Vor der Schwelle zu neuen Anwendungen Trends beim IPC

Das Konzept des Industrie-PC (IPC) ist trotz der enormen technischen Entwicklung bei den Prozessoren und Systemkomponenten über Jahre stabil geblieben. Auch Architektur und Betriebssysteme sind im Wesentlichen unverändert, so dass auch in Zukunft kaum mit „Technologiesprüngen“ gerechnet werden muss. In der neuen Generation gehören Ethernet- und Internet-Kommunikation mit zur Grundausstattung.

Vor der Schwelle zu neuen Anwendungen

Das Konzept des Industrie-PC (IPC) ist trotz der enormen technischen Entwicklung bei den Prozessoren und Systemkomponenten über Jahre stabil geblieben. Auch Architektur und Betriebssysteme sind im Wesentlichen unverändert, so dass auch in Zukunft kaum mit „Technologiesprüngen“ gerechnet werden muss. In der neuen Generation gehören Ethernet- und Internet-Kommunikation mit zur Grundausstattung.

Charakteristisch für die Automatisierungstechnik ist, dass immer wieder Entwicklungen aus anderen Bereichen für die Lösung technischer Aufgabenstellungen adaptiert werden. Der Industrie-PC ist hierfür das Paradebeispiel; die Kostenvorteile der Massenproduktion wurden von den Automatisierern schon früh wahrgenommen, kurze Zeit nach der Verfügbarkeit genügend leistungsfähiger PCs waren „industrielle Computersysteme“ wie „PDP 11“ von DEC oder die „Nova 1220“ von Data General vom Markt verschwunden. Der Industrie-PC (IPC) ist heute in seinen verschiedenen Ausprägungsformen (s.u.) ein wesentlicher Baustein für die Automatisierungstechnik.

Allerdings hätte der Industrie-PC im Bereich der industriellen Steuerungen durchaus Wachstumspotential. So beziffert der ZVEI [1] für Deutschland den Markt für „industrielle Steuerungen“ in 2005 insgesamt auf 1,8 Mrd. Euro, 76 % davon entfallen auf die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), die Industrie-PCs erreichen einen Anteil von 16 %, und die Embedded-Systeme tragen mit 8 % zum Gesamtvolumen bei.

Dass die Industrie-PCs trotz ihrer Systemleistung und der vergleichsweise günstigen Hardware nur knapp ein Sechstel des Marktes erobert haben, hängt u.a. mit den Anforderungen der Automatisierer an die Langzeit-Verfügbarkeit zusammen. Für Anlagen, die auf eine Lebensdauer von zehn Jahren und länger ausgelegt werden, lässt sich eine Technologie, die im Zwei-Jahres-Rhythmus ihre technische Basis durch neue Prozessoren, neue interne und externe Schnittstellen, neue Speicherbausteine und auch neue Standards für die Hauptplatinen – elektrisch und mechanisch – immer wieder neu definiert, nur mit Hilfe zusätzlicher Maßnahmen, wie z.B. einem Versionenmanagement für Hardware und Software, auch wirklich einsetzen. So bleibt für die Automatisierer die Frage oft unbeantwortet: Wie gehen wir mit dem technischen Fortschritt um? Vielleicht ließen sich mit PC-gestützter Technik viele Systeme komfortabler bedienen und ohne großen Aufwand mit vielen Funktionen ausstatten; solange aber die IPC-Anbieter nicht sicherstellen können, dass eine Anwendung in vielen Jahren auf einer dann völlig anderen Hardware unverändert lauffähig ist, werden IPCs die klassischen SPS-Systeme und seit vielen Jahren eingeführten Feldbusse nicht verdrängen.

