPU macht? Sicher nicht, denn Automatisierungs-Software muss auf die einzelnen Kerne aufgeteilt werden, um die höhere Leistungsfähigkeit der PC-Technik für die Applikation wirklich ausnutzen zu können. Geschwindigkeit in der Automatisierungstechnik bedeutet, sich Zeit zu nehmen und trotzdem schneller zu sein. Ronald Heinze

Special Application Park

Die Zukunft PC-basierter Steuerungstechnik PC-basierte Steuerungstechnik hat ihr Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft. Mit dieser Botschaft konfrontiert Beckhoff die Besucher der Hannover Messe auf dem Application Park. openautomation hat die wesentlichen Eckpunkte der Präsentation bereits im Vorfeld zusammengestellt.

Unter dem Motto „PC Control – Open Platform for Advanced Automation“ steht die Live-Demonstration im Application Park, die das Verler Unternehmen Beckhoff Automation als Kooperationspartner der Deutschen Messe AG auf der Hannover Messe zeigt. PC-Control als Basis für offene, leistungsfähige und zukunftssichere Steuerungstechnik bildet den Fokus der Ausstellung mit den Technologiebereichen: PC-Control, Performance in Automation, Future of Automation, Scientific Automation und PC-ControlApplikationen. Entsprechend der Voraussage des Intel-Mitbegründers Gordon Moore profitiert die PC-Control-Technologie alle 18 Monate von einer Verdoppelung der CPU-Leistung für steuerungstechnische Anwendungen. Also stellt sich schon heute die Frage: „Was macht Neben dem Hauptstand in Halle 9 präsentiert Beckhoff auf der Hannover Messe 2008 im der Industrie-PC mit 32 GByte „Application Park“ in Halle 17, Stand D26, Basis- und Zukunftstechnologien, wie „Scientific RAM und einer 64-Core-CPU?“ Automation“, rund um die PC-basierte Steuerungstechnik Antworten hierauf will Beckhoff im Application Park auf der Hannover Mes- Intel-Multicore-Prozessor und Windows-Be- Scientific Automation: se geben. Konsequent wird die wachsen- triebssystem ausreichend Potenzial hat, um Integration ingenieurwissende Leistungsfähigkeit der PC genutzt, um neben den Basisfunktionen SPS, Motion schaftlicher Funktionen neben den Standardangeboten der Auto- und HMI noch weitere softwarebasierte „Scientific Automation ist ein spannender matisierung noch mehr Funktionalität zu Funktionen zu übernehmen“, ist Dr. Josef Begriff, der die Phantasie anregt und auch Papenfort, TwinCAT-Produktmanager bei anregen soll, lebt doch unsere Branche weintegrieren. „Wir richten bei unserer Präsentation den Beckhoff, überzeugt und sieht im PC schon sentlich durch die Innovation“, meint Hans Blick in die Zukunft und zeigen, dass der PC heute die leistungsfähigste Steuerungs- Beckhoff, Geschäftsführer von Beckhoff. In als leistungsfähige Hardware-Plattform mit plattform. der Steuerungstechnik für Maschinen gibt

1-2/08 openautomation

1

Special Application Park es laut H. Beckhoff einige Standard-Technologiebereiche. Dazu zählt er die Ablaufsteuerung, die durch die SPS realisiert wird, die Bewegungssteuerung, die von der MotionSoftware oder entsprechenden Funktionsbaugruppen umgesetzt wird, die Regelungstechnik sowie Mensch-MaschineSchnittstellen. Auch diese Bereiche waren früher eigenständige Gewerke, die heute via Hard- und Software miteinander verbunden sind. „Nun gibt es weitere Technologiebereiche jenseits dieser klassischen Anwendungsfelder“, setzt H. Beckhoff fort. Mit Scientific Automation bezeichnet der studierte Physiker die Integration ingenieurwissenschaftlicher Erkenntnisse in die Automatisierungs-Software, die über den Rahmen der klassischen SPS- und MotionTechnologie hinausgehen. Grundlage hierfür ist die stetig wachsende Leistungsfähigkeit der PC. Mit hauseigenen Motherboard-Entwicklungen wollen die Verler dies noch kräftig vorantreiben. Beispiele stellen die Integration von Vision-Systemen, Robotik, Condition Monitoring oder Hochleistungsanwendungen der Messtechnik in die Steuerung dar. Geschäftsführer H. Beckhoff ist überzeugt: „Die Integration der High-End-Messtechnik in die Auto-

