\“Die dritte Generation der Steuerungstechnik\“ Zur SPS/IPC/Drives stellt Vipa neue Steuerungen mit Speed7-Chip vor

SPS-MAGAZIN:Wie hat sich die Steuerungstechnik in den vergangenen zehn bis zwanzig Jahren entwickelt? Seel: Ich denke, den wesentlichs­ten Einfluss auf die Steuerungstechnik hatte der Industrie-PC. Das sieht man ziemlich deutlich, wenn man die Steuerungstechnik in ihre Leistungsgruppen zerlegt: Der Industrie-PC hat gerade im oberen Leistungsbereich Einzug gehalten. Die Steuerungstechnik, die ja insgesamt nach wie vor ein Wachstum hat – da gibt es unterschiedliche Aussagen, aber sagen wir mal von um die 6% als Markt, hat im oberen Marktsegment kein Wachstum mehr, weder Stückzahlwachstum noch Umsatzwachstum. Es gibt eher eine leichte Degression, was ganz klar dem Industrie-PC zuzuschreiben ist. Insbesondere in der Verfahrenstechnik mit den ganzen verfahrenstechnischen Prozessen oder zum Teil auch in der Antriebstechnik, wo sehr viel gerechnet und visualisiert werden muss, hat der Industrie-PC Einzug gehalten. Man weiß ja auch von den Marktanteilzahlen, die der Industrie-PC im Vergleich zur klassischen SPS hat, dass er dort dominant ist und weiter wachsen wird. SPS-MAGAZIN:Wird Ihnen da nicht bange, wenn Sie an Ihr eigenes Geschäft denken? Seel: Insgesamt habe ich für die klassische Hard-SPS-basierende Steuerungstechnik, das ist das Segment, das wir abdecken, für die nächsten zehn bis zwanzig Jahre keine Bedenken, dass alles von den IPCs übernommen wird. Auch wenn die IPCs schrumpfen und kleiner werden, ist es doch so, dass die unteren und mittleren Segmente von den SPSen nach wie vor ein großes Wachstum haben und ich glaube, dass sie dieses auch auf Dauer haben werden. Das basiert nach meinem Dafürhalten auf dem ganz einfachen Ansatz, dass diejenigen, die so etwas warten und pflegen, nicht zur PC-Generation gehören. Sie stammen zwar schon aus der Zeit, sind aber aufgrund ihrer Ausbildung nicht so sehr PC-lastig. D.h. sie verfügen über einfachere Ausbildungsniveaus wie die klassische Technikerausbildung usw. und können viel leichter eine SPS händeln als einen PC. Der PC auf der anderen Seite, ist in seiner Hardwarestruktur, ich will nicht sagen instabil, aber er hat keine Langlebigkeit. IPC-Komponenten kommen und gehen drei- bis viermal so häufig wie eine Hardware-SPS. Der Industrie-PC wird natürlich an Verbreitung zunehmen – das Wachstum vom IPC ist, glaube ich, mindestens doppelt so groß wie das der Hard-SPS – allerdings müssen wir die Ausgangsvolumina sehen. Fünf Prozent der Automatisierungstechnik sind heute PC-basiert, 95% sind allerdings noch SPS-basierend. Gerade was die Stückzahlen angeht. Da können die 5% gerne doppelt so schnell wachsen wie die restlichen 95%. Es ist ja auch so, dass wir die kritische Masse bereits erreicht haben. Wir reden ja nicht mehr von einem Marktsegment, das im Entstehen ist, sondern von einem Marktsegment, das heute ein Potenzial hat. Man sagt, rund 8Mrd. ist das reine SPS-Volumen, das weltweit produziert wird. SPS-MAGAZIN:Spielt denn die Hardware überhaupt noch eine Rolle heute? Ist es nicht so, dass die Kernkompetenz der Steuerungsbauer eher in der Software liegt? Seel: Ich würde das nicht als Kernkompetenz bezeichnen. Ich bin der Meinung, dass die Software heute natürlich ein Investitionspotenzial hat, das ausgenutzt werden muss. Und das ist genau der Ansatz, den wir haben. Nicht wir als Software-Hersteller, aber wir schauen uns an, wo unsere Kunden ihre ­In­ves­titionspotenziale haben und wie sie die soweit wie möglich schützen und wieder verwenden können. Unsere Kunden sind die klassischen Step7-Anwender, die in mittleren und großen Unternehmen über Jahre oder Jahrzehnte Step7 programmiert haben. Da sind Volumina entstanden, die man heute nicht einfach weggeschmeißen kann, wenn es um die Umstellungen auf eine IPC-Plattform geht. Der Weggang von Step7 auf etwas anderes – ob das jetzt ein anderer Hard-SPS-Hersteller