Wie man Formfaktorgrenzen pragmatisch überwindet zeigt die Applikation, die die jeweiligen Vorteile von PCI und CompactPCI kombiniert

Formfaktorgrenzen pragmatisch überwunden

Kontron Industrial Control, die Automatisierunsspezialisten der Kontron AG, haben gemeinsam mit der Kontron Embedded Computers GmbH eine offene Computing Plattform geschaffen, die die Vorteile von PCI mit denen von CompactPCI kombiniert. Gleichzeitig wurde eine Lösung für Arbeitsplätze die bis zu 30 Meter entfernt sein können geschaffen, die neben Panel-Support auch bis zu 6 USB-Schnittstellen bietet. Dieser Lösungsansatz, der erstmals bei einem führenden Hersteller für Laserschneidemaschinen zum Einsatz kommt, eignet sich auch für viele andere Hersteller von Maschinen und Anlagen.

Vertreter einzelner Formfaktoren für die Embedded Computer Technology, von denen es weltweit mehr als zwei Dutzend gibt, sehen in ihren Standards oftmals die alleinige Lösungsmöglichkeit. Dass zwischen Theorie und Praxis oftmals jedoch eine Lücke klafft, ist vielen Anwendern hinlänglich bekannt: So glaubt man heute vielfach, dass CompactPCI zwar extrem robust, aber für reine HMI-Rechner zu komplex und damit zu teuer sei. Auf der anderen Seite sind PCI-basierte Boards und Erweiterungskarten in industriellen Applikationen weit verbreitet und viele Erweiterungskarten günstig zu haben, doch für empfindliche Prozesse ohne Hotswap, und Redundanz nicht stabil genug auslegbar und der frontseitige Austausch der Baugruppen ist nicht gegeben. Beide Ansätze, für sich betrachtet, bieten also auch unter einer entsprechenden Kosten-Nutzen- Analyse keine praktikable Lösung. Gleichzeitig wird die Automatisierungstechnik zunehmend horizontal und vertikal vernetzt und Prozess- und Steuerungsrechner müssen zunehmend mehr Funktionen übernehmen, die nicht so zeitkritisch sind, wie deren ureigene Echtzeitanforderungen. Und diese zusätzlichen Aufgaben könnten eigentlich mit "einfacher" robuster Hardware umgesetzt werden. Dann müsste man aber zwei Systeme nebeneinander pflegen, was ökonomisch nicht sinnvoll ist.

Hat man die Vorteile beider Lösungsansätze erkannt, stellt sich der Praktiker die Frage, warum man nicht beide Vorteile miteinander vereinen kann. So auch bei dem Laserspezialisten. Da CompactPCI auf PCI aufbaut und damit die komplexeren Anforderungen erfüllt, musste man folglich prüfen, ob PCI-Boards in CompactPCI Systeme integrierbar sind. Da die Spezifikation von CompactPCI hinsichtlich PCI nicht geändert wurde, ist dies grundsätzlich möglich. Physikalisch passen Standard PCI Karten im Halfsize-Format auch in 3 HE CompactPCI Systeme. Was jedoch fehlt, ist ein physikalischer "Adapter" für den Anschluss an die CompactPCI Backplane und ein elektronisches Interface, das PCI- in CompactPCI-Signale umwandelt.

PCI to CPCI Box

Umgesetzt wurde die PCI to CompactPCI-"Bridge" über eine Box, die rückseitig ein CompactPCI-Interface für die Backplane bietet und frontseitig mit vier Schrauben arretiert wird. In der Box nimmt eine Art Motherboard bis zu vier PCI-Baugruppen waagerecht auf, deren Interfaces frontseitig zugängig sind. Damit sind PCI-Baugruppen über ein CompactPCI Systemboard ansteuerbar und die Box genauso komfortabel frontseitig austauschbar wie CompactPCI-Bauguppen. Nur der Austausch im laufenden Betrieb ist nicht möglich, da PCI-Baugruppen dieses Feature nicht unterstützen. Aber diesen Nachteil nehmen Kunden gerne in Kauf, denn jetzt kann jede handelsübliche PCI Karte in ein CompactPCI System integriert werden. Voraussetzung hiefür ist allerdings die PICMG 1.0 Kompatibilität. PICMG 1.0 ist der industrielle Standard für ISA/PCI basierte Boards der Peripheral Component Inter Connect Industrial Computer Manufacturers Group, die auch den CompactPCI Standard entworfen hat.

