Nicht erst Industrie 4.0 oder ethernetbasierte Feldbusprotokolle rücken Echtzeit-Lösungen in den Fokus. In vielen Branchen besteht schon seit Jahrzenten die Nachfrage nach echtzeitfähigen Regelungs- und Automatisierungssystemen. Sie gilt besonders dezentralen Systemen für eine überwiegend heterogene Automatisierungs-Infrastruktur, die oftmals nur mit kundenspezifischen Entwicklungen auf der Basis von Echtzeit-Betriebssystemen beantwortet werden kann.

Bereits in den 1980er Jahren forderten Branchen, wie die Automobil- und Luftfahrtindustrie, der Maschinenbau, die Energieversorger aber auch Biotechnologieunternehmen sowie die Pharmaindustrie, Alternativen zur nicht deterministischen, linearen SPS-Programmierung. Diese konnten schon damals durch Echtzeitrechner mit einer offenen Rechnerarchitektur und Bussystemen wie VMEbus, PMC/PCI geschaffen werden. Heute sind kompakte Echtzeit-Automatisierungssysteme in der Lage, schnelle Steuerungs- und Regelungsaufgaben dezentral zu übernehmen. Sie zeichnen sich durch leistungsfähige Prozessoren, eine offene Kommunikationsebene mittels standardisierter Protokolle sowie die Nutzung von Echtzeit-Betriebssys­temen wie QNX, VxWorks oder OS-9 aus. 

Echtzeitsystem versus SPS

Mit dem Feldbus und den speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) vereinfachte sich in den 1980er Jahren die Industrie- und Anlagenautomation erheblich. Inzwischen sind SPSen als Massenprodukt eine preiswerte Standard-Lösung mit hoher Verfügbarkeit und einfacher Programmierung. Es sind ‚Alleskönner‘, jedoch mit Einschränkung: die vielen Verarbeitungsebenen beispielsweise über Baugruppen und Systembus führen zu Asynchronität. Zudem gilt ein starrer Ablauf bei der zyklischen Abarbeitung, langsames Reagieren auf plötzliche Ereignisse sowie das schwierige Erfassen kurzzeitiger Vorgänge ebenfalls als Nachteil. 

Dem gegenüber stehen Echtzeit-Automatisierungssysteme mit einer offenen Rechnerarchitektur auf der Basis von PowerPC-, ARM- und Intel-Prozessoren. Sie verfügen über offene Kommunikationsebenen mit Schnittstellen zu Ethernet und gängigen Feldbussen sowie einem modularen Betriebssystem. Durch eine prozessornahe Programmierung mittels Hochsprachen lassen sich Echtzeitanwendungen realisieren, wie sie für Achssteuerungen und Motion-Control-Anwendungen und andere benötigt werden. Alternativ können sie aber auch als Soft-SPS unter Codesys nach IEC 61131-3 programmiert werden.

Auch wenn bei SPSen heute ebenfalls leistungsstarke CPUs eingesetzt werden, sind sie jedoch – vor dem Hintergrund, viele Applikationen bedienen zu müssen – in Synchronisierungsprozessen oft nicht schnell genug. Auch besteht keine Chance, nahe am CPU-Kern zu programmieren und somit das deterministische Verhalten zu garantieren. Ihr linearer Programmablauf beschränkt sich auf die reine Steuerfunktion, ohne Regelungen zu verknüpfen oder Daten aufzubereiten und zu visualisieren oder zu archivieren. 

Echtzeit-Automatisierungssysteme basieren immer auf leistungsstarken, dem Stand der Technik entsprechenden CPUs. Über Jahrzehnte bewährte Betriebssysteme stellen den Echtzeitbetrieb sicher. Damit haben sie die Flexibilität, auch auf zeitkritische Größen einzugehen. Die offene Kommunikationsebene bietet Schnittstellen zu ethernetbasierten Protokollen und/oder zu Feldbus-Protokollen wie Profinet, Ethercat, Ethernet IP sowie CAN, CAN­open, Profibus, DeviceNet, u. a. 
Modulare SPS-Systeme mit einer Standard-PC-Architektur unter Linux bieten annähernd deterministisches Verhalten, das aber bei sehr schnellen Regelungsprozessen oftmals nicht ausreicht. Gerade wenn aus wirtschaftlichen Gründen eine Vollautomation beispielsweise bei der Anlagenautomation mit Transportbändern und Feeder zuverlässig erreicht werden soll, kommt es auf eine schnelle Echtzeitregelung an.

Industrie-PC für schnelle Aufgaben

Das hannoversche Unternehmen esd Electronics hat sich auf individuelle Regelungs- und Automatisierungssysteme spezialisiert. Auf der Basis von bewährten Komponenten und standardisierten Schnittstellen entwickelte esd einen Industrie-PC als Standard-Produkt. Es entstand ein vielseitig verwendbarer Single-Board-Computer, der Risiko und Kosten für den Anwender minimiert.

