Industrie-Elektronik Einheitliche Rechnerplattform für Steuerung und Automatisierung

Autor / Redakteur: Cameron Swen * / Holger Heller

APUs und SOCs von AMD ermöglichen ein einheitliches Nutzererlebnis auf portablen und stationären Mensch-Maschine-Schnittstellen für industrielle Anwendungen.

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Benutzerschnittstellen in der Industrie: Touchscreens verdrängen zunehmend konventionelle Bedienelemente
Benutzerschnittstellen in der Industrie: Touchscreens verdrängen zunehmend konventionelle Bedienelemente
(Bild: VBM-Archiv)

Bei neuen Benutzerschnittstellen (HMIs; Human Machine Interfaces) werden konventionelle Bedienelemente zunehmend durch Touchscreens ersetzt, die ein vergleichbares Nutzererlebnis bieten wie Smartphones und Tablets aus dem Consumermarkt. Diese Weiterentwicklung verspricht im Bereich industrielle Steuerungen und Automatisierung Zuwächse bei Produktivität und Präzision.

So wie Smartphone-Entwickler die meisten mechanischen Bedienelemente zu Gunsten von rekonfigurierbaren Touchscreens über Bord geworfen haben, können auch Entwickler von HMI-Panels die Funktionalität ihrer HMI-Systeme leichter modifizieren. Indem sie per Software konfigurierbare Multi-Touch-Interfaces einsetzen, können sie das Benutzererlebnis im Laufe der Zeit anpassen und verbessern. Zudem reduzieren sie damit auch die Hardware-Abhängigkeiten zwischen der Bedienoberfläche und dem Embedded-System.

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Diese Entwicklung hin zu HMI-Panels mit Touchscreen ermöglicht eine neue Generation von Handheld-HMI-Geräten, die sich als nützliche Ergänzung zu klassischen, festinstallierten Panels bewährt haben. Diese Geräte werden für eine Fernverbindung zum zentralen Steuerpanel entwickelt und ermöglichen mehr Mobilität auf dem Fabrikgelände und ein flexibleres Management. Sie bieten eine ähnliche Benutzerführung wie Smartphones und Tablets, so dass Anwender diese Systeme mittels intuitiver Gestensteuerung genauso bedienen können wie ihre privaten Geräte.

Grafik- und rechenintensive HMI-Panels

Mit dem Aufkommen von Handheld-HMIs stehen Entwickler bei der Auswahl der zugrunde liegenden Rechnerplattform jedoch vor einem Dilemma: in ihren stationären, grafik- und rechenintensiven HMI-Panels setzen sie auf leistungsstarke Prozessoren. Für ihre portablen Geräte sind sie allerdings versucht, für einen mobilen Einsatz optimierte, ARM-basierte Low-Power-Plattformen einzusetzen.

Eine solche zweigleisige Plattform-Strategie kann sowohl für Entwickler als auch Anwender Nachteile mit sich bringen. Vorteile bieten hier Accelerated Processing Units (APUs) und System-on-Chip-Bausteine (SoCs) für HMI-Entwickler, die auf der Suche nach einer skalierbaren, einheitlichen Plattform sind, die für fest installierte und auch für Handheld-HMI-Geräte optimiert ist.

Obwohl Handheld-HMIs für einen unabhängigen Betrieb vom zentralen HMI entwickelt wurden, sind sie dennoch häufig drahtlos oder drahtgebunden mit dem zentralen Kontrollpanel vernetzt und dienen als seine natürliche Erweiterung. Oft sind die Handheld-Geräte so konzipiert, dass sie das zentrale HMI-Display widerspiegeln. So soll sichergestellt werden, dass der Anwender auch bei Fernbedienung der Produktionslinien oder Maschinen dieselben Visualisierungs- und/oder Managementfähigkeiten erhält. Nutzen Entwickler eine einzige, skalierbare Rechnerplattform, können sie ein konsistentes „Look and Feel“ auf beiden Systemarten einfacher umsetzen.

