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Steuerungsebene

Steuerungsaspekte beachtenDie Anforderungen an Industrie-PCs driften auseinander: DasSpektrum beginnt bei leistungsoptimierten sowie kompaktenLösungen zum Steuern, Visualisieren und für die Datenarchivierungund endet zum Beispiel bei High-End-Bildverarbeitung undLeitsystemen. Für beide Szenarien stehen mit Atom und Core iXpassende Prozessorfamilien bereit, die es allerdings richtig zuimplementieren und zu kombinieren gilt.

K eine Frage, Atom-Prozessoren von

Intel bedienen das klassische An-

forderungsprofil in der Automatisie-

rungstechnik und ermöglichen den Auf-

bau kompakter Geräte mit niedrigem

Energiebedarf. Einen aktuellen Vertreter

dieser IPC-Klasse stellen Nanobox-PC

undNanopanel-PC dar. Bei ihnen kommt

die neueste Atom-Prozessor-Generation

„Tunnelcreek“ zum Einsatz, die gezielt

auf das Verhältnis von Performance zu

Verlustleistung optimiert wurde. Vier

CPU-Typen (E620/640/660/680) stehen

zur Verfügung, die zusammen mit dem

Controller-Hub EG20T zwischen 4,8 W

und 6W aufnehmen. Dies reduziert nicht

nur die Verlustleistung und Wärme-Ent-

wicklung im Schaltschrank, auch die

Stromversorgung wird entlastet.

Stromspar-Mechanismenoptimieren die LeistungsbilanzZudem verringern so genannte Speed-

Step-Funktionen die Leistungsaufnah-

me. Ursprünglich entwickelt, um die

Akku-Laufzeit eines Notebooks zu ver-

längern, passt die CPU ihre Parameter

(Taktraten, Spannungen) der tatsächlich

benötigten Rechenleistung an. BeiWin-

dows-Tasks für den Anwender oft gar

nicht wahrnehmbar, muss bei der Steue-

rung von Echtzeit-Aufgaben allerdings

genau geprüft werden, ob und wie die-

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25Steuerungsebene

ser Mechanismus das Echtzeit-Verhalten der Steuerung

beeinflusst. Abhängig davon empfiehlt es sich, Speed-Step

im Windows-Power-Schema zu deaktivieren.

Zur weiteren Reduzierung des Stromverbrauchs von Ma-

schinen oder Anlagen können die IPCs in Ruhezeiten herun-

tergefahrenwerden, beispielsweisewährend einer Pause, über

Nacht oder am Wochenende. Mit der Funktion „Wake-on-

LAN“ lassen sich die Geräte wieder „aufwecken“: Der Netz-

werk-Controller des IPC erkennt anhand eines definierten

Datenpakets, dass er den Rechner hochfahren soll. Dieses so

genannte „Magic-Package“ kann beispielsweise via Script

von einemAdministrations-Rechner an alle IPCs automatisch

versendet werden. Voraussetzung für diese Funkton ist, dass

der Rechnerkern ACPI (Advanced Configuration and Power

Interface) unterstützt und der Netzwerk-Controller permanent

mit Energie versorgt wird.

Zweiter Kern dank Hyper-ThreadingDie CPU-Generation E6x0 ist mit der von anderen Intel-

Prozessoren bekannten Hyper-Threading-Technologie aus-

gestattet, die dem real vorhandenen Prozessorkern einen

zweiten, virtuellen Prozessorkern zur Seite stellt. In diesem

virtuellen Kern können andere Programmteile parallel bear-

beitet werden. Der Grund: Prozessoren arbeiten die einzel-

nen Befehle in einer Pipeline-Struktur ab. Da der Rechner-

kern zum Beispiel auf Daten aus dem RAM oder einem

Massenspeicher warten muss, können Wartezeiten entste-

hen. Diese Pausen nutzt Hyper-Threading und bearbeitet ein

zweites Teilprogramm (Thread). In Summe resultiert daraus

eine Performance-Steigerung von bis zu 30 %.

Im Schatten von CPU und Arbeitsspeicher stehen häufig

die Speichermedien. Dabei braucht es auch hier je nachAn-

wendungsfall spezielle Komponenten – nicht nur hinsicht-

lich Technologie und Volumen. Bei den Nanobox- und

Nanopanel-PCs lassen sich von außen zugänglich Compact-

Flash-Karten (CF) mit bis zu 8 GByte einbauen. Für die

schnelle Abarbeitung von massenspeicherintensiven An-

wendungen sind ebenso Solid-State-Drives (SSD) mit bis zu

50 GByte verfügbar. Der Zeitvorteil bei Schreib-/Lese-Zyk-(Bild

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7/11 . www.computer-automation.de

Steuerungsebene

kopiert. Dies sorgt für eine gleichmäßige

Auslastung der Speicherzellen und ma-

ximiert die Lebensdauer. Gilt es, beson-

ders speicherintensive Applikationen zu

realisieren, kann beimNanobox-PC auch

auf eine 250-GByte-Festplatte zurückge-

griffen werden.