Lange Leine für das Benutzerinterface

Die zweite große Herausforderung war die Anforderung, dass der Arbeitsplatz für das HMI möglichst flexibel sein sollte. Standardlängen von knappen 3 Metern für den Monitoranschluss hätten nicht ausgereicht. Visualisierung über Ethernet wäre selbst im Terminal-Modus zu komplex geworden und mit weiteren Lizenzen und evtl. nicht unerheblichem Softwareentwicklungsaufwand für das HMI verbunden gewesen. Folglich musste eine Lösung gefunden werden, die das HMI unmittelbar an das System ankoppelt und gleichzeitig weit genug absetzbar macht. Hierfür entwickelte Kontron eine neue Lösung, die das Überbrücken von bis zu 30 Metern bei jedem IPC und jedem TFT-Display mit DVI- und USB-Schnittstellen ermöglicht. Realisiert wird dieses offene "Long Distance Monitor Interface" bei Kontron über eine DVI- und eine USB-Schnittstelle sowie einen in den Rechner zu integrierenden Long Distance Transmitter. Am zugehörigen TFT-Monitor ist wiederum ein entsprechender Long Distance Receiver untergebracht. Der Long Distance Transmitter ist in jeden Rechner integrierbar. Der entsprechende Long Distance Receiver wird als externe Komponente in einer Box beim Monitor zwischen Kabel und Monitor angeschlossen. Die Verbindung zwischen Long Distance Transmitter und Receiver wird mit nur einem einzigen Kabel realisiert. Um den Anforderungen der industriellen Automatisierungstechnik gerecht zu werden, wurde neben der Übertragung der Bild- und USB-Daten auch die Display-Versorgung integriert. Einzig die analoge Ansteuerung wird nicht unterstützt, da sie für den industriellen Bereich unbedeutend ist. Zusätzlich wurde die im Automatisierungsbereich häufig geforderte Anbindung des Touchpad über USB realisiert. Trotz dieses Leistungspakets ist das Kabel hochflexibel. Vorbereitet für den Einsatz dieser Langen Leine sind 10" - 15" TFT-Monitore für bis zu 30 Meter Entfernung. 17" - 19" TFT können bis zu 15 Meter abgesetzt werden. Alle verwendeten Kontron TFT-Monitore unterstützen Standard DVI (incl. DDC) und USB Touch. Ein optionales Keyboard und Front-USB-Interface runden das Featureset ab.

USB Hub integriert

Einen vollständigen Arbeitsplatz rund um den Monitor wurde darüber hinaus durch den Ausbau des Long Distance Receivers zu einem USB-Hub möglich, an den bis zu 6 USB 2.0 oder USB 1.1 kompatible Geräte angeschlossen werden können. Von Keyboard und Mouse bis hin zu Druckern, Festplatten und DVD-Laufwerken kann hier folglich alles plug&play angeschlossen werden, was der Anwender im täglichen Betrieb, bei der Inbetriebnahme oder im Wartungsfall (z.B. Softwareupdates) benötigt.

Abgestimmte CompactPCI Performance

Neben dem CompactPCI-Gehäuse, der PCI-to-CPCI-Box und den Long Distance Visualisierungskomponenten inklusive Panel und USB-Hub kommen in der Lasersteuerung die Compact-PCI CPU Baugruppe CP306-V zum Einsatz. Die 3 HE CompactPCI CPU Board Reihe ist PICMG 2.0 kompatibel und basiert auf dem 1,3 GHz schnellen Intel Celeron M Prozessor 320 mit 400 MHz Systembus. Gemeinsam mit dem CP303-V und dem CP304 bildet das neue Produkt die Value-Line der 3-HE-CPU-Reihe, die für kostensensitive Applikationen konzipiert ist und damit den Systemansatz des Laserspezialisten ideal unterstützt. Über den gesockelten 479-pin µFC-PGA Chip hinaus werden von Kontron in Zukunft weitere Celeron-Varianten der Intel-(Embedded)-Roadmap angeboten. Neben der Skalierbarkeit ist damit auch die Langzeitverfügbarkeit des CP306-V gewährleistet. Als L2-Cache stehen dem passiv gekühlten Prozessor 512 KByte zur Verfügung. Der Arbeitsspeicher mit oder ohne ECC hat ein Volumen von bis zu 1GByte und sitzt als DDR-SDRAM auf einem 200-Pin-SODIMM-Sockel. Kommunikativ ist das Board umfassend gerüstet: In der Version mit 4 TE breiter Frontplatte sind jeweils eine DVI-, PS/2-, USB- und Fast-Ethernet-Schnittstelle verfügbar, in der Version mit 8 TE breiter Frontplatte kommen noch ein CompactFlash-Adapter, eine COM-Schnittstelle und ein 2,5-Zoll-Festplatten-Träger hinzu, die gemeinsam auf einem Mezzanine-Modul sitzen. Alternativ können über den Rear-I/0-Connector J2 ein PS/2-Port, eine CRT-VGA-Schnittstelle, zwei USB-2.0-Schnittstellen, zwei COM-Interfaces (COM1/COM2 TTL) und ein Fast-Ethernet-Anschluss zur Backplane geführt werden. Die Rear-I/O-Erweiterungsbaugruppe CP-RIO3-03 von Kontron ermöglicht dabei den Zugriff auf diese Schnittstellen von der Gehäuserückseite. Über EIDE ATA 33 kann zudem eine Festplatte angekoppelt werden. Software-Support wird unter anderem für Windows XP, XP Embedded und 2000, Linux und VxWorks geboten.

Dieses praxisnahe Systemdesign ist ein Beispiel für kundenorientierte Systemdesigns auf Basis von offenen Standards, die den Anwendernutzen und nicht den Formfaktor in den Vordergrund stellen. Kontron hat es sich zur Aufgabe gemacht, solche praxisnahen Lösungen über alle Formfaktorgrenzen hinweg umzusetzen und so offene Automatisierungsplattformen zu schaffen, die die jeweiligen Vorteile von Teillösungen ohne Scheuklappendenken zu einer praxisnahen Gesamtlösung kombinieren. Hierbei kann auf das gesamte Produktportfolio der Kontron AG zurückgegriffen werden, so dass die Lösung stets aus einer Hand kommt.