IPC mit neuer Prozessorgeneration Mit Embedded-Modulen zum intelligenten Montageplatz

Von Harald Maier*

Egal, ob beim Erlernen notwendiger Arbeitsschritte oder der Inspektion und Dokumentation in Echtzeit – mithilfe integrierter optischer Inspektions- und Coaching-Systeme optimieren intelligente Montageplätze den kompletten Prozess. Allerdings erfordert dies eine leistungsstarke Elektronik für die Steuerung und Analyse.

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Mit intelligenten Montageplätzen lassen sich Durchlaufzeiten verbessern und Fehlerquoten reduzieren.
Mit intelligenten Montageplätzen lassen sich Durchlaufzeiten verbessern und Fehlerquoten reduzieren.
(Bild: TQ-Group)

Trotz aller Fortschritte in der Automatisierungstechnik gibt es weiterhin Aufgaben im Produktionsprozess, die es händisch zu bewerkstelligen gilt. Sei es Geräteassemblierung oder Bestückung, für Kleinserien rechnet sich die Anschaffung einer Spezialmaschine oft nicht – insbesondere dann nicht, wenn sie erst noch entwickelt werden müsste. Damit bleibt der Mensch in der Fertigung unerlässlich. Moderne, intelligente Montageplätze können die Mitarbeiter im gesamten Prozess unterstützen, denn sie verbessern die Durchlaufzeiten in der Fertigung.

Die Technik dazu setzt auf ein Array aus Kameras, das meist über dem Arbeitsplatz angebracht ist und damit den Bewegungsspielraum der Mitarbeiter nicht einschränkt. Gleichzeitig gewährt die Vogelperspektive auch einen Einblick in die Geräte oder Baugruppen. Zudem lassen sich damit auch die sich ständig ändernden Lichtverhältnisse der Arbeitsfläche ausgleichen.

Starke Rechen- und Grafikleistung gefordert

Videoprojektoren – ebenfalls über Kopf angebracht – können am Montageplatz die korrekte Position für den nächsten Arbeitsschritt anzeigen, aber auch Probleme oder Fehler beleuchten. Bei gut ausgebauten Montageplätzen kommen beispielsweise bis zu 12 Kameras, ein oder zwei Beamer oder auch Laserpointer sowie mehrere Touch-Displays zum Einsatz.

Dies stellt hohe Anforderungen an die Elektronik, sowohl bei der Anzahl der Schnittstellen als auch im Datendurchsatz. Darüber hinaus muss der Computer auch genügend Rechenleistung liefern, um den hohen Anforderungen der KI-Auswertung zu genügen.

Neue Prozessorgeneration für Embedded-Anwendungen

Neue Prozessorgenerationen wie die elfte Generation Intel-Core und Intel-Xeon-Prozessoren (Codename Tiger Lake H) stehen nun auch für Embedded-Anwendungen zur Verfügung und entsprechen genau dem genannten Anforderungsprofil: Sie bieten eine Vielzahl an High-Speed-Schnittstellen sowie starke CPU- und Grafik-Leistung inklusive effizienter KI-Unterstützung.

Starterkit mit Embedded-Modul TQMx110EB
Starterkit mit Embedded-Modul TQMx110EB
(Bild: TQ-Group)

Deshalb setzt Embedded-Spezialist und Elektronikdienstleister TQ in der High-End-Bildverarbeitung auf die H-Serie der Tiger-Lake-Familie, die auf dem Embedded-Modul TQMx110EB zum Einsatz kommt. Diese liefert gegenüber der „kleineren“ U-Serie wesentlich mehr Systemperformance und den vollen Schnittstellenumfang.

Das COM-Express-Modul (Basic Formfaktor) gewährleistet, je nach Ausbaustufe des intelligenten Montageplatzes, die richtige Verarbeitungsleistung. Es unterstützt alle Embedded-H-Serie-Prozessorvarianten (Core i3, Core i5, Core i7 und Xeon) dieser neuen CPU-Generation.

