APUs der Embedded-G-Series von AMD Turbo für die HMI-Grafik

Auch im Maschinenbau sind hochwertige 3D-Visualisierungen auf kleinen Geräten zunehmend gefragt. Mit Hardware wie den APUs der Embedded-G-Series von AMD, in denen der Visualisierungsbeschleuniger bereits vorintegriert ist, können Entwickler eine leistungsfähige Grafik so integrieren, dass sie auch in lüfterlose Low-Power-Panel-PCs passt.

Grafik bestimmt heute 80% der Funktion einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human Machine Interface, HMI). Deshalb spielt die Grafikfunktion in den meisten Projekten eine wesentliche Rolle. Bei der neuesten HMI-Genera­tion werden beispielsweise konventionelle physische Bedien­elemente zunehmend durch Touchscreen-Benutzerschnittstellen ersetzt, die ein vergleichbares Nutzererlebnis bieten wie neue Smartphones und Tablets aus dem Bereich der Konsumelektronik. Dieser technische Trend verspricht im Bereich der industriellen Steuerungen und Automatisierung enorme Zuwächse bei Produktivität und Präzision.

So wie Smartphone-Entwickler die meisten physikalischen Bedien­elemente zu Gunsten von rekonfi­gurierbaren Touchscreen-Schnittstellen über Bord geworfen haben, können auch Maschinen- und An­lagen­bauer die Funktionen ihrer Applikation über HMI-Panels leichter modifizieren. Indem sie per Software konfigurierbare (Multi-)Touch-Interfaces einsetzen, können sie die Bedienung im Lauf der Zeit anpassen und verbessern. Zudem reduzieren sich die Hardware-Abhängig­keiten zwischen der Bedienoberfläche und dem Embedded-Panel-PC.

HMI als »Gesicht« der Anlage

Darüber hinaus nehmen viele Nutzer hochwertige Prozess- und Maschinenvisualisierungen, mit denen sich Betriebsparameter intuitiv erfassen und bedienen lassen, als ein immer wichtigeres Kaufargument wahr. Die Anwender erleben die HMI-Oberfläche quasi als das »Gesicht« der Maschine oder Anlage. Als solches ist das HMI also auch ein wichtiges Mittel, um ein Quali­tätsversprechen quasi »auf den ersten Blick« zu vermitteln. Ein hochwertiges User-Interface bietet zudem handfeste wirtschaftliche Vorteile für den Nutzer: So erleichtert es die Bedienung und erhöht die Bediensicherheit. Zudem kann eine selbsterklärende, einfach zu bedienende Oberfläche auch die Schulungs- und Einarbeitungskosten des Personals drastisch reduzieren.

Mit zunehmendem Grafikeinsatz steigt allerdings auch der Anspruch an die Grafikleistung der HMIs. Viele Entwickler wollen zunehmend realistische 3-D-Elemente in ihre Applikationen einbauen, um beispielsweise mit 3-D-Explosionszeichnungen oder 3-D-Animationen den Aufbau und die Funktionsweisen von Maschinen und Anlagen zu visualisieren. Hierfür sind aufwendige Rechenalgorithmen notwendig, die sich entweder softwaregesteuert auf der CPU oder hardwarebeschleunigt auf der Grafikeinheit umsetzen lassen.

Beschleunigte 3-D-Grafik

Beim Visualisierungssoftware-Hersteller Inosoft ist man von der Notwendigkeit von Hardwarebeschleunigung für die 3-D-Visualisierung überzeugt. Nur diese garantiere eine verzögerungs- und ruckelfreie Darstellung selbst fotorealistischer 3-D-Animationen mit dynamischer Beleuchtung und fließenden Farbübergängen. Bei kleinen Bildschirmdiagonalen bis zu 15 Zoll kommen laut Angaben von Inosoft meist energieeffizientere Prozessoren mit bisher eher geringerer Grafikleistung zum Einsatz, mit denen sich die 3-D-Animationen der Visualisierungssoftware nicht zufriedenstellend darstellen ließen.

