Systemübersicht
Das System
Mit den Embedded-PCs der Serie CX hat Beckhoff PC-Technik und modulare I/O-Ebene als Einheit auf die Hutschiene im Schaltschrank gebracht. Der CX1020 erweitert die CX-Produktfamilie um eine Variante mit höherer CPU-Leistung. Der CX1020 ermöglicht den direkten Anschluss der Busklemmen und der EtherCAT-Klemmen.
Verglichen mit dem CX1000, der über einen AMD-Geode mit 266 MHz verfügt, kann der CX1020 mit einer Intel® CPU aufwarten, die mit 1 GHz getaktet ist. Es handelt sich um eine stromsparende Variante, die mit niedriger Core-Spannung ULV (Ultra Low Voltage) arbeitet und mit lediglich 7 W TDP (Thermal Design Power) eine niedrige thermische Verlustleistung hat. Das hat zur Folge, dass selbst in dem kleinen Formfaktor des CX1020-Embedded-PC auf einen Lüfter verzichtet werden kann. Da als Boot- und Speichermedium Compact-Flash zum Einsatz kommt, sind keine rotierenden Medien in der Steuerung verbaut – ein wichtiger Aspekt zur Erhöhung der MTBF (Mean Time Between Failures) des Gesamtsystems.
Der CX1030 ist mit seinem Intel® Pentium® M Prozessor, der mit 1.8 GHz getaktet ist, ist er das schnellste Mitglied der CX-Familie. Um einen reibungslosen Betrieb in industriellen Umgebungen zu gewährleisten, verfügt der CX1030 über eine aktive Kühlung. Die Lüfterkassette kann einfach, ohne Werkzeug ausgetauscht werden.
Das Gehäuse- und Montagekonzept des CX10x0 gleicht dem seines kleineren Bruders CX1000:
Wie dieser besteht er aus mehreren, vom Benutzer zusammensteckbaren Komponenten – im einfachsten Fall dem CPU-Modul und dem multifunktionalen Netzteil. Die Verbindung dazwischen, sowie zu allen anderen CX-Komponenten, erfolgt über den PC104-Bus, der beim CX1020 jedoch um EtherCAT-Signale erweitert wurde. Das CPU-Grundmodul bringt als Grundausstattung zwei RJ-45-Buchsen mit, hinter denen sich ein integrierter 3-Port-Switch befindet. Das bedeutet in der Praxis häufig die Einsparung eines separaten Switches, da eine Linientopologie bequem aufgebaut werden kann:
Zum Beispiel in der Gebäudeinstallation, wenn pro Etage mehrere Raumsteuerungen verteilt werden, die sonst untereinander in einer Sterntopologie vernetzt werden müssten.
Analog zum CX1000 können auch beim CX10x0 optionale Systemschnittstellen hinzugefügt werden. Es stehen ein DVI-I ( = DVI-D + VGA )-Ausgang, zwei USB-2.0-Schnittstellen, bis zu vier RS232-Schnittstellen sowie Audio zur Verfügung. Die vier optoentkoppelten RS232-Schnittstellen können wahlweise auch als RS422/RS485 ausgeführt werden.
Die gleiche Wiederverwendbarkeit gilt auch für die multifunktionalen Netzteile(CX1100-000x) des CX1020: eines ohne I/O-Klemmenanschluss, eines mit K-Bus-Anschluss, eines mit K-Bus- und IP-Link-Anschluss für IP-67-geschützte Feldbus-Box-Module und ein Netzteil mit direkter Anschlussmöglichkeit der Beckhoff EtherCAT-Klemmen.
EtherCAT als schnelles I/O-System
Der Embedded-PC CX1020 wurde in Hinblick auf das optimierte Zusammenspiel mit EtherCAT entwickelt. Die zwei Ethernet-Schnittstellen des CPU-Moduls, sind nicht primär für den EtherCAT-Betrieb gedacht. Der EtherCAT-Anschluss erfolgt über die EtherCAT Verlängerungsklemme EK1110 (EtherCAT).
Interessanterweise ergeben sich durch EtherCAT mehrere Möglichkeiten, die klassischen Feldbussysteme an den CX1020 anzuschließen:
Entweder als CX1500-Baugruppe direkt an der CPU oder als EtherCAT-Teilnehmer in Klemmenform. Beispielsweise gibt es den PROFIBUS-Master entweder als CX1500-M310 oder als EtherCAT-Klemme EL6731. Es gibt keine Funktionseinbußen zwischen den beiden Ausführungen; beide haben die gleichen Leistungsmerkmale – z. B. unterstützen beide PROFIBUS-DP-V2. Praktisch kann der PROFIBUS-Master genau da an der Maschine angebracht werden, wo er benötigt wird. Es muss also nicht mehr unbedingt die Steckkarte im IPC oder die Mastersteuerung im Schaltschrank sein.
SPS, Motion Control, Interpolation und Visualisierung
Als IPC auf der Hutschiene hat der CX1020, im Zusammenspiel mit der Beckhoff-TwinCAT-Software, die Funktionalität großer Industrie-PCs. Im Bereich SPS können bis zu vier virtuelle IEC 61131-CPUs, mit jeweils bis zu vier Tasks, programmiert werden; die kürzest einstellbare Zykluszeit beträgt 50 μs. Alle IEC 61131-3-Sprachen sind nutzbar.