Somit stehen bis zu acht leistungsfähige CPU-Cores, ein hoch performanter Grafik-Controller, bis zu 24 MB Cache und bis zu 64 GB DDR4-3200 zur Verfügung. Letzterer sichert durch seine hohe Bandbreite eine durchgängig hohe Performance des Systems.

Modulares Hardwarekonzept erleichtert die Elektronik-Entwicklung

Eine Kombination aus Prozessor-Modul und individuellem Carrier Board macht das Systemdesign flexibel: Hierbei bieten COM-Express-Module Spielraum bei der Skalierung der Rechenleistung.

Mit dem Carrier Board kann sich der Systementwickler auf seine Kernkompetenzen fokussieren und hat zudem die Möglichkeit durch unterschiedliche Boards seine Produktpalette zu optimieren, ohne die grundlegende Rechentechnik und Software verändern zu müssen.

Über die COM-Express-Steckverbinder werden zum Carrier Board nicht nur 2,5 GBit Ethernet, vier USB-3.2-Gen2-Schnittstellen (mit je 10 Gb/s), acht USB-2.0-Interfaces sowie vier SATA-III-Ports bereitgestellt.

Das COM-Express-Modul TQMx110EB bietet zusätzlich 24 PCIe Lanes, wobei diese in zwei Gruppen aufgeteilt sind: Acht PCIe Lanes der dritten Generation mit je 8 Gb/s werden über den PCH (Peripheral Controller Hub / Chipsatz) bereitgestellt und teilen sich die Bandbreite zur CPU mit den bereits erwähnten IO-Schnittstellen. Die weiteren 16 PCIe Lanes werden mit PCIe-Geschwindigkeit der vierten Generation (mit insgesamt bis zu 256 Gb/s Bandbreite) direkt an die CPU angebunden, so dass ein ungebremster, direkter Datentransfer zwischen Peripherie und Prozessor möglich ist.

Für die anspruchsvolle Bildverarbeitung

Hierbei unterstützt das Modul auch „PCIe Bifurcation“, was eine Aufteilung dieser Schnittstelle für bis zu drei PCIe Root Ports (Modi: x16, x8/x8 oder x8/x4/x4) ohne kostspielige, zusätzliche Elektronik zulässt. Besonders für den anspruchsvollen Bildverarbeitungsteil des intelligenten Montageplatzes bietet dies Flexibilität: Dafür ist beispielsweise die Anbindung von mehreren schnellen PCIe-basierten Kamera-Modulen möglich.

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Je nach Anwendungsfall lassen sich aber auch mehrere Framegrabber oder 10-Gigabit-Ethernet-Controller für hochauflösende High-Speed-Multi-Kamera-Systeme direkt an die CPU anbinden.

Alternativ dazu sind weitere Optionen wie Zusatzsteckplätze für mehrere Beschleunigerkarten (beispielsweise für Tensor Processing Units) realisierbar, was die Voraussetzungen für besonders anspruchsvolle KI-Auswertungen schafft.

Hohe Flexibilität beim Aufbau des Kamera-Arrays

Das beschriebene Potenzial des TQMx110EB-Prozessor-Moduls gewährleistet eine hohe Flexibilität beim Aufbau des Kamera-Arrays: So können beispielsweise zwei ultra-hochauflösende High-Speed-Kameras, die mit hoher Bandbreite über PCIe x4 direkt an die CPU angebunden sind, als stereoskopische Hauptkameras zum Einsatz kommen.

Diese lassen sich mit weiteren Kameras einfach ergänzen – dabei kann es sich auch um eine Mischung aus verschiedenen Standards wie UBS3-Vision, GigE-Vision und 10-GigE-Vision handeln.

Die x86-Architektur des Modules kann speziell im Bereich der KI aktuell die wohl größte Software-Unterstützung für sich in Anspruch nehmen – und das sowohl bei den Betriebssystemen als auch bei den Entwicklungs- und KI-Tools.