matisierungssteuerung wird eine wesentliche Grundlage der wissenschaftlichen Automatisierung sein. Auf der Hannover Messe 2008 geben wir einen Ausblick in die Zukunft.“ Anfänge für die Integration der Mess-

technik in PC-Control hat das Unternehmen bereits in den letzten Jahren gemacht: Zum Beispiel kann TwinCAT Scope-View, ein integriertes Software-Oszilloskop, genaue Analysen der Daten liefern. Trotzdem wird die

Hans Beckhoff ist Geschäftsführer der Beckhoff Automation GmbH in Verl

Die IO-Response-Time beinhaltet alle in der Hardware (IPC, EtherCAT, IO-System) auftretenden Bearbeitungszeiten vom physikalischen Eingangsereignis bis zur Reaktion am Ausgang

2

openautomation 1-2/08

Special Application Park

XFC-Technologie für Mikro-Spritzgießanlage

Im Application Park stellt Beckhoff eine Mikro-Spritzgießanlage mit Linearantrieb aus, die in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Medizintechnik an der TU München entwickelt wurde. Die Anlage wurde als Kern einer kompakten Produktionszelle für die Herstellung von Mikropräzisionsteilen für medizinische Anwendungen entwickelt. Aufgrund ihrer Eigenschaften, wie geringe Größe, geringes Gewicht, niedriger Preis und hohe Funktionalität, begegnet die Mikro-Spritzgießanlage den hohen Anforderungen bezüglich Präzision, Reproduzierbarkeit und Flexibilität. Diese Eigenschaften werden durch ein innovatives Maschinenkonzept, den Einsatz servoelektrischer Antriebstechnik und insbesondere der XFC-Technologie erreicht. Sie ermöglichen einen optimalen Einspritzprozess

Messtechnik bisher noch bei vielen Hochleistungsanwendungen von entsprechenden Spezialgeräten übernommen. „Unser Ziel ist die Integration der Messtechnik via Matlab/Simulink oder der Entwurf von Regelkreisen direkt in der Steuerungs-Software. Auch die Statistik für Qualitätsbeurteilung bzw. das Condition Monitoring kann komplett softwarebasiert auf dem Industrie-PC als Hardware-Plattform gebündelt werden“, erläutert Dr. J. Papenfort. Scientific Automation wird nach Ansicht von H. Beckhoff auch wesentlich durch die Anwender geformt. „Jedes Anwendungsgebiet hat eigene ingenieurwissenschaftliche Erkenntnisse und wir denken, dass unsere Kunden zum eigenen Nutzen die Möglichkeiten von Scientific Automation einsetzen werden“, so H. Beckhoff. Für ihn ist es daher auch wichtig, umfangreiches BranchenKnow-how aufzubauen. Er ist überzeugt, dass alle Automatisierungstechnik-Anbieter zukünftig noch weit mehr Gewerke in ihre Angebote integrieren werden. „Die Zukunft bleibt hier spannend“, setzt er fort. „Die Wissenschaft ist vielfältig und die Phantasie und Kreativität der Ingenieure ist hier gefragt.“ „Wir entwickeln unsere Automatisierungstechnik in verschiedene wichtige Richtungen weiter“, so der Automatisierungsvisionär. Ziele sind dabei die Einfachheit in der Anwendung, die Optimierung der Engineering-Tools, ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis, eine hohe Leistungsfähigkeit sowie eine hohe Effizienz, die unter an-

und folglich die kostenoptimale Herstellung hochpräziser Mikroteile. Hohe Abfallanteile des teuren KunststoffRohmaterials und Materialschädigungen aufgrund langer Verweilzeiten werden in der Spritzgießanlage vermieden. Für die Realisierung der Steuerung und Regelung der Maschinenprozesse in Echtzeit wurde PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff ausgewählt. Aufgabe der Mikro-Spritzgießanlage ist das Bewegen und Formen geringer Massen mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit. Dies fordert von der Steuerung extrem kurze Reaktionszeiten und hohe Abtastfrequenzen. Hier kommt die XFC-Technologie zum Einsatz. Sie ermöglicht deterministische Systemreaktionen im Bereich von Mikrosekunden.