oder eine IPC-Schiene ist, ist dabei egal – würde erneut so ein hohes Investment mit sich bringen und bedeutet wieder eine Instabilität der gesamten bereits bestehenden Programme. Die Änderung eines Programmes bis es fehlerfrei ist und sauber läuft, benötigt häufig eine lange Zeit. Das ist der Hemmschuh, der für viele besteht. Daher bleiben viele bei ihrer Software, was dann implizit natürlich heißt, dass sie auch bei ihrer Plattform, Betriebssystem und Hardware bleiben. SPS-MAGAZIN:Was spricht dann überhaupt für den Umstieg auf einen Industrie-PC? Seel: Es ist natürlich relativ einfach, von einem Windows CE auf ein Windows XP oder auf ein Desktop Windows auszuweichen, wenn man schon in der IPC-Welt ist und auf ein Standardbetriebssystem setzt. Wenn man auf der anderen Seite in der Step7-Welt zuhause ist, wohin soll man da ausweichen? Da gibt es eben nur Step7, wohin man wieder ausweichen kann, von der einen CPU zu einer anderen CPU. Wir wissen das auch von unseren Vertriebsaktivitäten, dass es Kunden gibt, die gerne auf ein anderes System wechseln würden und darin Vorteile sehen. Aber aufgrund der gesamten Softwareumstellung ist das für viele Firmen einfach ein No-Go. Es geht einfach nicht. SPS-MAGAZIN:Und wo liegen die Vorteile der SPS? Seel: Lassen Sie mich so antworten: Ich denke, wir sind in der dritten Generation der Steuerungstechnik. Die erste Generation war eine zentrale SPS mit zentralen I/Os. Von da aus gingen alle Kabel an alle Sensoren und alle Aktoren. Die zweite Generation haben wir im letzten Jahrzehnt gesehen oder vielleicht besser in den letzten zehn Jahren: Eine zentrale SPS und dahinter ein Feldbus. Der Feldbus ging durch die gesamte Anlage und hat auf Inselstationen im Prinzip I/Os auf kurzem Weg verdrahtet. Diese Informationen wurden gesammelt in die SPS gebracht und verarbeitet. Zu der damaligen Zeit hat auch die Kommunikationsperformance mit dem Anspruch an die Maschine ausgereicht. Heute geht man den nächsten Schritt und dezentralisiert auch die Intelligenz. Man hat nicht mehr eine SPS, die alle Aufgaben erledigt und dann das I/O-Abbild entsprechend abgleicht. Vielmehr reduziert man die Aufgabe in der zentralen SPS und geht von da aus auf intelligente Knoten, denen man ganz bestimmte Aufgaben gibt, z.B. ein ganzes Verdrahteportal. Das ist eine Inselfunktion, da geht was rein, da geht was raus, das macht ein intelligenter Knoten komplett. Die zentrale Steuerung will von dem Knoten nur hören, wenn etwas nicht funktioniert. So sehen im Prinzip die heutigen, modernen Automatisierungskonzepte. Das spricht auch für kleine hochperformante SPSen mit einer hohen Kommunikations­leistung. Durch die Dezentralisierung, also die Intelligenz vor Ort braucht man nicht die allerhöchste Rechenleistung, aber hohe Kommunikationsleis­tung. Wenn ein Ereignis eintritt, müssen alle Module, die zusammenspielen möglichst schnell die richtigen Informationen austauschen können. Dazu benötigt man natürlich eine Grundperformance, mit der die SPS die Kommunikation auch anstoßen und verarbeiten kann. Anders herum natürlich auch: Es nützt nichts, wenn die SPS sehr schnell ist und nach 10ms kommt dann die Information über den Bus, dass ein Fehler aufgetreten ist. Die SPS ist dann schon 20 oder 30 Zyklen weiter. Diese moderne Steuerungsarchitektur kommt der SPS sehr entgegen. Hier hat sie gegenüber dem Industrie-PC große Vorteile. SPS-MAGAZIN:Welche Rolle spielt die Performance und von welchen Faktoren wird diese Ihrer Meinung nach beeinflusst? Seel: Ich denke, die Performance von SPSen wird ganz grundsätzlich von zwei Einflüssen getrieben. Der erste Einfluss ist natürlich aus der PC-Welt kommend die Kommunikationsperformance. Ganz am Anfang gab es die normalen seriellen Schnittstellen mit 9.600KBaud, die jeder noch kennt. Dann war irgendwann bei 38KBaud Schluss, dann gab es jemanden, der hatte eine Schnittstelle, die bis 115 ging, dies wiederum wurde abgelöst von Ethernet mit 10MBaude. 