Schnellere Automation mit flinken Industrieservern
PC-basierte Steuerungstechnik profitiert schon immer von den steigenden Leistungen der PC-Technik. Der neue Many-Core-Industrieserver C6670 von Beckhoff bringt zum Beispiel mit mehr Prozessoren und Rechenkernen genug Leistung mit, um neben klassischer Steuerung auch Aufgaben wie Condition Monitioring und Simulation zu übernehmen. Zusammen mit dem Technologiepaket eXtreme Fast Control lässt sich oft sogar die Leistung bestehender Maschinen noch einmal deutlich verbessern.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGMaschinenautomatisierung wird immer stärker von Software geprägt. Neben der reinen SPS-Anwendung kommen Motion Control und Sicherheitssteuerung mit Konfiguration und Programmierung in nahezu jeder Applikation in Kombination vor. Werden auch noch Roboter und Messtechnik integriert, dann spricht Beckhoff von 'Scientific Automation'. Mehr Software verlangt auch immer stärkere CPU-Leistung. Dieser Anforderung trägt der Hersteller mit dem neuen Many-Core-Industrieserver C6670 für größere Applikationen Rechnung.
Alle zwei Jahre verdoppelt sich Leistung
Nach dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Leistungsfähigkeit der auf dem Markt verfügbaren CPUs innerhalb von zwei Jahren. Diese Entwicklung setzt sich wohl auch in der nächsten Zukunft fort. Zwar wird sich die Taktrate der Prozessoren nicht entscheidend steigern lassen, aber die Anzahl der Kerne pro Prozessor wird kontinuierlich steigen. Der nächste Schritt ist die Many-Core-CPU. Many-Core-Industrieserver unterscheiden sich von 'normalen' PCs durch ihre Architektur. Sie sind mit mehreren Prozessoren - Packages - ausgestattet und jeder Prozessor verfügt über eine gewisse Anzahl an Cores. Außerdem unterscheiden sich Many-Core-Industrieserver durch ihren Speicher: Diese Non Unified Memory Architecture (Numa) genannte Technik bietet für jeden Prozessor einen individuellen separaten Speicher. Im Programm des Steuerungsherstellers erhältlich sind zwei Intel Xeon-Prozessoren mit jeweils sechs, zwölf und 18 Cores, die auf einem Motherboard integriert werden. Die neuen Rechner sind industrietauglich und können im Schaltschrank montiert werden.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGLeistung ausschöpfen mit Automatisierungssoftware
Schon jetzt werden Maschinen und Anlagen, die vor zehn Jahren noch mit einem Pentium 3 ausreichend ausgestattet waren, mit Core i7-Prozessoren betrieben. Ein immer höherer Automatisierungsgrad mit einer aufwendigeren Visualisierung benötigt auch mehr Rechenleistung. Dazu kommen neue Anforderung an Maschinen, zum Beispiel das Überwachen der Maschinen mittels Condition Monitoring oder die Notwenigkeit von immer schnelleren und komplexeren Steuerungs- und Regelungsalgorithmen, um entsprechende Prozess- und damit Produktgüten zu erreichen. Auch diese neuen Anforderungen sollen in die Standardsteuerung integriert werden, was den Bedarf an Rechenleistung und Speicher weiter erhöht. Um eine bestmögliche Nutzung der einzelnen Kerne zu erreichen, müssen Einstell- und Diagnosefunktionen zur Verfügung stehen, die über die Konfiguration, welcher Task auf welchem Kern laufen soll, hinaus gehen. Beides lässt sich mit der Automatisierungsanwendung Twincat 3 einrichten. Zusätzlich bietet das Programm die Möglichkeit, Kerne für die Software-Runtime exklusiv zu nutzen. Das heißt auf diesen sogenannten 'Isolated Cores' wird kein Microsoft-Betriebssystem mehr ausgeführt. So lassen sich auf einem PC die Windows-Prozesse von den Echtzeitprozessen trennen.
Ein breites Aufgabenspektrum
Am folgenden Beispiel zeigt sich, wie die verschiedenen Kerne eines Many-Core-Industrieservers genutzt werden können. Die Beispielmaschine besteht aus drei Grundeinheiten: Ein 'Loader' lädt die zu bearbeitenden Teile in die Maschine. Hier kommen die Module L0, L1 und LR0 zum Einsatz. Das Modul LR0 soll hier ein Beladeroboter sein. Die Basismaschine für die eigentliche Bearbeitung der Teile besteht wiederum aus verschiedenen Modulen (M0 bis M7 und den CNC-Modulen MC0 und MC1). Dann sollen die gefertigten Teile in einer Transfereinheit zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung gestellt werden. Neben den T0- und T1-Modulen, zum Beispiel zur Ansteuerung von Förderbändern, wird auch hier ein Roboter TR0 eingesetzt. Das auf viele IPCs zu verteilen, bedeutet einen höheren Aufwand für die Kommunikation zwischen den Prozessoren als die Lösung auf einem System. Außerdem wird die Diagnose schwieriger, weil zuerst die verteilten Daten eingesammelt werden müssen. Die Verwaltung der auf den unterschiedlichen Prozessoren laufenden Software muss organisiert, Schnittstellen müssen abgesprochen werden. Mit einem leistungsfähigen PC kann man weiterhin eine zentrale Steuerung realisieren und hat noch Reserven für den Ausbau. Die unterschiedlichen Module können zum Beispiel auf die Kerne der Many-Core-CPU verteilt werden. So bleibt die Modularität erhalten, die Vorteile der zentralen Steuerung können jedoch trotzdem genutzt werden. Mit dieser Steuerungsphilosophie können die verschiedenen modularen Maschinenteile auf einer zentralen PC-basierten Steuerung realisiert werden. Gleichzeitig kann eine leistungsstarke CPU auch Visualisierungsaufgaben ausführen. Im Einzelfall erspart das den Einsatz von intelligenten Panel-PCs zugunsten eines passiven Panels. Das spart Geld und reduziert die Komponentenvielfalt. Da Many-Core-CPUs sich mit performanten Grafikkarten ausstatten lassen, können damit auch ergonomische 3D- oder Multitouch-Applikationen ausgeführt werden. Auch Wearable Devices lassen sich so einbinden.
