Zentralismus am PC?

IPC ? Durch die Multicore-Technologie steigt die Rechnerleistung. Gleichzeitig ist erstmals hardwarebasierte Virtualisierung möglich. Mehrere Steuerungen werden auf einem Server gebündelt, und sie behindern sich nicht. Wird damit eine Re-Zentralisierung eingeleitet?

16. November 2007

Mit Multicoresystemen können zwei oder mehrere Steuerungen ? ganz gleich ob mit Realtime-OS oder Non-Realtime- OS bzw. mit oder ohne Soft-PLC nach IEC 61131-3 ? quasi als E-Steuerungen alle Stand-alone-Steuerungen. Damit einhergehend könnte folglich ein erneuter Zentralisierungsprozess beginnen, bei dem zentrale Server ganze Fertigungsstraßen steuern könnten. Dies hätte für Maschinen- und Anlagenbauer Vorteile:

- Bei zentralen Servern sind Datensicherung, Wartung und IT-Administration deutlich einfacher als bei verteilten, heterogenen Systemen.

- Die Performance-Reserven, die bei jedem System eingeplant werden müssen, könnten sich die zentralisierten Systeme teilen, sodass in der Summe Ressourcen eingespart werden.

- Durch zentrale Server lassen sich sowohl Stromverbrauchskosten als auch der CO2- Ausstoß senken.

- Der Aufwand zum Schutz dieser Systeme vor Schmutz und sonstigen Umfeldeinflüssen muss nur einmal betrieben werden. Führt Multicore folglich zur Re-Zentralisierung der Automatisierung? Sicherlich nicht. Das wäre rückwärts gedacht. Was ändert sich aber? Durch die Multicore-Technologie und die damit ebenfalls eingeführte Virtualisierungstechnologie ist eine Applikation selbst nicht mehr zwingend an einen bestimmten Hardwareort gebunden. Die historische Frage »zentral« oder »dezentral« stellt sich folglich nicht mehr. Zumindest nicht in gleicher Form wie bisher. Entwickler stehen heute vielmehr vor der Aufgabe, ihre Steuerungen überhaupt erst multiprocessingfähig zu machen. Die Systeme im Sinne von Softwareapplikationen/Steuerungen werden dabei in kleinere (Core-) Einheiten (Tasks/Prozesse etc.) aufgegliedert. Die Aufgaben werden dabei sogar weiter unterteilt/ dezentralisiert und eben nicht zentralisiert. Servomotoranbieter gehen heute beispielsweise so weit, den Motioncontroller für schnelle Achsen direkt in den Servomotor zu integrieren. Andere wiederum sehen bei weniger Echtzeit-Präzision fordernden Motion-Applikationen große Chancen, den Motioncontroller in die Steuerung zu integrieren. Letztlich ist aber das Zusammenspiel zwischen zentral und dezentral in jedem Einzelfall abzuwägen. Zur Steuerung hin ist jedoch immer ein Kommunikationsinterface erforderlich. Oftmals sind diese noch seriell oder als Feldbus ausgeführt. Zukünftig ist auch Industrial Ethernet eine Alternative, denn die Schnittstelle ist zunehmend kostengünstiger zu bekommen und die Idee ist bestechend, denn Ethernet-basierte Protokolle können ein Echtzeitverhalten erreichen, das selbst für die meisten Servo-Motion-Applikationen hinreichend ist. Und Lösungen, die bisher nicht echtzeitfähig waren, könnten mit asynchronem Multiprocessing sogar echtzeitfähig werden, indem die unkritischen Prozesse entsprechend auf den zweiten Core ausgelagert werden. Beispielsweise haben Studenten der Universität Sutton die Steuerung eines unbemannten Unterwasserfahrzeugs so ausgelegt, dass die essenziellen Navigationssteuerungen auf dem ersten Core laufen, während die Bildverarbeitung des Visionssystems zur Detektion auf dem zweiten Core laufen. Dies unter konventionellem Windows. Diese Steuerung erfolgt zwar nicht in hart-deterministischer Echtzeit. Aber: das System reagiert immer so schnell, wie es reagieren muss. Vergleichbare Arbeitsteilungen kann man sich in vielen anderen Applikationen vor- stellen. Diese Lösung zeigt, dass Echtzeit mit Multicore eine weitere Relativierung erfährt, nachdem bereits Performance und Bandbreite von PC-basierten Steuerungen für viele Anforderungen absolut hinreichend sind. Kann man nun die ›kritischen Tasks‹ auf einen eigenen Core packen, ist selbst mit nicht hart echtzeitfähigen Systemen die geforderte Task in der geforderten Zeit abgearbeitet. Darüber hinaus sind Echtzeitkernel für Linux und Windows verfügbar. Und Echtzeitsysteme werden virtuelle ›Rich-OS‹ in virtuellen Maschinen starten können, um zum Beispiel die Kombination von Steuerung und Visualisierung in einem System zu ermöglichen. Steuerungslösungen erhalten hierbei zusätzliche virtuelle Maschinen, mit denen dann die Visualisierung umgesetzt wird. Die Anzahl der potenziellen OS-Varianten ist dabei genauso vielfältig, wie es Kombinationsmöglichkeiten von real installierten Steuerungen und Visualisierungslösungen gibt.

Application Ready Platforms

Stellt man sich jetzt vor, dass es mehrere dieser Lösungskombinationen in einer Maschine oder Anlage gibt, liegt die Idee nah, diese früher oder später hardwareseitig in einen zentralen Serverschrank zu stecken und die Fertigungsstraßen mit leistungsstarken GbE-Backbones (Gigabit Ethernet) zu vernetzen. GbE kann die gesamte Last des Datenverkehrs der industriellen Kommunikation selbst komplexer Anlagen aufnehmen. Bei hohen Sicherheitsanforderungen optional redundant. Da man jedoch nicht von heute auf morgen die gesamte Systeminfrastruktur auf den Kopf stellen kann, werden die ersten Lösungen mit Multicoreprozessoren zumeist dezentrale Lösungen sein, die mehrere bisher getrennte Hardware miteinander vereint. Wird der Markt für Technologien der vernetzen Fabrik immer mehr dezentrale Industrial Ethernet IOs bzw. Sensoren und Aktoren mit Ethernetanschluss zur Verfügung stellen, wird der Ansatz der Client-Server-based-Automation mehr und mehr Realität werden können. Laut VDC wird in EMEA der Markt der Produkte für Netzwerk-Infrastrukturen in Fabriken zwischen 2006 und 2011 durchschnittlich um 24,7 % wachsen. Kontron verfolgt das Ziel, möglichst alle bedeutenden Industrial-Ethernet-Varianten zu unterstützen. Und schon heute ist Kontron marktführender Anbieter von multicorebasierten Produkten, die von Computer-on-Modulen über Boards und Systeme bis hin zu kundenspezifi schen Automatisierungsplattformen auf Board- und Systemlevel reichen. Das Angebot für Automatisierungs-OEM reicht dabei von kleinen Embedded-Box-PCs und Hutschienen- PC über Panel-PCs bis hin zu 19“- Rackmount-IPCs oder cPCI Systeme, die Kontron als ›Application Ready Platforms for Automation‹ anbietet.

Günther Dumsky, Embedded Computers Division der Kontron AG

Erschienen in Ausgabe: 08/2007