Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung und Anwendungsperspektiven der nächsten Generation von Industriesteuerungsrechnern (ICC). Er zeigt auf, dass die ICC-Technologie der nächsten Generation, basierend auf der CompactPCI-Bustechnologie und umfassend zu CompactPCI, PXI und ATCA, in den kommenden Jahren ein zentrales Entwicklungsthema sein wird. Schlüsselwörter: Industriesteuerungsrechnertechnologie, Industrialisierung, Entwicklung und Anwendung. 1. Überblick: Industriesteuerungsrechner bilden das Herzstück der industriellen Automatisierungstechnik und der IT-Infrastruktur. Traditionell wurden Computer, die zur Messung, Steuerung und Verwaltung in industriellen Produktionsprozessen eingesetzt werden, zusammenfassend als Industriesteuerungsrechner bezeichnet, einschließlich des Rechners selbst und der Prozess-Ein-/Ausgabekanäle. Die Bedeutung heutiger Industriesteuerungsrechner geht jedoch weit darüber hinaus, und ihr Anwendungsbereich erstreckt sich weit über die industrielle Prozesssteuerung hinaus. Daher werden Industriesteuerungsrechner als „robuste Computer, die in verschiedenen Bereichen der nationalen Wirtschaftsentwicklung und des Aufbaus der Landesverteidigung eingesetzt werden und sich durch Anpassungsfähigkeit an raue Umgebungen und stabilen Langzeitbetrieb auszeichnen“, abgekürzt „ICC“, bezeichnet. In den vergangenen 20 Jahren der Reform und Öffnung Chinas haben ICCs (Industrial Control Systems) eine kostengünstige Automatisierungslösung für die Entwicklung der Industrieautomation, der Informationsindustrie und des Verteidigungsaufbaus bereitgestellt und so die Entwicklung der nationalen Wirtschaft gefördert. Gleichzeitig hat sich die ICC-Technologie selbst rasant weiterentwickelt. Die Praxis hat gezeigt, dass zuverlässige und kostengünstige ICCs für die nationalen Gegebenheiten Chinas geeignet sind. Rückblickend lässt sich die Entwicklung der industriellen Steuerungstechnik (ICS) in China in drei Generationen unterteilen: die erste Generation mit STD-Bus-ICS in den 1980er Jahren, die zweite Generation mit IPC-ICS in den 1990er Jahren und die dritte Generation mit CompactPCI-Bus-ICS. Jede Generation hatte eine Laufzeit von etwa 15 Jahren. STD-Bus-ICS lösten das Problem der Verfügbarkeit von ICS; IPC-ICS lösten die Probleme der niedrigen Kosten und der PC-Kompatibilität; und CompactPCI-Bus-ICS lösten die Probleme der Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit. Als neue Generation der ICS-Technologie wird CompactPCI-Bus-ICS unweigerlich die Automatisierungsebene des Produktionsprozesses einnehmen, während IPC schrittweise von der Produktionsautomatisierung auf die Managementinformationsebene verlagert wird. STD-Bus-ICS wird unweigerlich auslaufen – dies ist eine unvermeidliche Folge der technologischen Entwicklung. Gleichzeitig bildet diese neue Generation der ICS-Technologie die Grundlage für Geräte der nächsten Generation von Netzwerken (NGN). Daher birgt die neue Generation der ICS-Technologie, die CompactPCI-Bus, PXI-Bus und AdvancedTCA-Technologie umfasst, ein enormes Marktpotenzial und breite Anwendungsperspektiven. 2. Die erste Generation der Industrie-PC-Technologie leistete Pionierarbeit im Bereich der kostengünstigen industriellen Automatisierung. Sie entstand Anfang der 1980er Jahre, erlebte Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre ihre Blütezeit und verschwand Ende der 1990er Jahre allmählich vom Markt für Industrie-PCs. Ihr Hauptprodukt war der STD-Bus-Industrie-PC. Der STD-Bus war ursprünglich ein 8-Bit-Industrie-I/O-Bus, der von ProLog und Mostek in den USA als Industriestandard entwickelt wurde. Später entwickelte sich daraus ein 16-Bit-Bus, bekannt als STD80, der anschließend von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) als IEEE-961-Standard übernommen wurde. Zu den führenden internationalen Herstellern von Industrie-PCs mit STD-Bus zählen ProLog, Winsystems und Ziatech, während in China Unternehmen wie Beijing Kangtuo Company und die Technische Universität Peking vertreten sind. Industrie-PCs mit STD-Bus zeichnen sich durch ihre käfigartige Montagestruktur, Standardisierung, Offenheit, Modularität, Kombinierbarkeit, geringe Größe, niedrige Kosten und PC-Kompatibilität aus. Ihre einfache Konstruktion, Entwicklung und Inbetriebnahme machen sie bei kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) beliebt, die dringend kostengünstige und zuverlässige Computer für die Transformation und Modernisierung traditioneller Branchen benötigen. Die Gesamtinstallationskapazität in China erreichte fast 200.000 Geräte und schrieb damit ein bedeutendes Kapitel in der Geschichte der Industrie-PC-Entwicklung in China. Die Kompatibilität mit PC-DOS-Software ermöglichte die Entwicklung des STD-Busses. Dessen Einschränkungen beim Ausführen von PC-Windows-Software führten jedoch schließlich zu seiner Veralterung und seiner Ablösung durch IPC-Industrie-PCs, die vollständig mit PCs kompatibel waren. Obwohl VME- und Multiplus-Busse im selben Zeitraum entwickelt wurden, konnten sie sich in China aufgrund deutlich geringerer Installationszahlen, Anwendungsbereiche und Einfluss im Vergleich zum STD-Bus nie nennenswert durchsetzen. 