schnelle PC-Steuerungstechnik nicht nur zur Prozessoptimierung beiträgt, sondern auch die Energieeffizienz erhöht. Energieeffizienz in industriellen Prozessen ist ein Trendthema der diesjährigen Hannover Messe. XFC – „eXtreme Fast Control Technologie“ – basiert auf einer optimierten Steuerungs- und Kommunikationsarchitektur, die aus einem modernen Industrie-PC, ultraschnellen IO-Klemmen, dem Highspeed-Ethernet-System EtherCAT und der Automatisierungs-Software TwinCAT besteht. Mit XFC wird eine neue Größenordnung in der Geschwindigkeit erreicht, die um den Faktor 10 bis 20 schneller ist als bisherige Lösungen, heißt es aus Verl: „Dabei geht es aber nicht um das Aufstellen neuer Geschwindigkeitsrekorde, sondern um knallharte Wettbewerbsvorteile, die sich daraus für den Maschinen- und Anlagenbau ergeben.“ Schnelle PC-basierte Steuerungstechnik ermöglicht die optimale Beherrschung des Maschinenprozesses. Die Reduktion der Zykluszeit bzw. „die Automatisierungswelt unterhalb von einer Millisekunde“ ermöglicht dem Anwender, seinen Prozess qualitativ zu verbessern. Zum Beispiel können Teile mit größerer Präzision gefertigt werden. Das spart zum Beispiel Materialkosten und trägt somit zur Effizienzsteigerung bei. Außerdem wird die Energieeffizienz erhöht. H. Beckhoff: „Uns macht es besondere Freude, mit bestimmten Technologien Meilen-

Ein CNC-Bearbeitungszentrum der Weeke Bohrsysteme GmbH aus Herzebrock-Clarholz steht im Mittelpunkt der Live-Präsentation. Die Venture-Baureihe deckt die Komplettbearbeitung Bohren, Fräsen und Sägen sowie das Nuten der Werkstücke in einer Aufspannung ab und bleibt auf der Basis eines Baukastensystems flexibel erweiterbar. Die Steuerungstechnik basiert auf PC-Control von Beckhoff derem auch zur Nachhaltigkeit führt. „Der Begriff ‚Scientific Automation’ kennzeichnet hier den Anspruch an uns selbst, mit unserer Technik den wissenschaftlichen Fortschritt für eine breite Palette von Anwendungsfeldern einfach und preiswert handhabbar zu machen“, so der Geschäftführer weiter.

Performance in Automation: Vorsprung für den Maschinenbau Unter dem Thema „Performance in Automation“ will das Unternehmen zeigen, dass

steine zu setzen oder Leistungsgrenzen zu brechen, wie es mit der XFC-Technologie gelungen ist, die nun 100 μs IO-Response-Zeiten in der Steuerungstechnik zur Verfügung stellt." Er fügt an, dass diese ultraschnelle Steuerungstechnologie bereits in der Praxis zum Einsatz kommt, so im Bereich der Druckmaschinen, bei Spritzgussmaschinen und anderen schnellen Bearbeitungsmaschinen. Einen Einblick in die Leistungsfähigkeit von XFC können Messebesucher auf dem Application Park erhalten.

Ronald Heinze

1-2/08 openautomation

3

Special Application Park

PC-Control im Application Park: Live-Demonstrationen in Hannover Der Messeauftritt im Application Park in Halle 17, Stand D26, steht unter dem Thema PC-Control. Zusammen mit Intel, Microsoft und weiteren Partnern stellt Beckhoff Basis- und Zukunftstechnologien, wie „Scientific Automation“, rund um die PC-basierte Steuerungstechnik vor. openautomation sprach mit Frank Metzner, Leiter Marketing Communications bei Beckhoff.

openautomation: Wie kamen Sie auf die Idee, PC-Control im Application Park auf der Hannover Messe zu zeigen? Frank Metzner: Die Hannover Messe ist für uns die bedeutendste internationale Automatisierungsmesse und daher haben wir das Angebot der Deutschen Messe AG, eine von zwei Live-Demonstrationen zu übernehmen, gerne angenommen. PC-Control als übergeordnete Basistechnologie unserer Steuerungstechnik steht dabei im Vordergrund. Der PC als meistgenutzte IT-Architektur wird die nächsten Jahre weitere Leistungsstandards setzen und auch die Automatisierungstechnik nachhaltig beeinflussen. Im Application Park geben wir, gemeinsam mit Intel, Microsoft und weiteren Partnern, einen Ausblick, wie der IPC diese neuen Technologien effektiv nutzen kann. openautomation: Was wird dort genau demonstriert? Frank Metzner: Der Messestand hat die Themenschwerpunkte: „PC-Control“, „Performance in Automation“, „Future in Automation“ und „Scientific Automation“, mit denen wir – in

