Bei der im Jahr 1986 ersten von Beckhoff Automation ausgelieferten PC-basierten Maschinensteuerung handelte sich um eine einfache Steuerung für eine Doppelgehrungssäge, die eine Einachsen-Positioniersteuerung mit einigen Maschinenablauffunktionen umfasste. Die Säge war eine Standardmaschine, die durch die damals neuartige PC-basierte Steuerungstechnik zu einem Verkaufserfolg für den Maschinenbauer wurde. Die Kombination von IT-Funktionen und Automatisierungstechnik in einer Steuerung war eine Revolution. So konnten etwa Forschungsdaten mit Disketten direkt in die Maschinensteuerung eingelesen werden. Das war ein echter Produktivitätsfortschritt im Jahr 1986.

1986: Die erste PC-basierte Maschinensteuerung von Beckhoff.

© Beckhoff

In den Folgejahren wurde das Konzept PC-based Control ausgebaut: Mehrachsen-NC-Funktionalität und eine vollständige, integrierte Software-SPS ermöglichten die PC-basierte Steuerung auch hochkomplexer Maschinen und Anlagen. An diesem Konzept hat sich seither nichts Grundlegendes geändert: Die Abstraktion der Steuerungsfunktion von der Gerätehardware und die konsequente Nutzung von Mainstream-Technologien der IT-Welt zur Konvergenz mit Prinzipien der Automatisierungstechnologie führen einerseits zu einer immer weiter voranschreitenden Leistungs- und Funktionssteigerung und andererseits zur kontinuierlichen Kostenreduktion.

Die Geburtsstunde des PC als Initialzündung

Die Entwicklung der PC-basierten Steuerungen ging Hand in Hand mit dem allgemeinen Fortschritt in der PC-Technik und sie fand ihre Ausprägung in einer Vielzahl von Geräten, welche die Flexibilität und Allgemeingültigkeit dieser Plattform der industriellen Welt zur Verfügung stellte. Als Geburtsstunde des PC, wie wir ihn heute kennen, gilt das Jahr 1981, als IBM den ersten PC mit einer x86-CPU auf den Markt brachte: Der IBM-PC Typ 5150 hatte einen 8088-Prozessor mit 
4,77 MHz Taktfrequenz. IBM entschied sich damals aus Kostengründen für diesen Prozessor, da er im Gegensatz zum leistungsfähigeren 8086 den Anschluss einer kostengünstigen 8-Bit-Peripherie erlaubte. Zudem sollte wohl den zunehmenden Markterfolgen der Z80- und Motorola-68000-Prozessoren etwas entgegengestellt werden. Die x86-Architektur setzte sich zunehmend durch, denn sie versprach eine zahlreich aufgestellte Gemeinschaft mit kompatibler und einfach zu benutzender Hard- und Software, einschließlich einer zu dieser Zeit gigantischen 10-MB-Festplatte als Massenspeicher. Damit war endlich das mühsame Abspeichern der Programme auf Tonkassetten Vergangenheit. Zum Erfolg trug auch das neue Betriebssystem DOS von Microsoft bei, das angeblich nur deswegen seinen Weg auf den IBM-PC fand, weil IBM und Digital Research (der Hersteller von CP/M) sich nicht auf die Unterzeichnung eines sogenannten NDA (Non-Disclosure Agreement) einigen konnten.

Der Autor: Andreas Thome ist Senior Produktmanager PC-Control bei Beckhoff Automation.

© Beckhoff

Neben IBM gibt es noch einen zweiten Namen, der sofort im Zusammenhang mit dem PC fällt: Es ist die 1968 von Gordon Moore und Robert Noyce gegründete Firma Intel. Zu den beiden Erstgründern gesellte sich wenig später Andy Grove, der Intel bis 1998 als CEO und bis 2004 als Chairman of the Board fungierte. Er leitete den entscheidenden Wechsel vom Hersteller von Speicherchips zur Entwicklung und Fertigung von Prozessoren ein. Begonnen hat dieser neue Weg mit dem ersten Prozessor 4004 (4 Bit, 1971), gefolgt vom 8-Bit-Nachfolger 8008 (1972) und bis hin zum ersten PC-Prozessor 8080 (1974). Als erster x86-Prozessor gilt der 1978 erschienene 16-Bit-Prozessor 8086, der jedoch aus Kostengründen – die 16-Bit-Peripherie war damals noch zu teuer – erst ab 1979 im abgespeckten 8-Bit-Format, als 8088-Prozessor, seinen Weg in den PC-Massenmarkt fand.