Vorteile einer einheitlichen Prozessorplattform

Der Ansatz einer einheitlichen Rechnerplattform bietet HMI-Herstellern viele Vorteile: Sie profitieren von mehr Effizienz bei der Entwicklung sowie geringeren Kosten, da sie nur eine (einheitliche) Hard- und Softwarearchitektur, die über das gesamte Produktportfolio hinweg skalierbar ist, entwickeln und unterhalten müssen. Die Nutzung einer x86-Embedded-Plattform bedeutet darüber hinaus auch Effizienzsteigerungen durch PC-Kompatibilität.

So können Entwickler auf ein Ecosystem x86-optimierter Software, Applikationen, Betriebssysteme und Entwicklungsumgebungen zurückgreifen. Durch x86 ergibt sich auch eine höhere Interoperabilität mit der Firmen-IT, was Applikationen zusätzliche Vorteile bei der Systemwartung, Fernwartung, Sicherheit und Virenschutz eröffnet. Die Nutzung von Standard-Netzwerkprotokollen erleichtert die Integration der Steuerungssysteme in der Fabrikhalle sowie anderer verteilter Systeme in der IT-Infrastruktur.

Die Standardisierung auf nur eine Rechnerplattform bringt auch HMI-Systembetreibern Vorteile, da sie auf fest installierten und Handheld-HMI-Panels ein einheitliches Nutzungserlebnis bietet. Durch einheitliche GUI-Funktionen können Nutzer die Bedienung schneller erlernen und die Geräte sicherer bedienen, was zu mehr Produktivität und Präzision führt.

360°-Visualisierung in der industriellen Prozessautomatisierung

Auch wenn die Grafikperformance von leistungsschwächeren, auf den mobilen Einsatz hin optimierten Prozessoren für einige Handheld-HMI-Geräte ausreichend sein mag, so dürfte sie für die neuste Generation von Highend-Touchscreen-Systemen nicht genügen. So fehlt diesen Prozessoren in der Regel die Fähigkeit, große Bildschirme in HD-Auflösung anzusteuern.

Für HMI-Geräte und Panels, die Video- und/oder 3D-Grafik nutzen, fällt dieser Mangel noch stärker ins Gewicht: Insbesondere beim 3D-Rendering, das für eine präzise 360°-Visualisierung in der industriellen Prozessautomatisierung zunehmend an Popularität gewinnt. HMI-Entwickler sind daher auf der Suche nach Rechenplattformen, die die Multiplattform-API OpenGL für hardwarebeschleunigte 3D-Grafik unterstützen.

Für HMI-Systeme, die Video und 3D-Grafik nutzen, ist zudem Bedeutung, dass die zugrundeliegende Rechenleistung stabil und zuverlässig zur Verfügung steht, damit die Multimedia-Wiedergabe nicht stockt. Ein solcher Fall kann bei Nutzern aller Erfahrungsstufen – insbesondere bei wenig oder ungeschultem Personal – schnell Frustration hervorrufen, was zu einer inkonsistenten und fehlerhaften Bedienung sowie Wartung führen kann.

Platz- und energieeffiziente mobile HMI-Geräte mit APUs

Angesichts der o.g. Gesichtspunkte haben sich APUs zu einer Option für verteilte HMI-Systeme in der Fabrikhalle entwickelt, angefangen bei grafikintensiven Handheld-Geräten bis hin zu hochleistungsfähigen HMIs. Mit einer einzigen Stellfläche unterstützen sie einen weiten Systembereich: vom portablen Einstiegsgerät bis hin zum Highend-System. Mit ihrer x86-Interoperabilität bieten sie eine konsistente und hohe Grafik-, Video- und 3D-Leistung bei einem Performance-pro-Watt-Verhältnis, das auch den Betrieb in stromsparenden Handheld-Geräten erlaubt.

Mit einer universell einsetzbaren CPU und einer GPU auf dem Niveau einer diskreten Grafikkarte auf einem einzigen Chip, ergänzt um eine schnelle Bus-Architektur und gemeinsamen Speicher mit niedriger Latenz, können APUs die Pixel-Datenverarbeitung von der CPU auf die GPU verlagern. So kann die CPU I/O-Anfragen mit einer niedrigeren Latenz bearbeiten.

Das hilft, die Echtzeit-Grafikleistung auf ein Niveau anzuheben, das die Fähigkeiten konventioneller Prozessorarchitekturen oft übertrifft. Die APU und der dazugehörige Controller-Hub bilden eine 2-Chip-Lösung und minimieren die Design-Komplexität, da weniger Board-Layer benötigt werden. So können HMI-Entwickler selbst hochgesteckte Formfaktorziele erreichen, was auch zu einer größeren Gerätemobilität führt.