4

openautomation 1-2/08

Kooperation mit Partnern aus Industrie und Forschung – Basis- und Future-Technologien zeigen. Im Bereich „PC-Control Applications“ demonstrieren wir mit LivePräsentationen aus verschiedenen Bran-

chen die Offenheit und Leistungsfähigkeit der PC-Technologie. Parallel dazu finden zweimal täglich Vorträge und Präsentationen von Technologiepartnern und Gastrednern statt.

Das Modell des Application Park von Beckhoff und seinen Partnern auf der Hannover Messe 2008

Special Application Park

Spektakuläre Fernsehbilder mit PC-based Control Mit der Spider-Cam hat das gleichnamige Unternehmen einen Kameraroboter entwickelt, der die Kamera wie ein ferngesteuertes Flugobjekt frei in alle Raumrichtungen bewegt. Ein Seilzugsystem, das an vier Masten, an der Decke oder anderen vorhandenen festen Punkten befestigt wird, hält die Kamera in der gewünschten Position. Seilwinden, welche die Seile koordiniert verkürzen und verlängern, treiben das System an und machen es schnell und wendig. Es sind Geschwindigkeiten von bis zu 9 m/s (32 km/h) möglich. Um diesen komplizierten Prozess zu steuern, setzt die Spidercam GmbH als zentrale Steuerung einen Embedded-PC CX1000 mit Windows-CE-Betriebssystem ein. Jede Windenstation ist mit einem Embedded-PC CX9000

openautomation: Wie ist die Auswahl der Technologiepartner vonstatten gegangen? Frank Metzner: PC-Control von Beckhoff basiert auf offener Steuerungstechnik, daher setzen wir bei unseren IndustriePC auf die Weltstandards Windows-Betriebssysteme und Intel-Prozessoren der Embedded-Reihe. Als Microsoft-EmbeddedGold-Partner und General Member der Intel Embedded and Communications Alliance

ausgerüstet, der mit TwinCAT über Netzwerkvariablen mit dem CX1000 in der zentralen Steuereinheit kommuniziert. Integrierte Twinsafe-Klemmen sorgen speziell bei kritischen Momenten, wie der Inbetriebnahme und der Handsteuerung, für hohe Sicherheit. Die Bedienung der Spider-Cam ist trotz der komplexen Technik vergleichsweise einfach. Lediglich zwei Personen sind für den Betrieb des Kamerasystems erforderlich. Während ein Mitarbeiter die Spider-Cam mithilfe eines Joysticks in den drei Raumachsen fliegt, bedient ein zweiter Mitarbeiter die Kamera. Ein Kontrollmonitor mit einer OnlineVisualisierung liefert jederzeit genaue Informationen über die exakte Position der Kamera.

sowie Teilnehmer an diversen Intel-EarlyAccess-Programmen pflegen wir sehr gute Kontakte zu Microsoft und Intel, wodurch unsere Entwicklungsabteilungen frühzeitigen Zugriff auf neue Produkte und Beta-Versionen erhalten. Deswegen freuen wir uns, dass wir Intel und Microsoft als Mitaussteller gewinnen konnten. Bei unseren Applikationspartnern war es uns wichtig, eine Vielfalt verschiedener Anwendungen zu zeigen: vom CNC-Bearbei-