10MBaude war ja über zehn Jahre hinweg der Standard. 1980 bis 1990 war das die berauschende Geschwindigkeit, mit der man Ethernet-Kommunikation betrieben hat. Und an diese Geschwindigkeitsplattformen hat sich die Automatisierungstechnik dann immer wieder angepasst. Eine Simatic S5 wurde mit einer seriellen Schnittstelle mit 9.600KBaude programmiert, später gab es die ers­ten Netzwerke, die mit 9.600KBaude Daten austauschen konnten. Die Übertragungsraten wurden allmählich gesteigert, um höhere Durchsätze zu erzielen. Aber das war immer ein bisschen getrieben von dem, was aus dem kommerziellen Markt an Produkten, an Chips, an Technologie zur Verfügung stand. Allgemein kann man wohl folgendes sagen: In den vergangenen vier Jahren hat sich der Performancegewinn, gerade im Step7 SPS-Segment, etwa verzehnfacht. Wir führen immer Benchmarks durch, mit denen wir testen, wo steht oder wo stand eine CPU 318, mit der wir uns messen, bzw. die für uns seinerzeit als Maß der Dinge galt. Was ist nachgekommen an normalen Microcontroller-basierenden SPS, was ist nachgekommen an Asic-basierenden Versionen, was ist nachgekommen an hochperformanten PC/IPC-basierenden Lösungen? Man kann sagen, dass in dem genannten Zeitraum von drei bis vier Jahren sich die Performance um den Faktor Zehn verbessert hat. Natürlich auch die Kommunikationsperformance. Im Jahr 2000 kam dann das Ethernetsystem mit 100MBaude auf, d.h. also, auch hier hat sich die reine Bruttodatenübertragungsrate verzehnfacht. Und damit kann man so angenehme Sachen wie Livebild-Übertragung oder ähnliches über das Ethernet sehr gut realisieren, was man bei 10MBaude noch nicht konnte. Bei 10MBaude war es immer sehr grenzwertig, ein Bild zu übertragen, man musste die Formate reduzieren, die Farbtiefen reduzieren usw., um einigermaßen vernünftige Bilder übertragen zu können und das sind natürlich die Ansprüche, die man heute an die Automatisierungstechnik stellt. SPS-MAGAZIN:Welche Entwicklungen sehen Sie gegenwärtig in der Steuerungstechnik? Seel: Eine der wichtigsten Einflüsse auch im Bereich der SPS bildet die Prozessortechnologie, mit den Geschwindigkeitsgewinnen auf Halbleiterbasis. Das war vor bald zehn Jahren für uns der wesentliche Grund einen eigenen SPS-Prozessor zu entwickeln. Ziel war es deutlich schneller zu sein als der Wettbewerb, aber auch technologisch ist das wichtig. Mit diesem Technologiesprung hat man zwei Dinge erreicht: Zum Ersten sorgt die moderne energiesparende Prozessortechnologie für geringe Erwärmung. Zum Anderen ist diese Technologie extrem schnell. Rein von der Taktzahl sind wir zwar verhältnismäßig langsam. Unsere Prozessoren arbeiten mit einer Frequenz von 48MHz bzw. 96MHz und verbrauchen maximal 2W. Damit kann man auch Anforderungen aus dem erweiterten Temperaturbereich problemlos abdecken. Eine unserer Zielsetzungen war es, die Performance einer SPS so weit zu bringen, dass man mit einem Sys­temtakt ein SPS-Befehl ausführen kann. Wenn man also von einer Prozessorfrequenz von 48MHz spricht, kann ein Befehl 48Mio. pro Sekunde ausgeführt werden. Wettbewerbsprodukte benötigen für einen SPS-Befehl z.B. zehn oder zwanzig Systemtakte. Darin liegt der enorme Vorteil, den wir mit dieser Entwicklung – SPS on Chip – erzielt haben. SPS-MAGAZIN:Zur SPS/IPC/Drives wird es neue SPS-Prozessoren von Profichip geben. Diese werden 7100 und 7200 heißen. Können Sie uns noch etwas mehr darüber sagen? Seel: Genau, die neue Generation heißt 7100 und 7200. Die zwei Basisprozessoren wird es jeweils in verschiedenen Versionen geben. Sie beinhalten zunächst einmal einen SPS-Kern, wie wir ihn heute schon in dem 7001 haben. Darüber hinaus beinhalten die Chips digitale Ein- und Ausgänge, Technologiefunktionen mit Zähler, Schrittmotorfunktionen, Pulsweitenmodulation usw., mit denen auch Analogtechnik und Antriebstechnik zur Verfügung steht. Das ist alles bereits verfügbar und wird auch in diesen