Die CX1000 Steuerung ist ein modularer Embedded-PC mit dem Betriebssystem Windows CE.NET. Dieses Betriebssystem eignet sich ideal für den Einsatz in Automatisierungsgeräten. Es zeichnet sich aus durch Echtzeitfähigkeit, Ausschaltfestigkeit und der einfachen Integration in vorhandenen EDV Strukturen. Das CE.NET Betriebssystem wurde vollständig in das .NET Konzept von Microsoft integriert. Die Entwicklungsumgebung Visual Studio.NET 2003 ermöglicht die Programmierung von Embedded-PC Anwendungen auf die gleiche Weise wie bei PC’s. Daher ist es nun möglich Visualisierungen für Embedded-PC’s mit einer produktiven Entwicklungsumgebung zu erstellen. Die Firma Beckhoff hat diese Vorteile erkannt und ihre Soft-SPS auf CE.NET portiert.

 Die Hardware des Demo Projektes Regelkreis-Simulator

Marktübersicht SPS Magazin März 2003

In der März 2003 Ausgabe des SPS Magazins wird eine Marktübersicht über die mittleren bis großen Steuerungen tabellarisch präsentiert. In der folgenden Tabelle sehen sie die Werte für die CX1000 und einer Steuerung mit sehr hohem Marktanteil der Siemens S7-400 mit CPU 412-2. Die vollständige Tabelle für alle Steuerungen finden sie im  SPS Magazin März 2003. 

Systemkosten

Die Systemkosten sind für die wichtigsten Komponenten aufgelistet. Eine vollständige Liste erhalten sie bei den Herstellern. Die Preise wurden den entsprechenden Katalogen entnommen. 

                Listenpreise Stand 03.2003 

Performance

Die Leistungsdaten der CX1000 liegen deutlich über der einer klassischen Steuerung. Der CX1000 benötigt für 1000 Bit Anweisungen 70µs (SPS Magazin 03/03). Dies entspricht etwa einem Drittel der Rechenzeit einer S7-400 (200µs SPS Magazin 03/03). Ein reales Programm besteht jedoch nicht nur aus Bit Anweisungen, sondern hat einen hohen Anteil an 32 Bit Variablen und Gleitpunktarithmetik. Diese wird von den S7-400 CPU’s, aufgrund nicht vorhandener "Floating Point Unit", sechsmal langsamer als Bit Anweisungen ausgeführt.

Feldbusanbindung

Neben den Standard Feldbussen DeviceNet, CANOpen, Profibus, Lightbus und SERCOS kann die Ethernet Schnittstelle als Ultra High Speed EtherCAT Feldbus verwendet werden. Die Update Zeit von 1000 E/A’s beträgt laut Beckhoff nur 30µs. Die flexible Verkabelung in Linien-, Stern- oder Baumstruktur mit Standard Ethernet Kabel CAT 5 macht EtherCAT zu einem universell einsetzbaren Feldbus.

Verfügbarkeit

Die CX1000 ist in der Verfügbarkeit bei den klassischen Steuerungen einzuordnen, da sie im Gegensatz zu PC’s keine rotierenden Teile hat. Das robuste echtzeitfähige Betriebssystem Windows CE.NET verbindet die Möglichkeiten die ein modernes Betriebssystem bietet mit den Anforderungen einer Steuerung im industriellen Einsatz wie Ausschaltfestigkeit, Echtzeitfähigkeit und kurze Boot-Zeiten.  

Software Entwicklungskosten

Steuerung

Software Entwicklungskosten in Abhängigkeit des Automatisierungsgerätes hängen in der Regel von 2 Faktoren ab. Der Produktivität der Entwicklungsumgebung und der Produktivität der Programmiersprache. Die Entwicklungsumgebung kann auch bei optimaler Gestaltung nur bis zu den Grenzen des Automatisierungsgerätes verbessert werden. Diese Systemgrenzen sind z.B. die Prozessorleistung, der Arbeitsspeicher und die Kommunikationsgeschwindigkeit zwischen Entwicklungsumgebung und Automatisierungsgerät. Die Produktivität der Entwicklungsumgebung hängt somit von dem optimalen Steuerungskonzept ab. Da es eine sehr hohe Innovationsgeschwindigkeit bei den Prozessoren und der ergänzenden Peripherie gibt, kann nur ein hardwareunabhängiges Steuerungskonzept optimal sein. Microsoft hat diese Erkenntnis in Form des .NET Konzeptes zum Ausdruck gebracht. Die Soft-SPS’en profitieren somit automatisch, im Gegensatz zu konventionellen Steuerungen, von jeder Innovation bei der Hardware.  

