Vorteile eingebetteter Technologien im modularen Design

Gordon Moore formulierte sein berühmtes Mooresches Gesetz zur Rechenleistung vor über 50 Jahren, und es ist nicht weniger als ein Wunder, dass die Aussage der Zeit standgehalten hat. Die Halbleiterindustrie steigert weiterhin die Rechenleistung in immer kleinere Räume zu schockierend niedrigeren Preisen und bietet Verbrauchern unglaubliche Vorteile.

Die Glove Unique Reprocessing Unit (GURU) von Pentamaster, einem Automatisierungsanbieter in Malaysia, ist ein perfektes Fallbeispiel für solche technologischen Fortschritte. In zwei der sieben Arbeitsstationen hat das GURU-System dem Unternehmen ermöglicht, die Anzahl der Industries-PCs, die die Machine-Vision-Module antreiben, zu halbieren.

Das erste Machine-Vision-Modul verarbeitet Bilddaten von vier Kameras, damit Handschuhe an der automatischen Beladestation korrekt positioniert werden können. Nach chemischer und thermischer Dekontamination empfängt das zweite Machine-Vision-Modul Daten von vier Kameras, um die Handschuhe auf kosmetische Mängel zu prüfen. Die verbleibenden drei Arbeitsstationen dienen dem Auffinden von Nadellöchern und dem robotergestützten Verpacken bestandener Handschuhe sowie dem Zerschreddern der durchgefallenen.

Um mit den sich entwickelnden Fähigkeiten der Machine-Vision-Technologie Schritt zu halten, fand Pentamaster es notwendig, die Prozessoren im System aufzurüsten. Die Ausführung komplexer Algorithmen auf großen Datenmengen erforderte beträchtliche Rechenleistung. Um diese Effizienz zu erreichen, ersetzte Pentamaster die primitiven Prozessoren in den Vision-Modulen durch Multicore-Prozessoren mit integrierter Grafikverarbeitung. Es handelte sich um Intels 3D Tri-Gate Core i5 Prozessoren, die Daten weitaus effektiver verarbeiten konnten. Zudem wurden diese Prozessoren durch Hyper-Threading-Technologie unterstützt, die es ihnen ermöglichte, virtuelle Kerne für die gleichzeitige Bearbeitung zweier Aufgaben zu nutzen.

Diese Verbesserungen brachten großartige Ergebnisse und reduzierten den Inspektionszyklus auf unter 2 Sekunden, steigerten die Inspektionsrate von zuvor 600 auf 900 Handschuhe pro Stunde. Die höhere Rechenleistung erlaubte Pentamaster auch, zwei Vision-Module stillzulegen, da sie nicht mehr benötigt wurden, was Administration und Wartung vereinfachte und den Energieverbrauch senkte.

Eingebettete Fernwartung

Das Pentamaster-Designteam sucht nach weiteren Verbesserungen, wie dem Hinzufügen weiterer Testroutinen und jüngst Active Management Technology (AMT), die es dem Unternehmen ermöglicht, ihre Hardware remote zu verwalten, zu reparieren und zu schützen.

Diese Technologie ermöglicht es Bedienern und Technikern, auf die verstreuten eingebetteten Systeme remote von ihren Computern aus zuzugreifen und Probleme wie Firmware- und Root-Level-Probleme zu beheben. AMT erlaubt auch die Installation von Software über Remote-Kanäle und kümmert sich automatisch um Kopfschmerzen durch regelmäßiges Patchen und Erkennen/Entfernen von Malware.

Ein sehr vorteilhafter Aspekt dieser Technologie ist, dass sie dem Techniker erlaubt, Probleme remote zu diagnostizieren, selbst wenn das eingebettete System ausgeschaltet ist. Dies ist möglich, da AMT unterhalb der Betriebssystemebene arbeitet – ein Unterschied zu traditionell verwendeter Remote-Management-Software. Dies ist praktisch in Industrie-PCs, wo SCADA-Anwendungen laufen müssen. Regelmäßige Updates zu Sicherheits- und Leistungsfragen sind in industriellen Umgebungen essenziell – etwas, das mit dieser Technologie zentral möglich ist.

