Unmittelbar auf die Systeme der Automatisierungstechnik wirken sich die Fortschritte im Bauelemente-Sektor aus. Zusammen mit Standardisierungs- und Normungsbestrebungen führen die Chip-Entwicklungen zu neuen Architekturen der Automatisierungssysteme. Werner Ammon diskutiert Folgerungen daraus und legt dabei den Schwerpunkt (entsprechend den Aktivitäten der AEG) auf die Automatisierungssysteme und die Kommunikation mit seriellen Bussen.
Die industrielle Elektronik wird heute überwiegend noch von der 16-Bit-Technik beherrscht. Hochleistungsprozessoren wie Intel 80286 oder Motorola 68010 kennzeichnen diese Ära. Die Packungsdichte bei diesen Prozessorchips liegt bei 200000 bis 400000 Transistorfunktionen pro Chip. Taktfrequenzen von etwa 10 Megahertz und Verarbeitungsleitungen von 0,5 bis 1 Mips (Millionen Instruktionen pro Sekunde) sind erreicht. Leistungsmerkmale und Funktionalität nähern sich stark den Leistungsdaten der klassischen Prozeßrechner.
Weitere erreichbare Dichtesteigerungen durch Verringerung der inneren Bauelemente-Abmessungen und Leiterbahnstärken können bei den Prozessorchips für integrierte interne Speicher und interne Speicherverwaltung, DMA-Kanäle, Busanschlüsse auch für die Möglichkeit, auf 32-Bit-Verarbeitungsbreite überzugehen, ausgenutzt werden. In diese Richtung gehen die 32-Bit-Prozessoren wie Intel 80386 und Motorola 68020. Gleichzeitig mit der Dichtesteigerung erhöht sich auch die mögliche Taktfrequenz auf 20 Megahertz und mehr.
Der komplexe und komfortable innere Aufbau moderner Prozessoren, verbunden mit höheren Taktfrequenzen, führt zur weiteren Verkürzung der Befehlsarbeitszeiten und damit zur Erhöhung der Verarbeitungsleistungen in der Größenordnung von 5 bis 10 Mips. Spezialprozessoren für Gleitpunktoperationen bringen, wenn sie als Koprozessoren eingesetzt werden, eine immense Steigerung in der Bearbeitungsgeschwindigkeit mathematischer Routinen, zum Beispiel bei Regelungsalgorithmen. Andere Prozessoren enthalten außer der arithmetischen Einheit noch Zusatzfunktionen, wie etwa Anschlüsse für Busse. Bei den Halbleiterspeichern sind die 1-MBit- und 4-MBit-Chips in Sicht.
Beträchtliche Steigerung in der Funktionalität
Die 32-Bit-Technik wird noch eine beträchtliche Steigerung an Leistung und Funktionalität bringen. Die zunehmende Komplexität der Automatisierungsaufgaben beinhalten auch eine steigende Zahl von zu bearbeitenden Meßgrößen und Variablen. Auf dem Gebiet der Peripheriegeräte sind zwei Entwicklungen zu beobachten:
* Das Festlegen eines Standardperipherie-Busses.
* Die Integration der Gerätecontroller in das Peripheriegerät, das damit unmittelbar an den Peripheriebus angeschlossen werden kann. Massenspeicher haben inzwischen viel mehr Speichervolumen als früher und sind auf Bruchteile des früheren Bauvolumens geschrumpft
* Standard sind 5 1/4-Zoll- und 3 1/2-Zoll-Hard-Disk-Plattenspeicher mit Speichervolumina von 10 MB bis 300 MB. Hohe Schockbelastbarkeit macht diese Massenspeicher auch vor Ort einsetzbar.
* 5 1/4-Zoll- und 3 1/2-Zoll-Floppy-Disk-Drives haben sich durchgesetzt.
* Außerdem kommt in Form der "optical disk" gerade ein weiteres Speichermedium auf den Markt, das für größte Zahl von Speicherplätzen (Gigabytes) und/oder das Abspeichern von Sprach-Videoinformationen, wie sie über die Breitbandkommunikation kommen, geeignet erscheint.
Bei den Videosystemen sind Plasmabildschirme für Kompaktaufbau und für schnellen Bildwechsel sowie hochauflösende Bildröhren (derzeit 1000 mal 1000 Bildpunkte) für Grafikdarstellungen an der Einführungsschwelle. Sprachein- und -ausgabe werden künftig den Bediener wesentlich unterstützen. Mit der neuesten Generation der 16-Bit-Technik, den preiswerten Halbleiterspeichern und den bemerkenswerten Fortschritten bei rotierenden Speichern überwand auch der Personal Computer die letzten Hürden für eine weite Verbreitung.