Die Wahl der Programmiersprache für das Automatisierungsgerätes wurde in der Vergangenheit oft durch den sehr knapp bemessenen Arbeitsspeicher und der geringen Prozessorleistung bestimmt. Daher mussten die Steuerungsprogramme hardwareabhängig für jede Generation von Automatisierungsgeräten neu entwickelt werden. Die Kosten für einen 64MB Compact Flash Speicher sind bereits unter 30 € gefallen. Es besteht somit keine Notwendigkeit mehr hardwareabhängig zu programmieren. Die PLC Open Organisation hat 5 hardwareunabhängige Sprachen in der Norm IEC 61131-3 definiert. Mitglieder dieser Organisation sind alle führenden SPS Hersteller wie Beckhoff, Siemens und Allen Bradley. Die optimale Programmiersprache sollte neben der Produktivität und Hardwareunabhängigkeit, auch portabel zwischen den SPS Systemen sein. Diese Anforderungen werden nur von Strukturiertem Text (ST) erfüllt.

Visualisierung

Das .NET Konzept von Microsoft ermöglicht die Entwicklung von Windows Programmen für CE.NET auf die gleiche Weise wie für Windows XP. Dies wurde realisiert durch ein hardwareunabhängiges Konzept. Der .NET Compact Framework besteht aus einem Subset von Klassen und Funktionen des .NET Frameworks für PC’s. Somit können die Windows Programme die  für den .NET Compact Framework geschrieben wurden auch auf den .NET Framework portiert werden. Die durchgängige Programmierung für PC und Embedded-PC ermöglicht eine hohe Flexibilität bei der Auswahl der Hardware. Die Programme können mit Microsoft Visual Studio.NET 2003 entwickelt werden. Einer Entwicklungsumgebung, die von mehr als 4 Millionen Programmierern verwendet wird. Besonders vorteilhaft sind diese Visualisierungen, wenn niedrige Systemkosten gefordert sind, da keine Laufzeitlizenzen benötigt werden.

Abb..: Architektur eines AG mit .NET Compact Framework

 Wartung und Reparatur

Die einfache Handhabung einer Steuerung ist ein entscheidender Kostenfaktor. Maschinenausfallzeiten und die Kosten für eine Systemwiederherstellung nach einem Hardware Defekt sind zu berücksichtigen. Die CX1000 verfügt über einen Compact Flash Typ II Einschub mit Auswurfmechanik. Das Steuerungsprogramm, die Konfigurationseinstellungen, sowie das Visualisierungsprogramm sind auf dem Compact Flash gespeichert. Um ein System nach einem Hardware Defekt des CX1000 wieder herzustellen, muss lediglich der Compact Flash von der alten in die neue Steuerung umgesteckt werden. Für den Fall eines defekten Compact Flash (ca. 30 €) kann eine Sicherheitskopie mit handelsüblichen USB Lese/Schreibgeräten (ca. 50€) erstellt werden. Hierfür wird kein Steuerungsspezialist benötigt. Viele Systeme müssen im Laufe der Zeit an neue Anforderungen angepasst werden. Ein Update der Steuerungssoftware kann nach obig beschriebenem Verfahren durchgeführt werden oder per Fernzugriff von dem Hersteller der Software geändert werden.

Fernzugriff auf Steuerung

VPN-Client

Das Betriebssystem CE.NET 4.2 bietet die Möglichkeit einer sicheren Virtual Private Network (VPN) Verbindung für Fernzugriffe über Internet oder einer Telefonleitung. Es wird hierfür das Layer Two Protokol (L2TP) / IP Security Protokol (IPSec) verwendet. Dieser Standard wird bereits von vielen Unternehmen verwendet um den Mitarbeitern einen Fernzugriff auf das Firmennetzwerk zu ermöglichen. Der Fernzugriffe über das Internet hat gegenüber der Telefonleitung den Vorteil der höheren Übertragungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig geringeren Kosten. Diese hohe Bandbreite ermöglicht ein sehr gutes beobachten, bedienen und programmieren der Steuerung aus der Ferne. Die CX1000 ist vor unbefugtem Zugriff durch mehrere Mechanismen geschützt, so dass nach dem heutigen Stand der Technik ein unautorisierter Zugriff nahezu unmöglich ist. Der Bediener vor Ort kann zusätzlich die Verbindung zum Internet oder der Telefonleitung über einen Schalter hardwaremäßig trennen. Dadurch wird gewährleistet, dass kein unbefugter Zugriff stattfinden kann.  

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