Harald Maier, Product & Business Management x86, TQ-Group

AI-Accelerator verbessert KI-Leistung

Die ohnehin schon gute KI-Leistung, die durch die hoch performante CPU und den integrierten Grafikprozessor (GPU) bereitgestellt wird, lässt sich bei Bedarf über einen zusätzlichen AI-Accelerator noch weiter erhöhen. Eine Konfiguration mit PCIe x8 (vierte Generation) mit einer Geschwindigkeit von bis zu 128 Gb/s stellt dabei ausreichend Bandbreite zur Verfügung, so dass auch besonders leistungsfähige VPUs (Vision Processing Units) oder TPUs (Tensor Processing Units) zum Einsatz kommen können.

Die x86-Architektur des Modules kann speziell im Bereich der Künstlichen Intelligenz aktuell die wohl größte Software-Unterstützung für sich in Anspruch nehmen – und das sowohl bei den Betriebssystemen als auch bei den Entwicklungs- und KI-Tools. Damit verzögert keine Software-Portierung die Entwicklung eines intelligenten Montageplatzes, sondern es kann sofort mit der Entwicklung der Anwendungssoftware begonnen werden.

Die Verwendung der auf dem TQMx110EB bereits als Option verfügbaren NVMe x4 SSD stellt ein besonders schnelles Speichermedium für das Betriebssystem und die Daten zur Verfügung.

Alternativ lassen sich beispielsweise auch M.2 Speichermodule (NVMe oder SATA) einsetzen, die zudem auch unterschiedliche RAID-Konfigurationen unterstützen. Damit steht genügend Bandbreite und Speicherkapazität zur Verfügung, um die Arbeitsschritte zu dokumentieren und einer übergeordneten Auswertung zuzuführen.

Der zuverlässig hohe Datendurchsatz hilft auch bei der Einarbeitung der Mitarbeiter bezüglich neuer Geräte und Arbeitsschritte. So können die Erklärungsvideos gleichzeitig auf den unterschiedlichen Bildgebern laufen: Dabei gibt beispielsweise ein Touchdisplay die allgemeinen Informationen wieder, während zeitgleich die Video-Beamer ihre Inhalte auf die Arbeitsfläche projizieren.

Hoher Datendurchsatz gewährleistet Multitasking-Anwendungen

Dank der Bandbreite kann der Mitarbeiter die Videoströme mühelos vor- und zurücklaufen lassen, wenn gewollt auch in Zeitlupe, damit die Einzelschritte für ihn klar ersichtlich und verständlich sind. Dies sichert eine schnelle und gründliche Einarbeitung.

Natürlich muss die Rechnerbaugruppe die dafür notwendigen Grafikschnittstellen bieten. Auch hier liefert das TQMx110EB die passende Lösung, denn bis zu vier unabhängige Ausgabe-Ports stehen bereit: Dreimal DP/DP++ 1.4a sowie einmal eDP 1.4b oder wahlweise Dual Channel LVDS – ein flexibler Mix, um sich auch wechselnden Anforderungen zu stellen.

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Intelligente Montageplätze

optimieren mithilfe integrierter optischer Inspektions- und Coaching-Systeme den kompletten Prozess. Sie verkürzen beispielsweise die Einarbeitungszeit, bis Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter produktiv tätig sind oder erkennen mögliche Fehler bereits während sie geschehen. Letzteres reduziert den Aufwand in der Beseitigung, da sich der Fehler sofort korrigieren lässt – es entstehen damit praktisch keine (Folge-)Kosten.

Durch einen modularen Systemaufbau können Hersteller von intelligenten Montageplätzen also flexibel von der neuesten Prozessortechnologie profitieren. Mit unterschiedlichen CPU-Derivaten stellt das TQMx110EB von TQ verschiedene Leistungsklassen der neuen, elften Generation Intel-Core und Intel-Xeon-Prozessoren zur Verfügung und bietet dabei durchgängig hohe Systemperformance, so dass sich das System zukunftssicher auf die jeweiligen Gegebenheiten anpassen lässt.

Der Embedded-Spezialist und Elektronikdienstleister TQ entwickelt und produziert Embedded-Systeme, mit denen sich anspruchsvolle industrielle Applikationen realisieren lassen.

* Harald Maier, Product & Business Management x86, TQ-Group

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