Remanenzspeicher – ein MussDurch Netzausfälle oder die Notabschal-

tung einerMaschine/Anlage können ohne

Gegenmaßnahmenwichtige Prozessdaten

imArbeitspeicher unwiederbringlich ver-

loren gehen. Um dies zu vermeiden, brau-

chen Steuerungs-PCs integrierte Rema-

nenzlösungen. Bei der IPC-Linie Nano ist

der Remanenzspeicher als MRAM (Mag-

netoresistive Random Access Memory)

realisiert. Im Gegensatz zu den oft ver-

wendeten SRAM-Bausteinen (Static Ran-

dom Access Memory) benötigt diese

Speichertechnologie keinerlei Batterie-

pufferung. Der Grund: Die Daten sind

nicht in Form von elektrischen Ladungen,

sondern magnetisch gespeichert. Kom-

plett entfallen können Pufferbatterien,

wenn auch die BIOS-Setup-Daten statt

im üblichen CMOS (Complementary

Metal Oxide Semiconductor) in einem

EEPROM (Electrically Erasable Pro-

grammable Read-only Memory) ge-

speichert werden.

Ist zusätzlich eine Bedieneinheit not-

wendig, lässt sich die Box-PC-Hardware

mit einem Widescreen-Display zum Na-

nopanel-PC mit 7-, 9- oder 12-Zoll-Dia-

gonale kombinieren. Dessen LED-Hin-

tergrundbeleuchtung unterstützt den

CPU-Kern hinsichtlich energieeffizien-

tem Betrieb. Technologiebedingt benöti-

gen LEDs bei gleicher Leuchtstärke

weniger Strom als die klassischen

Kaltkathodenstrahlröhren. Ferner ermög-

licht die LED-Hintergrundbeleuchtung

eine Helligkeitsregelung von 0 bis 100%;

Kaltkathodenstrahlröhren dagegen nur

zwischen etwa 20 und 100 %. Darüber

lässt sich der Strombedarf dem jeweiligen

Betriebszustand (Ruhezeiten) anpassen

und die Gesamtleistungsaufnahme des

Geräts weiter senken. Die vollständige

Dimmbarkeit verlängert zudem die Le-

bensdauer der Hintergrundbeleuchtung.

Teile und rechne: Vier Kernekönnen mehrAm anderen Ende der Leistungsskala hat

Intel die Core-Prozessoren positioniert.

Bereits in der zweiten Generation ver-

fügbar, sorgen sie bei den Rack-PCs Si-

matic IPC547D für eine Leistungssteige-

rung um nahezu 100 % gegenüber der

ersten Geräte-Generation. Diese resul-

tiert zum einen aus der höheren Taktrate

der Quad-Core-CPUs, zum anderen aus

der integrierten Hyper-Threading-Tech-

nologie. Letztere ermöglicht es jedem

der vier CPU-Kerne, zwei Threads si-

multan abzuarbeiten. In Summe ergibt

das acht „parallel“ bearbeitete Aufga-

ben.

Trotz der vorgehaltenen Rechenleis-

tung sorgt ein ausgefeiltes Power-Ma-

nagement mittels Turbo-Boost für ge-

ringen Energieverbrauch und damit für

eine niedrige Wärme-Entwicklung.

Dieses Verfahren erhöht die Taktfre-

quenz der unter Last stehenden Prozes-

sorkerne automatisch, um ein schnelles

Abarbeiten der jeweiligen Task zu er-

möglichen. Dies ist abhängig von Fak-

toren wie der Anzahl aktiver Prozes-

sorkerne sowie von den thermischen

und elektrischen Grenzwerten. Je we-

Der „Dedicated Mode“ stellt die Echtzeit-Fähigkeit des Software-Controllers SimaticWinAC auch bei mehreren, parallel laufenden Applikationen sicher.

Viele Montage-optionen ergebensich durch diegeringe Verlust-leistung in Kom-bination mit einemdurchdachtenWärmemanage-ment.

len liegt beim bis zu Zehnfachen gegen-

über CF. Für höchste Systemverfügbar-

keit sind sowohl die CF- als auch die

SSD-Komponenten in Single-Level-

Cell-Technologie (SLC) aufgebaut: Bei

beiden Speichertechnologien organisiert

ein Controller den Datenaustausch zwi-

schen PC und den Flash-Speicherzellen.