Modulares Maschinendesign

Fernwartung und Konsolidierung von Computersystemen in der Industrie sind nicht die einzigen Gründe für den durchschlagenden Erfolg eingebetteter Technologien in den letzten Jahren. Ein weiterer Hauptgrund ist der allgemeine Trend unter Maschinenbauern, Design und Montage modular durchzuführen. Das Zusammenbauen von Produkten mithilfe vorgefertigter Standardkomponenten ist einfacher als der Neubau von Grund auf. Die Komplexität von Maschinen nimmt rasant zu, und es ist für Unternehmen nicht mehr machbar, ihre Systeme maßzuschneidern.

Heute stellen Kunden mehrere zentrale Anforderungen an den Systemintegrator:

• Mehr Energieeffizienz
• Höherer Durchsatz
• Unterstützung präventiver Wartung
• Kommunikation mit anderen Maschinen und Bestandsverwaltungssystemen

Eingebettete Technologien können Bauherren helfen, diese Anforderungen zu erfüllen, indem sie modulare Komponenten wie Frequenzumrichter, Sensoren und Antriebe sowie intelligente HMIs bereitstellen. Diese Komponenten werden über einen Industrie-PC oder eine SPS gesteuert und sequenziert und verlassen sich auf ein Ethernet-Netzwerk, das als architektonisches Rückgrat des Systems dient.

Die Integration hat sich unter dem Banner eingebetteter Technologien auch verstärkt. Ein wichtiges Beispiel ist die Integration von Dual-Core-ARM-Prozessoren mit FPGAs von Xilinx und Altera. Dies hat Automatisierungsanbietern ermöglicht, hochintegrierte Mehrfachachsantriebe zu erschwinglichen Preisen zu bauen, was wiederum die Steuerung mehrerer Maschinen auf kosteneffiziente und synchronisierte Weise ermöglicht.

Keine FPGAs nötig

Die dedizierten, festen Funktionen ASICs oder FPGAs, die sonst für das Einbetten von Protokollen zur Anbindung an latenzarme Industrienetzwerke verwendet worden wären, wurden durch das Industrial Communication Sub-System (ICSS) eliminiert, das Texas Instruments in seine Sitara-Familie von ARM Cortex-A-Prozessoren integriert hat.

Die Kopplung von FPGA mit General-Purpose-Prozessoren war gängige Praxis für die Implementierung von Kommunikationsprotokollen oder latenzarmen I/O-Erweiterungen, wann immer diese Funktionen auf dem Host-Prozessor fehlten. Heute wurden On-Chip-Latenzbeschleuniger entworfen und implementiert, was Kosten, Komplexität des Systems und Entwicklungszeit reduziert.

Die Präsenz von ICSS bringt auch Modularität in die Implementierung von Kommunikationsprotokollen. Anbieter finden es oft schwierig, höchste Kommunikationsstandards einzuhalten, während sie einem zeit- und kostenbeschränkten Ansatz folgen. ICSS löst dieses Problem, indem es einen Mantel über mehrere Protokolle legt und ein einheitliches Modul präsentiert, das vorzertifiziert werden kann.

Jonglieren mit Betriebssystemen

Die Integration intelligenter Komponenten in ein System und die Konsolidierung der Rechenleistung wurden durch eingebettete Technologie in einer weiteren Weise ergänzt. Echtzeit-Betriebssysteme folgen dem IEC 61131-Standard für SPS für die Ausführung spezialisierter grafischer und textueller Maschinensteuerungssprachen. Die Einhaltung von IEC 61508 ist notwendig, um SIL-3-Standards zu gewährleisten.

Virtualisierung hat sich als Gamechanger erwiesen und die gesamte Industrie auf den Kopf gestellt. Es ist nun möglich, mehrere Instanzen mehrerer Betriebssysteme auf einer einzigen Maschine auszuführen. Anbieter entwickeln rasch Konzepte zur Bewältigung von Latenz- und Zuverlässigkeitsbedenken. Die Beschaffung und Wartung mehrerer Maschinen für jede einzelne Anwendung ist nicht mehr notwendig, und man kann nun das volle Potenzial einer einzigen leistungsstarken Maschine nutzen, anstatt mehrere Maschinen unterausgelastet zu betreiben.

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