Ebenso stehen alle Funktionalitäten von TwinCAT für den Bereich Motion Control zur Verfügung:
Es können theoretisch bis zu 256 Achsen angesteuert und neben einfachen Punkt-zu-Punkt-Bewegungen auch komplexere Mehrachsfunktionen, wie „Elektronisches Getriebe“, „Kurvenscheibe“ und „Fliegende Säge“ ausgeführt werden. Im Unterschied zum CX1000 kann der CX1020, dank gestiegener CPU-Leistung, nun auch interpolierende 3D-Bahnbewegungen ausführen und DIN66025-Programme abarbeiten.
Neben den in Echtzeit ausgeführten Steuerungsaufgaben sorgt die Verwaltung im TwinCAT-Echtzeitkern dafür, dass genügend Zeit für die Benutzeroberfläche (HMI) bleibt, die über Softwareschnittstellen, wie ADS oder OPC, mit den Echtzeitanteilen kommuniziert.
Auch bei CX1020 gilt der Grundsatz: ein Programmierwerkzeug für alle Steuerungen.
Die gesamte Programmierung von SPS, Motion Control und Visualisierung ist auf alle PC-Steuerungen von Beckhoff übertragbar – beruhigend, falls sich während des Projekts herausstellt, dass es dann doch mehr Rechenleistung benötigt wird. In diesem Fall kann auf ein System mit mehr Leistung zurück gegriffen werden.
CPU Grundmodul
An das CPU-Grundmodul können weitere Systemschnittstellen sowie Feldbusanschaltungen angefügt werden. Für die Spannungsversorgung des CPU-Moduls wird eines der Netzteilmodule des Typs CX1100 benötigt.
Alle Feldbusmodule CX1500 sowie alle Netzteile CX1100 der CX1000-Serie können in Kombination mit CX1020 eingesetzt werden.
Mit dem Netzteil CX1100-0004 besteht beim CX1020 eine direkte Anbindung an die EtherCAT-Klemmen. Die Kombination aus CX1020, EtherCAT und TwinCAT ermöglicht Zyklus- und Reaktionszeiten unterhalb einer Millisekunde.
Das CPU-Modul ist in mehreren Varianten erhältlich. Diese betreffen:
- Den internen Speicherausbau: Hier gibt es drei Möglichkeiten – entweder 64 MByte Flash/256 MByte DDR RAM (Standard) oder 512 MByte RAM bzw. 1GByte RAM.
- Die Ausstattung mit Systemschnittstellen: Als Option können zu der immer vorhandenen Kombination aus zwei Ethernet RJ-45 Schnittstellen auch DVI und zwei USB Schnittstellen hinzugefügt werden.
- Die Betriebssystemausstattung: Es kann gewählt werden zwischen "Microsoft Windows CE.NET" sowie "Microsoft Windows XP Embedded".
- Die vorinstallierte TwinCAT Software: CX1020 kann ohne TwinCAT System, mit TwinCAT CE PLC, TwinCAT CE NC PTP oder TwinCAT CE NCI ,oder mit den entsprechenden Vollversionen der einzelnen TwinCAT Level für SPS und Motion Control vorinstalliert werden.
Systemschnittstellen
Getrennt bestellbar sind weitere Systemschnittstellen für serielle Kommunikation (2x RS 232 sowie RS422, RS485), 2 x USB 2.0 Schnittstellen, Videoausgang (DVI +) , CF-Kartenleser/-schreiber und Audiosignale.
Feldbusschnittstellen
Alle Feldbusmodule CX1500 sowie alle Netzteile CX1100 der CX1000-Serie können in Kombination mit CX1020 eingesetzt werden.
Die Feldbusschnittstellen sind derzeit als Master und Slave-Feldbusanschaltungen für folgende Feldbusse erhältlich:
Beckhoff Lightbus, Profibus DP, CANopen, DeviceNet und SERCOS Interface (nur Master)
Die Master-Feldbusanschaltungen ermöglichen dem CX1020 System die Nutzung der Beckhoff Feldbuskomponenten (wie Buskoppler, Busklemmen Controller und Antriebstechnik) als dezentrale Steuerungskomponenten für die Aufbau komplexer Anlagen.
Die Slave-Feldbusanschaltungen ermöglichen die Nutzung des CX10x0 Systems als unterlagerte dezentrale Steuerung für den Aufbau komplexer oder modularer Anlagen.
Hinweis:
Die Dokumentation der Feldbusanschaltungen ist separat erhältlich.
Die Software
In Kombination mit der Automatisierungssoftware TwinCAT wird der Industrie-PC CX1020 zu einer leistungsfähigen IEC 61131-3 SPS mit bis zu vier Anwendertasks. Zusätzlich können auch Motion Control Aufgaben ausführt werden. Je nach erforderlicher Abtastzeit ist die Ansteuerung von mehreren Servoachsen möglich, wobei selbst Sonderfunktionen wie Fliegende Säge, Elektronisches Getriebe und Kurvenscheibe realisierbar sind.
Die Programmierung des CX1020 Systems erfolgt in der für Buskontroller üblichen Weise:
Remote Programmierung über Ethernet
Dies ist der Fall, wenn die Basiseinheit mit "Windows CE.NET" ausgestattet wird. Dann erfolgt die Programmierung über ein Laptop oder einen Desktop-PC, der über Ethernet (Netzwerk oder Crossover-Cable) mit dem CX1020 verbunden ist. Die Programme werden mit einer Standard TwinCAT Softwarelizenz auf dem Laptop entwickelt und dann in das Zielgerät geladen.
Visualisierung
Bei beiden Betriebssystemvarianten "Windows CE.NET" bzw. "Windows XP Embedded" steht für die Anbindung an SCADA-Pakete der Beckhoff OPC Server zur Verfügung. Somit gilt auch für den CX1020: Problemlos Visualisieren und gleichzeitiges Steuern in Echtzeit auf einem System.