Die Messestand-Partner • Intel, www.intel.de • Microsoft Embedded, www.microsoft.com/embedded • Microsoft Research, www.microsoft.com/emic • Weeke Bohrsysteme, www.weeke.de • IPA Robotersysteme, www.ipa.fraunhofer.de • Spidercam, www.spidercam.tv • Eplan Software & Service, www.eplan.de • Delmia, www.delmia.com • Hasso Plattner Institut, www.hpi-web.de • TU München/Medizintechnik, www.medtech.mw.tum.de • FH Köln, Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik, www.fh-koeln.de • Uni Kassel, FG Embedded Systems, www.uni-kassel.de

tungszentrum über die Mikrospritzgießmaschine bis hin zum mobilen Roboter. Mit der Spider-Cam – einem High-speed-Kamerasystem – haben wir eine eher exotiDie sche PC-Control-Anwendung auf dem Stand. Die Kamera ist über dem Messestand installiert und wird das Geschehen live übertragen. openautomation: Was bezwecken Sie mit den fünf Technologieforen hinsichtlich Ihres Messeauftritts? Frank Metzner: Das Standkonzept basiert auf einem Rundgang von den PC-Control-Basistechnologien bis zur Future-Technologie, wie der „Scientific Automation“. Im Forum „Performance in Automation“ gehen

Frank Metzner ist Leiter Marketing Communications bei Beckhoff Automation in Verl wir, neben der Multicore-Technologie, auch auf die Leistungsdaten der PC-Technik ein. Bei unserer XFC-Technologie geht es nicht um das Aufstellen neuer Geschwindigkeitsrekorde in der Automatisierung, sondern um Effektivitätssteigerung der Maschine auf Basis verkürzter Zykluszeiten. Die PC-Control-Technologie ist heute schon eine enorm leistungsfähige Plattform und wird mit steigender Prozessorleistung zukünftig weitere Funktionen, die heute noch in speziellen Hardware-Baugruppen realisiert sind, softwarebasiert übernehmen. Im Application Park geben wir einen Ausblick, was der IPC der Zukunft zum Beispiel mit 32 GByte RAM und einer 64-Core-CPU macht.

Ronald Heinze

1-2/08 openautomation

5

Special Application Park

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. 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.

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 impleRamon Barth leitet die Grundlagen-Softwarementiert werden. entwicklung bei Beckhoff

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

6

openautomation 1-2/08

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 wur-

Special Application Park den 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: 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 Vor-

Andreas Thome ist Produktmanager PC-Control bei Beckhoff dergrund. 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.

Der Panel-PC CP72xx im kompakten Slimline-Gehäuse erfüllt alle Anforderungen an eine moderne Maschinensteuerung

1-2/08 openautomation

7

Special Application Park openautomation: Was macht der Industrie-PC mit 32 GByte RAM und einer 64-CoreCPU? 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

Industrial-Multi-Core im Fokus

openautomation: Welche Auswirkungen haben Dual- und Multi-CoreProzessoren 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 MultiCore-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-DGrafik aufwarten kann. Für die Zukunft ist das natürlich nicht ausreichend. Auch die Automatisierungs-Software

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

8

openautomation 1-2/08

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: Seit Beginn der PC-Technik träumte man von künstlicher Intelligenz. Leider ist bis heute keine dem Menschen ähnli-

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 Core2-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.

che 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?

Special Application Park

Multi-Core-Prozessoren für die PC-basierte Automatisierung Die ständig steigende Leistungsfähigkeit der Prozessoren ist entscheidend für die Fortschritte auch im Bereich der PC-basierten Automatisierungstechnik. Sebastian Richter, Intel, gibt Auskunft über die aktuellen Entwicklungen der Multi-Core-Prozessoren und die Auswirkungen auf die Automatisierungstechnik.

unseren Kunden, auch außerhalb des Serverbereichs durch Parallelisierung von den neuen Möglichkeiten Gebrauch zu machen.

Sebastian Richter ist Field Application Engineer bei Intel openautomation: Auf der Hannover Messe 2008 ist Intel Mitaussteller auf dem PCControl-Stand von Beckhoff. Was hat Sie zur Teilnahme bewogen, und was stellen Sie aus? Sebastian Richter: Intel sieht den Embedded-Markt als einen der Wachstumsbereiche, die sehr stark von der Automatisierung geprägt werden. Beckhoff bietet daher eine ideale Plattform, um die Intel-Technologie im Embedded-Sektor zu präsentieren. Wir zeigen die Vorteile der Dual- und Multicore-Technologie für PC-Control, erklären, wie groß das Portfolio von Intel-Lösungen ist – von den Software-Tools bis zu Ein-ChipLösungen – und geben dem Besucher einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen im Bereich der 45-nm-Technologie. openautomation: Welche Trends in der Prozessortechnik führten zur Entwicklung der Multi-Core-Prozessoren? Sebastian Richter: Die Verkleinerung der Strukturbreiten – von 90 nm, über 65 nm, zu 45 nm – erlaubt es, mehrere Prozessorkerne in einem Chip zu integrieren. So können wir die Leistung der Prozessoren und gleichzeitig ihre Energieeffizienz steigern. Mit der Einführung der 45-nm-High-k-basierten Transistoren können wir zum Beispiel bei gleicher Leistung – im Vergleich zur Vorgängergeneration – den Stromverbrauch um die Hälfte reduzieren oder, bei gleichem Stromverbrauch, die Leistung um 38 % steigern. Zusätzlich erlauben Software-Tools

