Industrietaugliche PC-Technik Mainboard lenkt Roboter im Dauereinsatz unter Extrembedingungen

Für die PC-basierte Echtzeit-Steuerung ihrer Roboter benötigt KUKA eine extrem stabile Plattform. Besonders wichtig für den weltweit drittgrößten Hersteller von Industrierobotern ist eine gesicherte Verfügbarkeit der Komponenten, da eine Produktlebensdauer von bis zu sieben Jahren garantiert sein muss. Gemeinsam mit Fujitsu Siemens Computers wurde basierend auf einem Workstation-Motherboard eine Lösung entwickelt.

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KUKA Roboter ist mit rund 2000 Mitarbeitern in weltweit mehr als 25 Niederlassungen und einem Umsatz von 400 Millionen Euro Europas führender Anbieter von Industrierobotern. Die hoch entwickelten Maschinen werden hauptsächlich in der Automobilindustrie und für die Metallverarbeitung eingesetzt. Zu den Kunden zählen BMW, Daimler, Ford sowie die Volkswagen-Gruppe.

Bereits 1974 brachte das in Augsburg ansässige Unternehmen den weltweit ersten elektrisch getriebenen und per Mikroprozessor gesteuerten Industrieroboter auf den Markt. Über zwei Jahrzehnte lang hat sich dieses Produkt am Markt bewährt und der KUKA auch international einen ausgezeichneten Ruf auf dem Gebiet der Fabrikautomatisierung verschafft.

Ein Quantensprung in der Entwicklung der Industrieroboter gelang der Robot Group dann 1996, als sie die weltweit erste, vollständig auf Windows-Oberfläche basierende Steuerung für Industrieroboter auf den Markt brachte. Basierend auf einer Technologie, mit der Millionen Menschen tagtäglich arbeiten, verband die KR-C1-Steuerung einfache Handhabung und hohe Flexibilität auf der einen Seite mit höchster Qualität, Leistungsfähigkeit und Komplexität auf der anderen.

KUKA Roboter war der weltweit erste Roboterhersteller, der sich von einer herstellerspezifischen Steuerung abwandte und seinen Anwendern ein vereinheitlichtes Standardkonzept auf PC-Basis bot. Als Plattform dafür dienten Standardkomponenten, die entsprechend qualifiziert und in eigens konstruierten KUKA-Gehäusen verbaut wurden.

Mainboard im Dauereinsatz unter Extrembedingungen

Im Bereich Mainboards kamen hauptsächlich Lösungen asiatischer Hersteller zum Einsatz. „Die Qualifizierung der Boards, und der Hersteller war entsprechend zeit- und kostenintensiv“, erinnert sich Josef Leibinger, Leiter Materialgruppenmanagement Elektrik. Deshalb begannen die Verantwortlichen bei KUKA im Jahr 2004 damit, sich nach Alternativen umzusehen.

„Die Hochleistungsplattform muss für unsere Zwecke für einen ungewöhnlich langen Zeitraum, nämlich für fünf bis sieben Jahre, zur Verfügung stehen, und zwar ohne Umorganisation, Neuqualifizierung oder Modifizierung“, erläutert Leibinger. Spezielle Anforderungen gab es auch an die zentrale Komponente der Steuerung – das Mainboard: Neben der garantierten Verfügbarkeit aller Einzelkomponenten war eine verlässliche und extrem stabile Funktion aller Systeme unter rauen und anspruchsvollen Fertigungsbedingungen unverzichtbar.

Steuerungen sind rund um die Uhr bei Temperaturen bis 45°C im Einsatz

„Unsere Steuerungssysteme müssen 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche bei Umgebungstemperaturen bis 45°C arbeiten und eine siebenjährige Betriebsdauer durchhalten können“, erklärt Josef Leibinger. „Wir suchten also erstklassige, standardisierte, hochwertige Motherboards für ein Industrieprodukt, das rund um die Uhr extremen Situationen und einer rauen Umgebung ausgesetzt ist, denn Ausfallzeiten sind für unsere Kunden schlichtweg inakzeptabel.“

In einer mehrmonatigen Testphase wurden die Lösungen von vier verschiedenen Herstellern getestet, wobei es nicht nur auf die Materialqualität der Bauteile ankam, sondern auch darauf, inwieweit die Komponenten mit bereits vorhandenen Steuerungsvarianten kompatibel waren. „Unsere Benchmark-Programme geben bestimmte Werte aus, anhand derer wir auswerten, wie gut die Mainboards unsere Software abarbeiten“, so Leibinger. Vor allem ging es bei diesen Tests um Reaktionszeiten bei der Abarbeitung (Bahnplanung, Grafikausgabe, Netzwerkkommunikation, Serielle Schnittstellenkommunikation) und die Zugriffsgeschwindigkeit auf Speicher oder PCI-Karten (Sensorik, Feldbusse, Inputs/Outputs). „Neben der Performance spielten dann natürlich auch Faktoren wie gleich bleibend hohe Qualität, garantierte Lieferfähigkeit und der Preis eine Rolle“, erläutert Leibinger die finalen Auswahlkriterien.