Damit Maschinen- und Anlagenbauer die Programmierung der 3-D-Grafikoberflächen nicht von Grund auf selbst machen müssen, bietet Inosoft die Visualisierungslösungen der »VisiWin«-Familie (Bild 1). Damit lassen sich neue und hochwertige Oberflächendesigns für Visualisierungs- und SCADA-Anwendungen auf Basis von Standardbibliotheken wie »Microsoft Visual Studio« oder »Blend« schnell und unkompliziert umsetzen. Durch die Nutzung dieser Standard­bibliotheken und Grafikschnittstellen wie DirectX, die zuverlässig und langzeitverfügbar sind, können Entwickler zudem eine gewisse Planungs­sicherheit für zukünftige Projekte erzielen.

Die dafür nötige, leistungsstarke 3-D-Grafikeinheit war bis vor kurzem allerdings nur in HMIs mit entsprechend hoher Prozessorleistung oder in sperrigen Panel-PCs mit separater Grafikkarte zu finden. Beide Systemarten sind mit hohen Kosten und hoher Abwärme und damit anfälliger Lüfter­kühlung verbunden. Kunden suchen aber nach schlanken, grafikstarken und kosteneffizienten HMIs ohne Lüfter. Anders als Systemdesigns mit Lüftern lassen sich diese selbst im rauen Fabrikeinsatz wartungsfrei betreiben, ohne dass Ausfälle durch defekte Lüfter zu befürchten sind. Zudem senken sie auch die Wartungskosten, da ein regelmäßiger Tausch der Lüfter beziehungsweise der Luftfilter entfällt.

Mit Low-Power-x86er-Prozessoren, die bei geringem Energieverbrauch eine hohe 3-D-Grafik­leistung liefern, will AMD alle diese Anforderun­- gen erfüllen. Die langzeitverfügbaren »Acce­lerated Processing Units« (APUs) der »Embedded G-Series« integrieren eine x86er-CPU und eine Grafikeinheit auf dem Leistungsniveau einer dedizierten Grafikkarte auf nur einem Chip. Das hohe Grafikpotenzial dieser APUs demonstrieren in der IT-Fachpresse bereits veröffentlichte Benchmarks: Hier erreichen die APUs »AMD G-T40E« und »AMD G-T40R« laut Angaben des Herstellers einen Leistungsindex von 291% beziehungsweise 259%, normiert auf die 100% eines Intel-Atom-Prozessors »D2700«, und damit bis zu dreimal so viel Grafikleistung wie der Wettbewerb. Allerdings lassen sich über Labor-Benchmarks auch nur Laborwerte erreichen, deshalb sind auch ausführliche Testläufe unter realen Bedingungen nötig. Diese hat Inosoft auf den AMD-G-Series-APUs für seine Visualisierungslösungen der VisiWin-Familie durchgeführt.

Tests im realen Betrieb

Für die Leistungstests kamen Panel- PCs der »P Line« von Sütron electronic zum Einsatz, einem Kompetenzzentrum der Phoenix-Contact-Gruppe (siehe Kasten).

Panel-PCs mit Multitouch-Bedienkonzept 

Aktuell sind die von 5,7 Zoll bis 15,4 Zoll skalierbaren Panel-PCs der »P Line« mit Standard-Touch-Displays ausgerüstet, was laut dem Hersteller Sütron auch dem derzeitigen Anwendungsstand bei den meisten Industriekunden entspricht. In Planung ist aber auch eine Multitouch-Lösung, für die das Unternehmen bereits ein erstes Bedienkonzept erarbeitet hat. Das 12,1-Zoll-Multitouchsystem ist mit AMD-Dual-Core-APUs bestückt und unterstützt das Betriebssystem Windows Embedded 8 Standard.

Verfügbar macht Sütron seine Panel-PCs mit den Embedded-G-Series-APUs der Typen »T40R« oder »T40E«.