Vom „Mainboard“ zum Chip-Modul

Ein deutliches Unterscheidungskriterium für die Anwendungs- und Leistungsklassen des Industrie-PC ist neben dem eingesetzten Prozessor die gewählte Bauform. Hier haben sich in den letzten Jahren – der VMEbus feiert in diesem Jahr sein 25-jähriges Bestehen – die unterschiedlichsten Ansätze herausgebildet. Eine einfache Klassifikation könnte wie folgt aussehen:

  • Einsatz einer herkömmlichen ATX- oder BTX-PC-Hauptplatine, die mindestens in ein industriefähiges Gehäuse eingesetzt wird.
  • Single-Board-Computer (SBC) in den unterschiedlichsten Platinenformaten zwischen PC/104 und EBX (Embedded Board, eXpandable), die speziell für den industriellen Einsatz entwickelt wurden.
  • Industrie-PC-Systeme mit Einschüben, die über einen „Backplane“-Standard wie VME, PICMG oder CompactPCI mit den entsprechenden Erweiterungskarten gekoppelt werden.
  • Eigenentwicklungen von Platinen unter Nutzung von Standard- und Quasi-Standard-Schnittstellen.
  • Hochintegrierte Industrie-PCs in Modulform bis herunter auf Chip-Größe, wie z.B. der Beck-IPC.

Bei den Prozessoren geht die Tendenz zu den Ausführungen mit niedriger Leistungsaufnahme und entsprechend geringer Wärmeentwicklung; hierzu zählen Intels Celeron in der ULV-Ausführung (Ultra Low Voltage), der Geode GX1 von AMD, der „Eden“-Prozessor von Via Technologies oder der „STPC Atlas“-Prozessor von STMicroelectronics. Auch der auf den Einsatz in mobilen Geräten zugeschnittene „Pentium III mobile“ findet sich in den Designs, insbesondere deshalb, weil nur mit lüfterlosen Konstruktionen Gehäuseschutzklassen wie IP67 erreicht werden. Bei den Betriebssystemen kommen Program-me wie eCos, Linux, RTOS, QNX, VxWorks, Windows CE, Windows XP embedded etc. zum Einsatz. Dabei hat das „Open Source“-Betriebssystem Linux in der Automatisierung keine herausragende Marktposition, obwohl hier keine Lizenzgebühren anfallen.

Für Steuerungen, die mit einem HMI (Human Machine Interface), also einer Anzeige, ausgestattet sind, lassen sich zwei Trends festhalten. Während die Hersteller von Industrie-Displays dazu übergehen, ihre Anzeigen zusätzlich mit einem PC auszurüsten, auf dem z.B. eine Soft-SPS läuft, bauen die Steuerungshersteller ihre PC-Module in das Display-Gehäuse ein. Ein typischer Vertreter der ersten Variante ist die schwedische Firma Beijer [2] mit ihren Panel-PCs. Typische Industrie-Panels mit integriertem PC-Modul bietet die Steuerungsfamilie S-MAX aus dem Programm von Phoenix Contact [3], die mit den dezentralen Steuerungen und E/A-Komponenten über Ethernet oder Profinet sowie über die üblichen Feldbusse kommunizieren können. Für die Vernetzung von Antrieben können die Geräte mit einer SERCOS-Schnittstelle ausgestattet werden (Bild 1). Der Hersteller von Gravier- und Frässystemen vhf camfacture [4] bietet zu seinen CNC-Bearbeitungssystemen einen Steuerrechner mit berührungsempfindlichem Bildschirm (Touch Screen). Auf dem PC-basierten System läuft eine CNC-Steuerungs-Software namens „Term“, das Gerät fungiert als Entwicklungssystem und als Steuerung. Daher ist ein realer Not-Aus-Taster auf dem Panel-PC angebracht. Auf die CNC-Daten wird per Ethernet zugegriffen, alternativ lassen sich die Daten auch per „Memory Stick“ über die USB-Schnittstelle übernehmen. Einen Panel-PC mit einer Bildschirmdiagonalen von 48 cm (19 Zoll, Bild 2) bietet die Firma tci [5]; hier werden über eine zusätzliche LED-Anzeige Systemparameter unmittelbar visualisiert.