KUKA Roboter werden mit Motherboards von Fujitsu Siemens gesteuert

Nach acht Monaten Testphase entschied sich KUKA für das Motherboard D1688-K von Fujitsu Siemens Computers. „Für uns ist das ganze System von der Qualität des Motherboards über den Chipsatz bis zur Platine wichtig. Um sicherzustellen, dass wir ein standardisiertes Produkt konstruieren können, brauchen wir ein erstklassiges, in großer Stückzahl produziertes Motherboard, das exakt auf unsere Anforderungen zugeschnitten ist“, erklärt Josef Leibinger.

Für Peter Hoser, Director OEM Sales Fujitsu Siemens Computers GmbH, war die Entwicklung einer Embedded-Lösung für KUKA eine äußerst anspruchsvolle Herausforderung. „Wegen der speziellen Anforderungen in der verarbeitenden Industrie und der unterschiedlichen Betriebsbedingungen, auf die KUKA bei seinen Kunden eingehen muss, war ein Motherboard mit hoher Qualität notwendig, das bei außergewöhnlich langem Betrieb ohne Ausfälle funktioniert und gleichzeitig vollständig mit einer Vielzahl von Vorgängersystemen kompatibel ist.“

Besonders interessant für beide Seiten, so Leibinger, war der Unterschied zu den herkömmlichen Anforderungen an die Mainboards: „Das übliche Motto der PC-Branche ‚Höher, schneller, bunter’ war diesmal völlig nebensächlich. Für uns ging es um andere Prioritäten. Wir brauchten zuverlässige Komponenten mit möglichst hoher Lebensdauer. Bei Taktfrequenz, Speicherausbau usw. sind unsere Anforderungen – gemessen am übrigen PC-Markt – eher bescheiden.“

Unterstützung für Embedded-Windows XP und das VxWorks-Betriebssystem

Für Fujitsu Siemens Computers bestand die Aufgabe also darin, eine spezielle Konfiguration mit Priorität auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei moderaten Anforderungen an die technische Performance zu entwickeln. „KUKA benötigte die Unterstützung für Embedded-Windows XP und das VxWorks-Betriebssystem, welche eine vertraute und bedienungsfreundliche Umgebung für die Programmierung und die zuverlässige Interaktion mit dem Roboter sicherstellen“, so Hoser.

„Für Industriekunden kann die Einbindung und Validierung von Versionsänderungen kostspielig und zudem äußerst zeitaufwändig sein – stabile Gerätestände sind deshalb für KUKA unverzichtbar. Außerdem sollte der Netzwerkchip nach Möglichkeit auf dem Motherboard integriert werden und eine Bandbreite von 1 GBit/s liefern. Gerade für eine Echtzeit-Steuerung eines Roboters sind erhöhte Anforderungen an die Signal-Qualität und Latenz-Zeiten (Verzögerungen von Signalpegeln) gestellt, welche weit über die Spezifikation für Standard-Desktop-Systeme hinausgehen.“

Dafür zu sorgen, dass die ausgewählten CPUs und Chipsätze mit den Systemen der Kunden kompatibel sind, bedeuten für KUKA eine immense Investition in Forschung und Entwicklung. Etwaige Änderungen während der Produktlebensdauer würden das Ansehen und das Geschäft des Unternehmens in Gefahr bringen.

Stabilität und Dauerhaftigkeit haben Priorität

Die mit Intel-Technik bestückte Komponentenplattform ist Teil einer langfristigen Roadmap für Embedded-Produkte-Stabilität und Dauerhaftigkeit der Plattform sind also gewährleistet. „Für KUKA hatte nicht modernste Technik die höchste Priorität, sondern die Zuverlässigkeit während der gesamten Nutzungsdauer sowie die langfristige Verfügbarkeit von entscheidenden Komponenten“, erklärt Peter Hoser.

„Fujitsu Siemens Computers unternimmt alle Anstrengungen, dies für KUKA sicherzustellen. Fertigungsqualität made in Germany, der Einsatz hochwertiger und langfristig verfügbarer Komponenten, ein konsequenter Roadmap- und Revisions-Prozess sowie die Zuverlässigkeit eines etablierten deutschen Unternehmens sind wesentliche Faktoren für die erfolgreiche Zusammenarbeit beider Unternehmen.“

Erfolgsfaktor - räumliche Nähe zum Projektpartner

Neben der langjährigen Entwicklungserfahrung und Fujitsu Siemens’ umfassender Systemkompetenz sieht KUKA-Verantwortlicher Leibinger auch die räumliche Nähe zum Partner als entscheidenden Vorteil: „Die Forschungs- und Entwicklungsabteilungen sowie die Fertigung sitzen bei Fujitsu Siemens Computers in Augsburg genau wie unser Unternehmen. Die technische Kompetenz am heimischen Standort erleichtert kurzfristige technische Modifikationen der Mainboards.“

Ausblick: Seit Januar 2005 arbeitet die aktuelle Generation von KUKA-Steuerungen nun mit den Mainboards von Fujitsu Siemens Computers. „Notwendige Modifikationen wurden schnell umgesetzt, wir konnten das gesamte Verbesserungspotenzial ausschöpfen, was besonders in der Anlaufphase enorm hilfreich war“, erinnert sich Josef Leibinger. Standardmäßig steht alle zwei Jahre eine Überarbeitung der Steuerungstechnik an – für Fujitsu Siemens Computers eine neue Herausforderung.

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