Schnelle Vektor- und/oder Grafikberechnung

APUs können zudem das Performance-pro-Watt-verhältnis steigern; mit weniger Stromverbrauch und geringerer Wärmeentwicklung. Handheld-HMI-Geräte kommen somit häufig ohne Lüfter aus, was Platz auf dem Board einspart, die Zuverlässigkeit verbessert und die Geräuschentwicklung senkt.

AMD Embedded G-Series APUs unterstützen eine Thermal Design Power (TDP) von 5,5 bis 18 W und ermöglichen Entwicklern, innerhalb der 25-W-Grenze zu bleiben, bei der sich eine passive Kühlung gut umzusetzen lässt, was in der Regel auch zu bevorzugen ist. APUs mit einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von 2,3 W ermöglichen passiv gekühlte, lüfterlose und portable HMI-Geräte, die sich für den Einsatz im rauen Fabrikumfeld eignen.

Bei der APU-Architektur kann die integrierte GPU bedarfsgerecht für schnelle Vektor- und/oder Grafikberechnung genutzt werden. So erhalten HMI-Entwickler die Flexibilität mit einer einzigen Rechnerplattform sowohl Embedded-Headless-Designs ohne Grafikausgabe als auch grafikorientierte Systeme umzusetzen. Mit ihrer Platzersparnis, effizienten Leistungsaufnahme und Kühlung bei leistungsstarker Grafik kombiniert in einer skalierbaren Plattform bieten sich APUs für einen durchgängigen Einsatz von Handheld-HMIs bis hin zu fest installierten Highend-HMI-Systemen an.

Multiscreen-Support und Hardware-Virtualisierung

Bei der Auswahl der Rechnerplattform sollten Entwickler auch auf die Fähigkeit des Prozessors achten, mehrere Displays anzusteuern. Multi-Display-fähige Prozessoren können neben dem Hauptbildschirm auch weitere Displays ansteuern, um zusätzlich Fertigungsdaten oder Analysedaten von anderen, in der Fabrik verteilten Systemen, darzustellen. Zudem lassen sich so auch Panorama-Displays und/oder eine große, aus mehreren Displays bestehende Videowände für die Fernanzeige über die gesamte Fabrikhalle hinweg umsetzen.

Auch die Hardwarevirtualisierung, die eine gleichzeitige Nutzung mehrerer Betriebssysteme und ihrer Applikationen auf einem Prozessor ermöglicht, ist für HMI-Systementwickler ein weiteres entscheidendes Kriterium. Hardware-Virtualisierung ermöglicht die Arbeitslastkonsolidierung und/oder die Trennung von GUI und Echtzeit-Funktionen auf Prozessorebene. Das kann die Integration erleichtern und in manchen Fällen sogar zu einer Reduzierung von Systemen führen. So kann Windows parallel zu einem deterministischen Echtzeit-Betriebssystem für die Maschinen- und Prozesssteuerung betrieben werden.

Mit der Verfügbarkeit von SoC-Designs können Entwickler weiterhin auf die Stärke der APU-Architektur setzen, um die Rechenleistung weiter zu beschleunigen und gleichzeitig die Größe und Leistungsaufnahme senken. Ein SoC reduziert die 2-Chip-Architektur der APU (APU und I/O-Controller-Hub) auf nur noch einen Chip.

Entwicklungszeiten verkürzen und kleinere Formfaktoren ermöglichen

Dazu integriert es den I/O-Controller-Hub auf demselben Chip. Mit einer Rechenleistung zwischen 85 und 185 GFLOPS (Single-Precision) kann das AMD G-Series SoC die Bild- und Vektorverarbeitung beschleunigen. Und mit einer Stellfläche von 24,5 mm x 24,5 mm vereinfacht das SoC die Design-Komplexität und hilft HMI-Entwicklern, die Entwicklungszeiten zu verkürzen und kleinere Formfaktoren ohne Abstriche bei der Rechenleistung zu erreichen.

* Cameron Swen ist Strategic Marketing Manager, AMD Embedded Solutions.

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