openautomation: Welche Vorteile haben Dual- und Multi-Core-Prozessoren generell gegenüber Single-Core-Prozessoren? Sebastian Richter: Sobald die Software in der Lage ist, parallel zu arbeiten, werden Dual-Core-Prozessoren dem Anwender eine wesentlich höhere Leistung bieten als deren Single-Core-Pendants. Zusätzlich erlauben mehrere Kerne, Plattformtechnolgien, wie Virtualisierung, optimal zu nutzen und mehrere Betriebssysteme bzw. Applikationen getrennt voneinander laufen zu lassen. Beckhoff hat erst kürzlich in einem Artikel beschrieben, wie eine Dual-Core-CPU die Echtzeitfähigkeit des Systems, ohne zusätzliche Leistungsaufnahme, erhöht hat. Die Latenzzeiten wurden durch den Einsatz der Mehrkern-CPU minimiert. openautomation: Beckhoff setzt bei seinen Industrie-PC und Embedded-PC auf die Intel-Prozessoren der Embedded-Linie. Worin unterscheiden sich die Embedded-Varianten von den Desktop-/Notebook-Prozessoren? Sebastian Richter: Die Embedded-Gruppe innerhalb unseres Produktspektrums erlaubt es unseren Kunden, ausgewählte Prozessoren aus der Desktop- und NotebookRoadmap für mindestens sieben Jahre zu beziehen. Dadurch können unsere Kunden in den Embedded-Märkten erfolgreich sein, in denen Lebenszyklen vorherrschen, die um ein Vielfaches länger sind als die auf dem PC-Markt üblichen. openautomation: Auf der Embedded World im Februar haben Sie Embedded-Prozessoren, basierend auf der 45-nm-HKMGHalbleitertechnik, vorgestellt. Welche Pro-

Quad-Core-Prozessor basierend auf 45-nm-Technik von Intel zessoren sind mit dieser Technologie verfügbar, und für welche Anwendungen wurden sie entwickelt? Sebastian Richter: Die auf 45-nm-Technik basierenden Prozessoren setzen schon die High-k-Transistoren ein. Mit dieser Entwicklung ist es uns möglich, Plattformen anzubieten, die im High-End-Bereich eine neue Leistungsmarke setzen bei gleichbleibender Leistungsaufnahme, sowie mit unseren Kunden Systeme zu entwickeln, die Anwendung in Embedded-PC, wie der Beckhoff-CX-Serie, und anderen kleinen Bauformen finden. openautomation: Ist eine 64-Core-CPU noch eine Utopie, oder wird es solche MultiCore-Prozessoren in Zukunft geben? Sebastian Richter: Der Trend geht ganz klar in Richtung Multi-Core. Mit Polaris haben wir schon einen 80-Kern-Chip mit der Leistungsaufnahme eines heutigen DualCore-Prozessors gezeigt. Auch wenn dies noch ein Forschungsprojekt ist, zeigt es doch die Notwendigkeit, dass unsere Kunden ihre Software auf Multi-Core vorbereiten.

