Die Maschinenbauer sind mit einer Reihe von Herausforderungen konfrontiert: Sie müssen ihren Kunden heute mehr  Zusatzfunktionen und innovativere Benutzerführungen  anbieten – etwa 3D-Visualisierungen und intuitive Multi-Touch-Interfaces. Die erwartete höhere Maschinenflexibilität und Produktionsagilität erfordert zudem ganz neue Mess-, Steuer- und Regelungs- sowie Management-Techniken. Für fast alle Applikationen suchen Entwickler zudem nach erwei­terter Konnektivität und integrierte Intelligenz, um die Integration für „Internet of Things (IoT)“ und In­dustrie 4.0 zu meistern.

Mit der ­Verwertung der „Big Data“, die Ge­räte, Maschinen und Anlagen generieren, sollen ganz neue Mehrwerte für Anbieter und Anwender geschaffen werden.  – Im Endeffekt ein ganzer Rattenschwanz an Anforderungen, der mit entsprechender Elektronik und Software umzusetzen ist.  – Womit Technik-Standards aus dem IT-­Umfeld ins Spiel kommen.

Effizienz durch Wieder­verwendung

Bei intelligenten Steuerungssystemen und Mensch-Maschine-Schnittstellen ist es heute gängige Praxis, Standards der kommerziellen IT-Welt wiederzuverwerten. Grund ist die große homogene Benutzergruppe. Somit empfiehlt sich auch die Verwendung von x86-Architekturen: Sie ermöglichen eine besonders effiziente Wiederverwertung bestehender Software, Entwicklungstools und Betriebssysteme.

OEMs müssen sich jedoch bewusst sein, dass sich einige Anforderungen in Industrieanlagen deutlich von denen traditioneller IT unterscheiden; vor allem in Bezug auf die Langlebigkeit. Robustheit und industrielle Schnittstellen sind weitere Unterscheidungsmerkmale. Daher eignen sich kommerzielle Prozessoren und Boards nur bedingt für den  Einsatz in industriellen Anwendungen. Erforderlich sind vielmehr dedizierte Embedded-Designs.

Die Prozessor-Technologie

Die AMD-Embedded-G-Series mit industrietauglichem System-on-Chip-Design ist für solche Einsatzbereiche konzipiert. Sie ist speziell für performance- und kostensensitive SFF-Designs mit hohen Grafikanforderungen ausgelegt. Verfügbar sind Dual- und Quad-Core-Versionen, die jeweils mit der Radeon-Grafik der 8000-Serie von AMD kombiniert sind. Für HMIs und Panel-PCs, die heute zunehmend hochwertige Grafik liefern müssen, bietet die Embedded G-Series SoC zudem eine integrierte Grafikperformance, die sich bislang nur mit diskreten Grafikkarten erzielen ließ.

Dank der DirectX-11- und OpenGL-Unterstützung können OEMs zudem mit denselben Toolchains arbeiten, die für kommerzielle Hochleistungs-Grafiklösungen entwickelt wurden. Diese stellen ihnen alle Funktionen ­bereit, die sie für die Entwicklung höchst anspruchsvoller Maschinen-GUIs brauchen.

Die Unterstützung von bis zu zwei unabhängigen Displays erweitert die Auslegemöglichkeiten innovativer HMIs nochmals. Rechenintensive Aufgaben mit hoher Parallelität lassen sich dank OpenCL dem Grafikprozessor zuweisen. Das ist beispielsweise nützlich für die Bildverarbeitung in Vision-Systemen. Die integrierte GPU bietet hierfür eine Rechenleistung von bis zu 256 GFLOPs. Standard-IT-Technologie bietet also attraktive Features für Automatisierungsingenieure. Und dies sogar „out oft he box“ auf einem ein­zigen SoC. AMD ist einer der Marktführer im Bereich der x86-SoCs und verfügt zudem über einen guten Ruf im Grafiksegment. Das Unternehmen treibt darüber hinaus auch die Entwicklung heterogener Systemarchitekturen voran, um eine noch flexiblere Handhabung von Code auf CPU oder GPU zu ermöglichen.

Für die Investitionssicherheit zudem vorteilhaft: Die Wiederverwendbarkeit des Codes – innerhalb einer spezifischen Plattform, innerhalb einer Produktfamilie und im gesamten x86-Öko-System. Für viele Maschinenbauer und Automatisierungsunternehmen ein wichtiger Faktor, denn ihr Code erfordert ein stabiles, generisches Öko-System für die Wiederverwendung, da es nur so auch langfristig möglichst barrierefreie Migrationspfade gibt.