Hand in Hand mit der Entwicklung moderner Prozessoren und anderer Halbleiterelemente ging und geht die Entwicklung leistungsfähiger Parallelbus-Systeme. Hier bilden sich jetzt am Markt quasi herstellerneutrale Standards heraus, von denen nach Auffassung der AEG der VME-Bus von Motorola und der Multibus II von Intel mit Abstand vor anderen das Rennen machen werden. Ferner entwickeln sich Standard-Betriebssysteme oder zumindest Standard-Schnittstellen für die Benutzer. Die Aufbautechnik (Kartenformate) läuft eindeutig in Richtung Europaformat.
Die Folge davon ist, daß viele Hersteller alle möglichen Ergänzungen zu den Standard-CPUs entwickeln und anbieten können, vor allem Controller für Peripheriegeräte, aber auch Bausteine beispielsweise für Sprachein- und -ausgabe, Grafikcontroller oder Peripherie-Bausteine wie A/D-Wandler. Der Kauf von Hardwarekomponenten und Standard-Betriebssystemen löst in beträchtlichem Umfang die früher üblichen Eigenentwicklungen ab. Das Baukastensystem ist da und wird weiter ausgebaut.
Die Hersteller von Automatisierungsausrüstungen werden - mit einigen Ausnahmen zum Beispiel auf dem EA-Sektor - die Wertschöpfung nicht mehr so sehr in der Entwicklung der einzelnen Komponenten haben. Statt dessen werden Schwerpunkte in der sogenannten Systemleistung gebildet. Hierzu zählen die Funktionen zur möglichst effizienten Vernetzung der einzelnen Geräte zu einem System und die Leistungen zur Projektierung, zur Programmierung und zum Betrieb solcher Systeme.
Mit steigender Leistungsfähigkeit der Prozessorsysteme nimmt auch die Bedeutung eines leistungsfähigen Systems für den Transport der Prozeßdaten von der Stelle, an der sie anfallen, zu der, an der sie zusätzlich benötigt werden, zu. So wie der Parallelbus das Rückgrat eines komplexen Gerätes ist, stellen für den Transport der Prozeßdaten serielle Busse und die Local Area Networks (LANs) die Seele eines Automatisierungssystems dar. Die in den letzten Jahren vollzogene Anhebung der Übertragungsgeschwindigkeiten und die derzeit laufenden Entwicklungen und Standardisierungen revolutionieren den Kommunikationssektor und prägen entscheidend die Struktur zukünftiger Automatisierungssysteme.
Die Übertragungsgeschwindigkeiten für serielle Hochleistungsbusse liegen inzwischen bei 5 bis 10 Megabit pro Sekunde mit weiterhin steigender Tendenz: 50 bis 100 Megabit pro Sekunde werden angestrebt (FDDI-Entwicklung, ISDN der Bundespost). Inzwischen sind drei Verfahren zur Buszuteilung grundlegend eingeführt: IEEE 802.3 Ethernet als kollisionsbehafteter Buszugriff (CSMA/CD); IEEE 802.4 Token Passing für Industriebusse; IEEE 802.5 Token Ring.
In Zukunft wird vor allem der Lichtleiter das Übertragungsmedium sein, das hohe Bandbreiten zuläßt und gegen elektrische Störungen unempfindlich ist. Während die Industrie bisher vornehmlich Schmalband-Netze verwendet, auf denen nur Rechnerinformationen übertragen wurden, hat jetzt auch die Diskussion um Breitbandnetze eingesetzt. Mit diesen können neben den Rechnerinformationen auch Sprache und Video mitübertragen werden. Es gibt bereits eine ganze Reihe solcher Netze, die allerdings entsprechend teure "Anschlußklemmen" der Geräte an den Bus haben.
Wesentlich für zukünftige Systembusse ist neben der Geschwindigkeit das vereinbarte Übertragungsprotokoll. Auf der Basis des ISO/OSI-Schichtenmodells werden erhebliche Anstrengungen zur Standardisierung gemacht. Für industrielle Automatisierungssysteme arbeitet hieran unter dem Arbeitsnamen MAP (Manufacturing Automation Protocol) und unter Führung von General Motors eine inzwischen weltweite starke Gefolgschaft zahlreicher Hersteller- und Anwenderfirmen.
Wird fortgesetzt
Dr.-lng. Werner Ammon ist Leiter der Abteilung Systemtechnik im Geschäftsbereich Automatisierungssysteme der AEG, Frankfurt. Der Artikel ist eine gekürzte Fassung eines Referates auf dem 21. Technischen Presse-Colloquium 1986.