Echtzeit-Automatisierungssysteme haben eine offene Kommunikationsebene mit standardisierten Protokollen und unterstützen Echtzeit-Betriebssysteme wie RTOS UH, VxWorks oder QNX.

© esd Electronics

Der Single-Board-Computer EPPC-T10 von esd Electronics ist ein kompakter und leistungsstarker Industrie-PC, der schnelle Steuerungs- und Regelungsaufgaben meistert, auch bei Echtzeit-Anforderungen. Er ist mit einer PowerPC -QorlQ-CPU ausgestattet und verfügt über drei unabhängige 1-GBit-Ethernet-Schnittstellen. Um über diese Ethernet-Schnittstellen auch Ethercat-Daten schnell verarbeiten zu können, ist der Ethercat-Master-Stack von esd erforderlich. Diese Software managed den zyklischen Austausch von Prozessdaten und dient der Konfiguration der Ethercat-Netzwerke. In dieser Kombination kann der EPPC-T10 auch in Ethercat-Applikationen eingesetzt werden. Der Ethercat-Master-Stack ist für Linux sowie für mehrere Echtzeit-Betriebssysteme verfügbar wie QNX, VxWorks oder OS-9. Die Software kann auch auf Computern anderer Hersteller mit dem unterstützten Betriebssystem genutzt werden. 

Bis zu drei Maschinen

Mit dem EPPC-T10 lässt sich eine autarke Steuerung für bis zu drei Maschinen oder drei Antriebe realisieren. Bei Einbindung in die darüber liegende Steuerungsebene können beispielsweise zwei Antriebe oder ein redundant aufgebauter Antrieb gesteuert werden. Innerhalb der Steuerungsebene ist der Single-Bord-Computer mit einer entsprechenden Software auch als Gateway zwischen Industrie Ethernet, Ethernet OPC UA und/oder Cloud einsetzbar. Trotz des festgelegten Leistungsumfangs bleibt die Option auf eine für den Kunden zugeschnittene Modifikation erhalten.

Der Single-Board-Computer EPPC-T10 kann in Ethercat-Applikationen mit bis zu drei unabhängigen Netzwerken eingesetzt werden.

© esd Electronics

Der Single-Board-Computer basiert auf einem Embedded-64-Bit-PowerPC QorIQ-T1014 der Firma NXP mit 1,2 GHz. Er hat einen 64-Bit-Kern auf Basis der Power-Architektur-Technologie. Der Prozessor ist für höhere Anforderungen auch mit vier Kernen verfügbar. Durch die integrierte DPAA (Data Path Acceleration Architecture) wird ein performanter, direkter Datenaustausch zwischen den verschiedenen integrierten Schnittstellen der CPU ermöglicht, der die Kerne entlastet. Der lokale Speicherbus ist 64 Bit breit mit einem zusätzlichen 8-Bit-ECC und einer Gesamtkapazität von 512 MByte. Der Rechner enthält das Standard-Programm ‚U-Boot‘, das das Booten verschiedener Betriebssysteme je nach Datenvolumen von verschiedenen Medien ermöglicht: vom On-Board-Flash, über das Netzwerk, über USB, von einer microSD-Karte oder optional vom SATA-SSD. Außerdem verfügt der Single-Board-Computer über eine Double-Precision-Floating-Point-Einheit und ist mit einem Realtime-Clock (RTC) mit Batterie-Backup ausgestattet. Der Computer hat die Maße 117 mm × 31 mm × 160 mm (L × B × H) und eignet sich für die Montage auf der DIN-EN-Tragschiene (TS 35). In der Standardversion läuft der EPPC-T10 unter Linux, andere (Echtzeit-)Betriebssysteme wie QNX, VxWorks oder OS-9 sind auf Anfrage erhältlich. 

Sicherer Betrieb in Industrieumgebungen

Die 1-GBit-Ethernet-Schnittstellen sind im Frontpanel über RJ45-Buchsen anschließbar. Außerdem bietet der Computer eine RS232- und eine USB-2.0-Schnittstelle (Host), einen microSD-Kartensteckplatz sowie einen internen PCI-Express-Mini-Steckplatz für Hard­ware-Erweiterungen. Der sichere Betrieb in Industrieumgebungen wird in erster Linie durch die Überwachung der lokalen Spannungen und Temperaturen sowie ein ausfallsicheres Firmware-Update mittels Fallback-Flash erreicht. In zweiter Linie erhöhen der garantierte Betriebstemperaturbereich von 0 °C bis +55 °C, eine Watchdog-Funktion sowie ein mehrstuf­i­ger Übertemperaturschutz die Betriebssicherheit.