neuen Bausteinen enthalten sein. In den neuen Chips haben wir mehrere Profibusmaster an Bord, wir haben CAN-Interfaces an Bord, wir haben Ethernet Interfaces an Bord für Echtzeitethernet. Darüber hinaus haben wir eine ganze Reihe Standardschnittstellen wie UART oder I2C an Bord, mit denen einfachere Kommunikationsaufgaben realisiert werden können. Und natürlich haben wir ein Peripherie-Interface integriert, mit dem auch noch externe Peripherie angeschlossen werden kann. SPS-MAGAZIN:Wird MPI auch in dem Chip enthalten sein? Seel: MPI ist ja eine Untermenge des Profibus. Wir haben konkret drei Profibus Master an Bord und einen Profibus Slave, der direkt in die Hardware integriert ist, der aus den heutigen bestehenden Profibus Slave-Modulen abgeleitet ist. Man spricht an dieser Stelle von einem Core. Das heißt der Profibus Slave, der VPC3+, ist, so wie er von der PNO zertifiziert wurde, in diesem Prozessor enthalten. Somit können alle Funktionen, die ein Slave-Modul realisieren würde, auch in diesem Prozessor realisiert werden. Ihn als reines Slave-System einzusetzen wäre natürlich verhältnismäßig teuer, denn der Baustein enthält für die kleinen, das sind die 7100-Lösungen, den gesamten SPS-Speicher. Der Baustein enthält 256KB SPS-Speicher bereits intern, sodass er die Leistungsanforderungen abdecken kann von einer Micro-SPS bis zu einer mitteleren SPS – wenn wir es mal im Siemens-Raster sehen, bis hin zur CPU 315. SPS-MAGAZIN:Wohin wird die Reise bei Vipa und Profichip geben? Seel: Die Kompetenz von Vipa ist zweifellos der Steuerungsbau. In dem Segment Step7-CPU wollen wir mit der Verfügbarkeit der Chips 7100 und 7200 alle bestehenden Vipa-Systeme 100V, 200V und 300V komplett auf Speed7-CPUs umstellen. Unterhalb des Systems 100 wird es eine neue Produktfamilie geben, das System Micro. Das System Micro umfasst einerseits IO-Peripherie, die auch mit heutigen modernen Kanälen ausgestattet ist – also Ethernetbasierte Kommunikation. Die Micro-SPS ist in die dezentrale Peripherie integriert. In einem Knoten-Gehäuse wird also eine SPS integriert sein, die der heutigen Leis­tungsfähigkeit einer oberen S7-300 entspricht. Dieses Produkt wird der Forderung des Marktes nach – wie wir es nennen – Scheibchen-IOs Rechnung tragen, die man sehr feingranular aufbauen kann. Wir haben uns zum Ziel gesetzt, dass das System etwa zur SPS/IPC/Drives 2008 vorgestellt werden und etwa ein halbes Jahr später serienreif sein soll. Der Chip selbst wird losgelöst von Vipa-Interessen als eigenständiges Produkt von Profichip vertrieben werden, und zwar als \“SPS für Jedermann\“, die für jede Art von Individualelektronik eingesetzt werden kann. Wenn man die Situation heute betrachtet, dann gibt es zahlreiche Embedded Plattformen, die den großen Nachteil haben, das sie entweder von einem Ingenieur programmiert werden müssen oder sehr aufwändig eine Soft-SPS installiert werden muss. Dieser Aufwand ist relativ hoch. Wir werden die Chips mit einem Software-Paket ausliefern, das den Kunden in den Stand versetzt seine Applikation wie eine SPS zu programmieren. Damit kann der Anwender seine Anwendung einfach mit Step7 programmieren. Zudem hat das noch den Vorteil, dass auch Kunden eines Dienstleisters bei Bedarf eigenständig in das Programm eingreifen können. Es ist doch sehr viel wahrscheinlicher, dass er jemanden hat, der Step7 programmieren kann, als jemanden, der Experte ist in C++ oder ähnliches. Dort wo Boardelektronik gebraucht wird, wollen wir den Leuten die Werkzeuge an die Hand geben und mit verhältnismäßig einfacher SPS-Technik eigenständig eine Boardelektronik realisieren. Dieses Produkt wird weltweit vertrieben. Ich denke, das wird einer der ganz wichtigen Meilensteine sein, auch dieses Step7 in der Art wie es heute existiert als Weltstandard zu etablieren. (kbn) Das Interview wurde im Juli 2007 bei Vipa in Herzogenaurach von Kai Binder geführt. SPS/IPC/DRIVES 2007: Halle 7, Stand 340