Die Standard-Formfaktoren

Für die Integration dieser Prozessor-Technologien in eine Anwendung steht Maschinenbauern und Automatisierungsanbietern eine Vielzahl an Formfaktoren zur Verfügung. Jeder Formfaktor bietet dabei spezifische Vorteile. ATX-basierte Mainboards haben die weiteste Verbreitung. Gestützt wird diese durch die massiven Verwendung im kommerziellen IT-Sektor. Und wie alle Formfaktoren bieten solche Motherboards einen definierten Satz an Schnittstellen und vor allem eine standardisierte Mechanik. Diese beinhaltet den Footprint, den standardisierten Schnittstellenblock sowie ein standardisiertes Montagesystem, welches auch den Einsatz unzähliger, rund um diesen Standard entwickelter Komponenten ermöglicht.

Für Embedded-Designs ist dabei der Mini-ITX-Formfaktor besonders empfehlenswert. Mit nur 170 mm × 170 mm ist er der kleinste ATX-kompatible Formfaktor und damit ideal für platzsparende Designs. Dank der geringen Abmessungen kann er beispielsweise in kleinen Box-PCs, Booksize-Systemen für Industrie-schränke oder in HMIs und Panel-PCs eingesetzt werden. Für System-Design  stehen zudem Hunderte fertige Gehäuse und modulare Gehäuse-Familien zur Verfügung. OEMs können also auch fertige Gehäuse erhalten und damit eine Vielzahl bestehender Angebote wiederverwerten.

Diese hohe Wiederverwendbarkeit hat auch einen positiven Einfluss auf die Preisgestaltung. Kleine, kommerzielle Gehäuse für Mini-ITX-Boards, die im gewerblichen Bereich deutlich unter 50 Euro kosten, sind das beste Beispiel.  Kein anderer Standard kann so viele verschiedene mechanische Komponenten bei einer solchen Preisstellung bieten. Und viele dieser Komponenten können auch in industriellen Anwendungen wiederverwendet werden. Durch die Implementierung von Riser-Karten für PCIe-Erweiterungen können Mini-ITX sogar in besonders beengten Anwendungen zum Einsatz kommen. Deshalb ist es ratsam, zunächst die Verwendbarkeit von Embedded Mini-ITX zu prüfen, bevor ein anderer Embedded-Formfaktor in Betracht kommt. Eine Empfehlung, die auch durch das große Angebot an I/Os dieses Formfaktors untermauert  wird.

Vielseitiges I/O-Angebot

Mini-ITX-Mainboards bieten viele langfristig verfügbare I/Os onboard wie USB, Ethernet und PCIe   und profitierten dabei auch von Verbesserung des Datendurchsatzes dieser Schnittstellenstandards. Die gleichen Vorteile bieten auch kommer-ziell verfügbare Peripheriegeräte. Wiederverwertbar ist beispielsweise eine breite Palette an USB- oder GbE-basierter Industriekameras für die Bildverarbeitung sowie PCI-Express-basierte indus-trielle Framegrabber.

Embedded Mini-ITX-Mainboards bieten alle gängigen Funktionen, die für eine industrielle Steuerung und Visualisierung erforderlich sind.

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Eine Vielzahl von Sensoren und individuellen Erweiterungsbaugruppen basiert heute auf USB; sie können daher leicht mit jedem Standard-Motherboard verbunden werden. Weiterhin gibt es eine breite Palette von robusten PCIe- und Mini-PCIe-Erweiterungen für Feldbusse, digitale und analogen I/O-Karten sowie Wireless-Konnektivität für WLAN und/oder UMTS/LTE. Durch die Verwendung solcher ‚Off-the-Shelf‘-Komponenten können OEMs ihre anwendungsspezifischen Steuerungs- und Visualisierungssysteme mit minimalem Entwicklungsaufwand zusammenstellen.

Dank der hohen Skalierungseffekte bieten diese Komponenten zudem ein gutes Preis-Leistungsverhältnis. Und selbst die Erweiterung eines solchen Systems ist mit handelsüblichen Komponenten effizient möglich. ATX bietet im Vergleich zu anderen Standards diesbezüglich wohl das reichhaltigste Angebot. Eine solche Flexibilität auf höchstem Niveau ist ideal für eine Vielzahl unterschiedlicher Box-PC- und Panel-PC-Konfigurationen und definitiv ein Unterscheidungsmerkmal zu jedem Backplane-orientierten Formfaktor-Standard.