Der Vorteil von SLC besteht darin, dass

die Speicherzellen imVergleich zu MLC

(Multi-Level-Cell) nur zwei Zustände

pro Flashzelle speichern müssen und

sich somit der Abstand der Spannungs-

zustände erhöht. Der Controller verteilt

dazu die Schreibzugriffe gleichmäßig

auf den Flash-Speicher – sowohl bei sel-

ten geänderten Daten (Betriebssystem)

als auch bei Applikationsdaten, die fort-

laufend gespeichert werden müssen. Da-

mit nicht genug: Selten oder nie benutzte

Datenbereiche werden auf stärker be-

anspruchte Bereiche (Wear-Leveling)

WinACDedicatedMode

Ardence RTX

Windows Windows

Windows

Applikation Applikation

ApplikationHMIWinACRTX

bei vierProzessor-kernen

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PeterBerger

ist ProduktmanagerSimatic Nano IPCs beider Siemens Business UnitIndustrial AutomationSystems in Nürnberg.

PatrickAppelt

ist MarketingmanagerSimatic IPC bei derSiemens Business UnitIndustrial AutomationSystems in Nürnberg.

27Steuerungsebene

niger Kerne gerade aktiv sind, umso

höher lassen sich die anderen übertak-

ten. Im Idealfall kann ein Prozessor-

kern einer CPU Core i7-2600, der stan-

dardmäßig mit 3,4 GHz arbeitet, mit

maximal 3,8 GHz getaktet werden.

Gleiches gilt für den Grafikchip. Im

Prozessor integriert, passt sich dessen

Taktfrequenz dynamisch zwischen

850 MHz und 1,35 GHz an. Dies ge-

schieht zum Beispiel bei grafikintensi-

ven Visualisierungen, die den eigentli-

chen Prozessor nur wenig belasten und

viele Berechnungen bislang auf die

Grafikkarte auslagern würden. Somit

profitieren auch ältere Applikationen

von den aktuellen Prozessortechnolo-

gien, selbst wenn sie nicht für Multi-

core-CPUs optimiert sind.

Parallele Bearbeitung dankMulticoreDie aktuellen Betriebssysteme von

Microsoft wie Windows 7 oder Server

2008 verteilen die Aufgaben auf die

jeweiligen Prozessorkerne, ohne dass

spezielle Anpassungen in der Appli-

kationssoftware nötig wären. So las-

sen sich mehrere Anwendungen auf

einem Gerät bündeln. Dies spart Platz

und reduziert die Hardware-Kosten.

Um die Echtzeit-Fähigkeit des Soft-

ware-Controllers Simatic WinAC

RTX sicherzustellen, unterstützt die-

ser den so genannten „Dedicated

Mode“. Hierbei reserviert die Echt-

zeit-Erweiterung der Software einen

kompletten Prozessorkern für sich.

Somit können die auf anderen Cores

laufenden Applikationen – meist

Visualisierung, Datenbank-Anwen-

dungen und Windows-Dienste – die

Echtzeit-Fähigkeit des Software-Con-

trollers nicht beeinflussen.

Aufgrund ihrer Re-

chenleistung und den

vier Cores eignen

sich die Prozessoren

auch für Applikatio-

nen, die eine spezifi-

sche, virtuell nachge-

bildete Umgebung

benötigen, beispiels-

weise eine nicht mehr

lieferbare Hardware-

konfiguration, oder

wenn mehrere Syste-

me auf einem Gerät

zusammenzufassen sind. Dieses Sze-

nario deckt Intel mit den Virtualisie-

rungstechnologien VT-x und VT-d2

ab: VT-x optimiert den Ablauf von

virtuellen Maschinen und ermöglicht

deren performante Ausführung. Ein

typisches Szenario sind große Scada-

Installationen, bei denen mehrere vir-

tuelle Server und Clients einer Leit-

system-Applikation parallel auf einem

Rack-PC laufen. VT-d2 ist wiederum

darauf fokussiert, virtuellen Maschi-

nen den direkten und schnellen Zu-

griff auf Hardwarekomponenten zu

ermöglichen. Des Weiteren unterstüt-

zen Core-i5- und Core-i7-Prozessoren

die Intel-Active-Management-Tech-

nologie (Intel AMT). Dies ermöglicht

die passwortgeschützte Fernbedie-

nung von IPCs – ohne zusätzliche

Hardware, etwa für Software-Updates

oder für das Auslesen von System-

und Komponenten-Informationen

über Webbrowser. AMT funktioniert

sogar bei heruntergefahrenem Rech-

ner. Somit lassen sich immer größere

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