Funktionalität wächst mit Rechenleistung
Neben der Möglichkeit eine oder mehrere SPSen in IEC 61131 auch mit objektorientierten Erweiterungen auszuführen, ist in den Einheiten Motion Control mit Punkt-zu-Punkt Achsen (PTP) integriert. Auch eine CNC oder ein Roboter können betrieben werden. Das eXtended Transport System (XTS) profitiert ebenfalls von hoher Rechenleistung. Performancesteigerungen an Maschinen können mit der eXtreme Fast Control-Technologie (XFC) des gleichen Herstellers erreicht werden, sofern ausreichend Rechenleistung zur Verfügung steht. Gleiches gilt für Bildverarbeitung und Condition Monitoring. Beides benötigt einen entsprechenden Speicherbereich und viele aufwendige Algorithmen. Many-Core-Industrieserver sind auf diese Funktionsvielfalt ausgelegt. In Zukunft werden Simulationen einen höheren Stellenwert in der Automatisierungstechnik einnehmen. Mit der Integration von Matlab/Simulink geht Beckhoff hier einen Schritt weiter. Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der PCs und durch den Einsatz von mehr Prozessoren und Kernen bei Many-Core-Industrieservern, lässt sich nicht nur mehr Funktionalität auf einem einzigen zentralen Rechner unterbringen, es können auch höhere Leistungen erreicht werden. Steigende Rechenleistung ermöglicht kleinere Zykluszeiten der Tasks. Konventionelle SPSen haben meist Zykluszeiten von fünf bis zehn Millisekunden, PC-basierte Steuerungen liegen schon seit längerem bei Zykluszeiten von einer Millisekunde oder weniger. Mit performanten Many-Core-Rechnern in Verbindung mit Twincat 3 stellt der Systemanbieter Zykluszeiten von 100 Mikrosekunden oder niedriger in Aussicht. Neben der unterstützenden Software braucht es dafür einen passenden Feldbus. Für diese Aufgabe hat der Automatisierer mit Ethercat ein entsprechendes offenes Feldbus-Protokoll mit auf den Weg gebracht. Damit lassen sich auch mit hohen Taktraten Daten deterministisch und zeitgenau in den zentralen PC übermitteln. Auf Basis der XFC-Technologie, die aus einem leistungsstarken PC, Ethercat als Feldbus, Twincat als Lösung für SPS, Motion und Scientific Automation sowie schnellen I/O-Modulen besteht, sollen Reaktionszeiten von unter 100 Mikrosekunden erreichbar sein. Mit dem Technologiepaket können Regelkreise höher abgetastet werden, wodurch in der Regel automatisch bessere Regelergebnisse erzielt werden. Aber auch bei klassischen Anwendungen, wie der Ansteuerung eines pneumatischen Zylinders - die an Maschinen häufig vorkommt - kann durch schnellere Reaktionszeiten die Leistung der Maschine erhöht werden.
Alle zwei Jahre verdoppelt sich Leistung
Nach dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Leistungsfähigkeit der auf dem Markt verfügbaren CPUs innerhalb von zwei Jahren. Diese Entwicklung setzt sich wohl auch in der nächsten Zukunft fort. Zwar wird sich die Taktrate der Prozessoren nicht entscheidend steigern lassen, aber die Anzahl der Kerne pro Prozessor wird kontinuierlich steigen. Der nächste Schritt ist die Many-Core-CPU. Many-Core-Industrieserver unterscheiden sich von 'normalen' PCs durch ihre Architektur. Sie sind mit mehreren Prozessoren - Packages - ausgestattet und jeder Prozessor verfügt über eine gewisse Anzahl an Cores. Außerdem unterscheiden sich Many-Core-Industrieserver durch ihren Speicher: Diese Non Unified Memory Architecture (Numa) genannte Technik bietet für jeden Prozessor einen individuellen separaten Speicher. Im Programm des Steuerungsherstellers erhältlich sind zwei Intel Xeon-Prozessoren mit jeweils sechs, zwölf und 18 Cores, die auf einem Motherboard integriert werden. Die neuen Rechner sind industrietauglich und können im Schaltschrank montiert werden.
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in IT&PRODUCTION November 2015 - 10.11.15.Für weitere Artikel besuchen Sie www.it-production.com