IPC-Technik mit eigenen Motherboards

1998: Die Control Panel als abgesetzte Bedien- und Anzeigeelemente.

© Beckhoff

Das Ziel der PC-basierten Steuerungstechnik war seit jeher, das Beste aus zwei Welten – der Informationstechnologie und der Automatisierungstechnologie – zu vereinen. Die Hardware-Grundlage dafür bilden die leistungsstarken Industrie-PCs. Beckhoff war dabei einer der Ersten, der mit einem PC die vollständigen Maschinensteuerungsfunktionen realisierte: die SPS-Funktion für die Ablaufsteuerung, die Bewegungssteuerung, Kommunikation, Datenspeicherung und das HMI für die Bedienerführung. Heute sind sogar die Bildverarbeitung und Künstliche Intelligenz in Form von Machine Learning 
integriert. 
Hierfür musste der PC grundsätzlich industriefähig aufgebaut sein. Die Entscheidung, dazu eigene Motherboards zu entwickeln und zu fertigen, fällte Beckhoff in 1989. Denn es war klar, dass für die Industrie andere Anforderungen zu erfüllen waren als für Büroanwendungen. Mit einer eigenen Motherboard-Entwicklung ließ sich dies viel besser berücksichtigen als durch Zukauf. Beckhoff konnte speziellere Boards und kompaktere Formfaktoren realisieren, also mehr Funktionen auf einer Platine integrieren. Daraus ergaben sich wiederum für die Industrie passendere Gehäusebauformen sowie eine in puncto Leistungsfähigkeit und Sicherheit in der Überwachung bessere Abstimmung auf die Kundenbedürfnisse. 

IPCs plus Software

Mit den ersten, auf einem PC lauffähigen Steuerungsprogrammen, stellte Beckhoff seinen Kunden schon ab 1988 SPS- und Motion-Control-Funktionen, inklusive CNC, zur Verfügung. Die Echtzeitfähigkeit der PCs unter dem Betriebssystem DOS wurde durch eine selbst entwickelte Echtzeiterweiterung erreicht. Die Programmierung der eigentlichen Steuerung erfolgte in einer Step-5-ähnlichen Programmiersprache. Auch damals schon konnten Teile der Applikation, wie etwa die Visualisierung, in C geschrieben werden. Ab 1995 begannen der Umstieg auf das Windows-Betriebssystem und eine neue Programmierphilosophie. Seit 1996 bündelt Beckhoff die ganze Welt der Automatisierung, von der I/O-Ebene über PLC und Motion bis hin zur CNC, in der TwinCAT-Plattform. Die Plattform realisiert dazu die Echtzeit, also das deterministische, nahezu jitterfreie Ausführen von Tasks, auf dem PC mit Windows-Betriebssystem. 

Eine Revolution im Engineering-Bereich ist die Nutzung von Microsoft Visual Studio, bei Beckhoff als Rahmen für die TwinCAT-Engineering-Tools verwendet. Das weltweit akzeptierte Visual Studio integriert die TwinCAT-Komponenten für Systemkonfiguration und SPS-Programmierung und erlaubt die Nutzung der vorhandenen Sprachen, wie C und C++, für Echtzeitaufgaben. So lassen sich umfangreiche, vorhandene Quellcodes in C/C++ nutzen. Auch die .Net-Programmiersprachen, wie C# oder VB.Net, stehen für Nicht-Echtzeitanwendungen in der gleichen Programmierumgebung zur Verfügung. Das bedeutet für den Anwender ein durchgängiges Engineering: Den gemeinsamen Rahmen aller Sprachen und aller Konfiguratoren bildet Visual Studio. Zusätzlich steht eine Reihe von Add-Ins für Visual Studio zur Verfügung, wie die Möglichkeit der Quellcodeverwaltung.