1-2/08 openautomation

9

Special Application Park

Kommunikation in der PC-basierten Steuerungstechnik Im Gegensatz zur Office-Welt werden bei einem Industrie-PC deutlich höhere Anforderungen an die Kommunikation gestellt. Neben hoher Bandbreite ist auch ein deterministisches Zeitverhalten gefragt. Da in der Regel viele verschiedene Aktoren und Sensoren angebunden werden müssen, spielen die Architektur des Bussystems und das benötigte breite Spektrum an IO-Klemmen eine entscheidende Rolle. Über dieses Thema spricht die Redaktion der openautomation mit Uwe Prüßmeier, Produktmanager IO-Systeme bei Beckhoff. openautomation: Welche Anforderungen an das Bus- bzw. Kommunikationssystem stellt die PC-basierte Steuerungstechnik? Uwe Prüßmeier: PC-basierte Steuerungstechnik unterscheidet sich von üblicher, SPS-basierter Steuerungstechnik durch die Leistungsfähigkeit der Hardware. Durch die Integration neuer immer leistungsfähiger CPUs lässt sich der PC mit vergleichsweise geringem Aufwand sehr schnell weiterentwickeln. Es stehen viele Tools zur Verfügung, welche die Einbindung in andere Systeme erleichtern, und auch das Mensch-Maschine-Interface ist sehr viel komfortabler. Daraus resultiert für das unterlagerte Bussystem eine zunehmende Bandbreite. Immer mehr Parameter und Interfaces werden über das Bussystem parallel zu den Prozessdaten übertragen. Die Rechenleistung eines PC erlaubt die Verarbeitung immer größerer Programme und Datenmengen; gleichzeitig liefert die Sensorik größere Datenmengen immer schneller, was ebenfalls eine zunehmende Bandbreite zur Folge hat. Die wachsende CPU-Leistung erlaubt eine schnellere Abarbeitung der Programme. Rechenalgorithmen werden exakter – mit kleiner Totzeit und vor allem mit kleinerem Jitter. Positionieraufgaben können bis zu zehnmal präziser werden, wenn die Abtastzeitpunkte ohne Jitter durchgeführt werden. Das Kommunikationssystem muss äquivalent sein. Die größeren Steuerungsprogramme, und damit die umfangreicheren IOSysteme, erfordern systemgestützte Diagnose und maximale Freiheit in der Topologie. Das Bussystem sollte jede Topologie

10

openautomation 1-2/08

unterstützen und eine automatische Diagnose zur Fehlersuche durchführen können. Redundanz ist ein wichtiger Eckpfeiler für eine hohe Verfügbarkeit bei umfangreichen Systemen. Der hohe Verbreitungsgrad der PC-Technik stellt einen klareren Vorteil für den IPC dar. openautomation: Welche Vorteile bietet EtherCAT für die PC-basierte Steuerungstechnik? Uwe Prüßmeier: EtherCAT erfüllt alle oben aufgeführten Anforderungen. Bezogen auf ei-

Uwe Prüßmeier ist Produktmanager IOSysteme bei Beckhoff

ne Perspektive der nächsten Jahre ist die Leistungsfähigkeit von EtherCAT mehr als ausreichend und seine Implementierung eine gute Zukunftsinvestition. Die schon heute sehr große Zahl von verfügbaren Geräten sichert dem Anwender über mehr als ein Jahrzehnt eine offene und flexible Schnittstelle mit großer Leistungsreserve. openautomation: Welche Kostenvorteile hat EtherCAT für den Maschinen- und Anlagenbau? Uwe Prüßmeier: Mit EtherCAT verfügt der Kunde über ein Bussystem für alle Anwendungen mit dem Vorteil geringerer Lagerund Schulungskosten. Die große Systemreserve ermöglicht ein schnelles, leichtes und fehlerarmes Design der Kommunikationslösung. Aufgrund der Topologiefreiheit werden praktisch keine zusätzlichen Strukturkomponenten benötigt. Der hohe Verbreitungsgrad bietet eine gesunde Wettbewerbssituation zwischen gleichartigen Anbietern und verhindert eine Hochpreispolitik für die Option „mit EtherCAT“. Neben den Preisvorteilen der einzelnen IO-Komponenten bieten auch der Wegfall einer speziellen Feldbusmasterkarte und die günstigen Kabel und Stecker Einsparpotenziale. openautomation: Wie trägt die XFC-Technologie zu mehr Energieeffizienz bei? Uwe Prüßmeier: XFC – eXtreme Fast Control Technology – basiert auf einer optimierten Steuerungs- und Kommunikationsarchitektur, die aus einem Industrie-PC, ultraschnellen IO-Klemmen, EtherCAT und TwinCAT besteht. Mit XFC ist es möglich, IO-Re-

Special Application Park sponse-Zeiten ≤ 100 μs und Jitter in der Reaktionszeit