Diese neuen Single- und Dual-Core-APUs weisen eine »Thermal Design Power« (TDP) von nur 5,5 W bzw. 6,4 W auf und bieten damit laut AMD eine um bis zu 39% verringerte Leistungsaufnahme im Vergleich zu früheren Versionen. Beide haben bereits GPUs auf dem gleichen Chip integriert, die DirectX 11 unterstützten.

Im Folgenden einige wichtige Merkmale der P Line:

■ Displaygrößen von 14,48 cm (5,7 Zoll) bis 39,1 cm (15,4 Zoll),

■ leistungsstarke x86-Prozessoren (AMD G-Series T40R APU, AMD G-Series T40E APU),

■ Speicherauswahl: RAM von 512 MByte bis 2 GByte, Flash von 2 GByte bis 32 GByte,

■ zwei Ethernet-Schnittstellen,

■ vier USB-Schnittstellen,

■ SD-Karte,

■ lüfterlos,

■ optional weitere Schnittstellen (RS-232, RS-485, CAN),

■ Betriebssysteme: Windows Embedded 7 Standard, Windows CE 6.0.

Eine einheitliche, skalierbare Prozessorplattform ermöglicht die enge Integration von Prozesssteuerung mit Echtzeitbetrieb und Echtzeitbetriebssystem sowie der grafischen Benutzerschnittstelle mit einem Betriebssystem wie Microsoft Windows.

Diese Serie integriert die Embedded-G-Series-APU in ein leistungsstarkes Touchpanel, das komplett lüfterlos ausgelegt ist. So weist das leistungsfähigste Modell auf Basis der Dual-Core-APU T40E eine »Thermal Design Power« (TDP) von nur 6,4 W auf. Damit kann Sütron ein hohes Niveau integrierter Grafik in einem kleinen Formfaktor mit sehr guter Energieeffizienz bieten. Laut Angaben der Inosoft-Tester lieferte das Entwicklungssys­tem auf Basis der Sütron-Panels eine sehr ordentliche Performance, selbst die anspruchsvollste 3-D-Demo sei noch zufriedenstellend gelaufen – zwar ein wenig ruckelig, allerdings deutlich weniger als bei einem vergleichbaren System auf Basis eines Intel-Atom-Prozessors.

Dieser Eindruck lässt sich durch den Vergleich bei 3-D-Grafiken mit Stan­dard-Benchmark-Tools wie dem »Future­mark 3DMark06 v1.2.0«-Grafikbenchmark objektiviert werden. Dort erreichen Geräte mit der T40E-APU mit AMD-Radeon-HD6250-Grafik nach Angaben von AMD durch die Hardware-Grafikbeschleunigung bei WPF oder Open GL je nach Appli­kation eine 3- bis 10-fach höhere Leistung als Geräte, die nur Soft­ware-Emulation zulassen.

Für OEMs in der Industrie ist aber ebenfalls wichtig, dass die eingesetzten Systeme eine hohe Skalierbarkeit bieten. Sowohl Inosofts Software als auch die AMD-Prozessoren sind vom Einstiegs- bis hin zum High-End-HMI-System skalierbar und bieten einen konsistenten Satz von Funktionen über die gesamte Leistungsbandbreite hinweg. Zudem unterstützt die Familie der AMD-APUs auch Virtualisierung von Microsoft-Windows-GUIs in Kombination mit deterministischen Echtzeitfeatures für die Steuerung von Maschinen. Damit bieten Sütrons Panel-PCs auf Basis der AMD-Prozessoren eine für viele Maschinen- und Anlagenbauer attrak­tive Technologieplattform, mit der diese SFF-HMIs (Small Form Factor) mit leistungsfähiger und benutzerfreundlicher Grafik in ihre Systeme integrieren und so Kosten reduzieren sowie die System- und Benutzereffizienz steigern können.

Über den Autor:

Uwe Harasko ist Produktmanager für HMIs bei Sütron