Die Embedded Designs

Maschinenbauer und Automatisierungsanbieter könnten eine breite Palette an kommerziellen Mini-ITX-Mainboards einsetzen, die rein funktional ihre Anforderungen erfüllen. Diese Boards folgen jedoch der schnellen Entwicklung auf dem kommerziellen Markt. Sie bieten damit nur kurze Lebenszyklen, die nicht ausreichend für industrielle Applikationen sind: OEMs können nicht alle sechs bis zwölf Monate ein neues Board inte-grieren. Sie benötigen vielmehr einen Lebenszyklus von mehreren Jahren, denn jede Änderung einer Komponente bedarf einer neuen Qualifizierung im System. Außerdem erschweren kurze Einsatzzyklen sowohl das Ersatzteilmanagement als auch den Kundensupport. Der Langzeitsupport ist jedoch nicht der einzige Grund, sich für Embedded-Motherboards zu entscheiden.

Die bei Mini-ITX-Boards verwendete ATX-Spezifikation kommt weltweit am häufigsten zum Einsatz. Sie bietet damit auch das umfassendste Ökosystem für äußerst effiziente Wiederverwendung bestehender Entwicklungen.

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Ein weiteres Argument für Embedded-Mainboards ist die Tatsache, dass kommerzielle Boards oft nicht für raue industrielle Umgebungsbedingungen ausgelegt sind. Um jedoch einen zuverlässigen 24/7-Betrieb zu ermöglichen, sind robuste Board-Designs mit industrietauglichen Komponenten erforderlich. Sie müssen für industrielle Temperaturbereiche ausgelegt sein und sowohl elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) als auch elektromagnetische Störfestigkeit (EMS) bieten. Passive Kühllösungen, die eine hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit bieten, unterscheiden industrielle Designs ebenfalls von kommerziellen. Darüber hinaus werden im Industriesegment oft Legacy-Schnittstellen ­eingesetzt. Dazu gehören LVDS, um preislich attraktive Displays an­schließen zu können, und serielle Schnittstellen für gängige industrielle Peripherie oder ältere Wartungsschnittstellen.

All diese Schnittstellen werden nicht auf kommerziellen IT-Boards ange­boten, sind aber häufig auf Embedded Motherboards zu finden. Oft bieten ­Embedded Boards zusätzliche Schnittstellen wie beispielsweise GPIOs oder I/Os zur Angriffserkennung. Sie bieten also eine deutlich höhere Wertschöpfung als kommerzielle Boards. Entwickler müssen solche Funktionen also nicht mühselig selbst aufsetzen.

Autor: Jan Schwendt ist R&D Manager der Congatec-Niederlassung in Brünn.

Eine AMD-Industrie-Variante

Motherboard „Mini-ITX Embedded conga-IGX“ mit „Embedded G-Series-SoC“

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Das Motherboard „Mini-ITX Embedded conga-IGX“ mit „Embedded G-Series-SoC“ von AMD wurde für industrielle Steuerungen und HMIs entwickelt. Es bietet alle ATX-kompatible Funktionen und Schnittstellen, die man in kommerziellen Anwendungen ebenfalls finden kann, und überzeugt industrielle Anwendungsentwickler durch zusätzliche Funktionen wie industrietaug-liche Langlebigkeit, Robustheit für raue Umgebungen und Legacy-Support. Dank der hohen 3D-Grafikleistung des Low-Power-Designs können Kunden nun effiziente Systeme mit intuitiven 3D-basierten GUIs mit Multi-Touch-Funktionalität entwickeln. Das Board bietet auch diverse Erweiterungsoptionen wie 1 × PCIe x4-Anschluss und Mini-PCIe an Bord.

Flexible Systemerweiterungen mit hoher Datenbandbreite können zudem über 2 × GbE, 2 × Serial-ATA III, 1 × mSATA III, 7 × USB 2.0 und 2 × USB 3.0 erreicht werden. Das Board unterstützt auch zahlreiche in der Industrie weit verbreitete Schnitt­stellen wie LVDS, 8 Bit GPIO, 3 × serielle und 1 × parallele Schnitt­stelle. Das DC-Netzteil mit 12 V und 19 – 24-V-Eingang, ACPI 3.0 Power-Management und High-Defi-nition-Audio runden das Angebot ab.