Reichen diese Leistungsmerkmale nicht aus, so lassen sich bei größeren Stückzahlen auch kundenspezifische Forderungen berücksichtigen, wie zum Beispiel alternativ die Verwendung des Power-Saving-Dual-Core Prozessors PowerPC QorIQ T1022, eines parallelen oder seriellen MRAM mit 512 KByte, eines erweiterten DDR3-RAM mit 2 GByte, eines größeren Flash Memorys bis zu 2 × 128 MByte. Auch ist ein PCI-Express-Steckplatz integrierbar, beispielsweise zur Erweiterung von I/Os mit Hilfe von PMC-Baugruppen über eine PMC-Add-on-Baugruppen inklusiv der erforderlichen Gehäuseanpassung. 

Autoren:
Renate Klebe-Klingemann ist Technische Redakteurin bei esd Electronics;
Dirk Flege ist Vertriebsleiter bei esd Electronics.  

Aus der Praxis

Müssen neue Technologien oder Systeme eingeführt werden, greifen Unternehmen häufig auf ­externe Dienstleister wie esd Electronics zurück:

• Schnelles Booten
  Auf der Suche nach einem Single-Board-Rechner für ein bestehendes 3HE-VPX-System mit CAN-Bus-Schnittstellen sowie weiteren Leistungsmerkmalen wurde ein Unternehmen aus der Militärbranche auf ein PCI/CAN-Board von esd Electronics aufmerksam. Neben den CAN-Schnittstellen waren für die Applikation folgende Schnittstellen gefordert: eine serielle Schnittstellen, eine Ethernet- und eine USB-Host-Schnittstelle sowie digitale Ein- und Ausgänge gemäß eigener Spezifikation. Außerdem sollte das CPU-Board ohne Lüfter bei Umgebungstemperaturen von –20 bis +85 °C betrieben werden können. esd bot an, unter Verwendung des eigenen CAN-Cores (esdACC), ein kundenspezifisches Board zu entwickeln. 
  
  Ein kritischer Punkt der Applikation war die Forderung, dass das PC-System mit Intel-Atom-Prozessor in weniger als zehn Sekunden gebootet haben muss. Um zu beweisen, dass die ausgewählte Kombination aus Prozessor und Betriebssystem die Zeitforderungen erfüllt, erstellte esd eine Vorstudie unter Verwendung eines Evaluation-Boards. Nach erfolgreichen Testreihen wurde der Auftrag für die Entwicklung des CPU-Moduls erteilt. Die Qualität der Prototypen war so hoch, dass sie als Nullserie verwendet werden konnten. Das war möglich, da man auf das betriebsbewährte CPU-Modul mit Intel-Atom-Prozessor sowie den in anderen Produkten erprobten CAN-Core zurückgreifen konnte. Um die Wärme bei 85 °C Umgebungstemperatur sicher abzuleiten, wurde für das Board ein speziell angepasster Kühlkörper entwickelt, der thermisch mit dem Conduction-Cooled-Chassis verbunden wird. Auf diese Weise entstand ein kundespezifisches CPU-System, das der Kunde für eigene Konfigurationen verwenden kann.

• Bis zu 3000 Meter Wassertiefe
  Ein Hersteller von Deep-Water-Systemen war auf der Suche nach einem kompakten Rechner als Teil des Steuer- und Überwachungssystem in einem Bohrhammer. Er entschied sich für einen kundenspezifischen Steuerrechner von esd mit PowerPC-Architektur, einem CompactPCI-System und CANopen-Kommunikation. Außerdem wurden mehrere serielle RS485-Schnittstellen durch redundante DSL-Leitungen (Bandbreite bis zu 5 MBit/s) abgelöst. Der Rechner hat acht serielle Schnittstellen sowie CAN-CBX-I/Os für 32 analoge Eingänge, die Geräte wie Kompass, Tiefendrucksensor und Beschleunigungssensor (Gyro) einbinden. Außerdem 16 Pt100-Eingänge zur Aufnahme diverser Temperaturen sowie der Leitfähigkeit, über die Rückschlüsse bezüglich Wassereinbruch, Wasserdruck, Öltemperatur oder den Wasseranteil im Öl gezogen werden können. Des Weiteren bietet die Steuerung 64 digitale Ein- und Ausgänge sowie zwei Ethernet-Schnittstellen. Der Rechner ist Teil des Steuer- und Überwachungssystem und wurde in eine druckfeste System-Box integriert, die direkt am Bohrhammer und somit in bis zu 3000 m Wassertiefe installiert ist. Für den Betrieb in der Tiefe ist nur ein einziges Kabel mit Leitungen für die Versorgungsspannung und DSL-Kommunikation nötigt.