3. Die zweite Generation der Industrie-PC-Technologie läutete eine Ära PC-basierter Systeme ein. Am 12. August 1981 brachte IBM den IBM PC offiziell auf den Markt, der weltweit für Furore sorgte und große Erfolge feierte. In der Folgezeit eroberten PCs dank ihrer umfangreichen Hardware-Ressourcen, der reichhaltigen kommerziellen Software-Ressourcen und des großen Pools an Fachkräften Ende der 1980er-Jahre den Markt für industrielle Steuerungsrechner. Die renommierte amerikanische Fachzeitschrift *Control Engineering* prognostizierte damals: „Die 1990er-Jahre werden das Zeitalter der Industrie-IPCs sein, mit fast 65 % IPCs weltweit und einem jährlichen Wachstum von 21 %.“ Die historische Entwicklung hat diese Vorhersage bestätigt. Die Entwicklung von IPCs in China lässt sich grob in drei Phasen unterteilen: Die erste Phase erstreckte sich von Ende der 1980er bis Anfang der 1990er Jahre und war von teuren Produkten ausländischer Marken geprägt. In der zweiten Phase, von 1991 bis 1996, gelangten in China in großen Mengen preisgünstige Industriesteuerungs-IPCs aus Taiwan auf den chinesischen Markt, was die Entwicklung des IPC-Marktes erheblich beschleunigte. Der Einsatz von IPCs erweiterte sich von der traditionellen Industriesteuerung auf Branchen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen wie Datenkommunikation, Telekommunikation und Energiewirtschaft. Die dritte Phase begann 1997 mit dem Markteintritt chinesischer IPC-Hersteller, was zu einem Preisverfall der IPCs und einer signifikanten Veränderung der Anwendungsbereiche und Branchen von Industriesteuerungsrechnern (ICCs) führte. IPCs erweiterten ihren Anwendungsbereich und etablierten sich so in China als führende ICC-Technologie der zweiten Generation. Aktuell gibt es in China etwa 15 große und kleine IPC-Marken, darunter Advantech, ADLINK, Acer, Shenzhen Aires und North China Industrial Control. Ende der 1990er-Jahre wurde die ISA-Bustechnologie schrittweise abgelöst, und die PCI-Bustechnologie begann, den IPC-Markt zu dominieren und dessen Weiterentwicklung zu ermöglichen. Aufgrund der Einschränkungen der IPC-Struktur und der Goldfinger-Steckverbinder war es jedoch schwierig, Probleme im Zusammenhang mit Wärmeableitung und Vibrationsfestigkeit in rauen Umgebungen grundlegend zu lösen. IPCs zogen sich nach und nach aus hochzuverlässigen Anwendungen in der industriellen Prozesssteuerung, der Energieautomatisierung und der Telekommunikation zurück und verlagerten ihren Einsatz in Managementinformationssysteme. Sie wurden durch die ICC-Technologie der dritten Generation mit dem CompactPCI-Bus ersetzt. Es ist erwähnenswert, dass IPCs eine neue PC-basierte Ära einleiteten und die Entwicklung der industriellen Automatisierung und Informationstechnologie maßgeblich beeinflussten. In der zweiten Generation der ICC-Technologie ist mit der PC/104-Bustechnologie eine weitere relativ erfolgreiche Technologie zu nennen. Basierend auf dem ISA-Bus wurde 1992 der PC/104-Bus eingeführt. Dank seiner mehrschichtigen Struktur zeichnet er sich durch geringe Größe, kompakte Bauweise, niedrigen Stromverbrauch und hohe Zuverlässigkeit aus und wird hauptsächlich in militärischen und medizinischen Geräten eingesetzt. 1997 wurde PC/104 zu PC/104-Plus erweitert und um die PCI-Bus-Definition ergänzt. PC/104-Bus-ICCs werden aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften und kontinuierlichen Weiterentwicklung weiterhin in ihren angestammten Anwendungsbereichen eingesetzt. 4. Die rasante Entwicklung und breite Akzeptanz der ICC-Technologie der dritten Generation: Die Entwicklung der PCI-Bus-Technologie, die Marktnachfrage und die Einschränkungen von IPC-ICCs führten zur Entstehung neuer Technologien. Als nächste Generation der gängigen ICC-Technologie erregte der CompactPCI-ICC-Standard nach seiner Veröffentlichung 1997 großes Aufsehen in der Branche. Im Vergleich zu früheren STD- und IPC-Technologien bietet er Offenheit, hervorragende Wärmeableitung, hohe Stabilität, hohe Zuverlässigkeit und Hot-Swap-Fähigkeit und ist damit ideal für industrielle Anwendungen und die IT-Infrastruktur geeignet. Viele Branchenexperten betrachten CompactPCI als den Standard der dritten Generation für industrielle Steuerungsrechner nach STD und IPC. Die Entwicklung von Produkten mit der modularen CompactPCI-Bustechnologie kann die Entwicklungszeit verkürzen, die Entwicklungskosten senken, die Wartungskosten reduzieren und die Gesamtleistung des Systems verbessern. „CompactPCI ist die elektrische und softwareseitige Komponente des PCI-Busses plus einer Eurokarte. Es bietet Plug-and-Play-Funktionalität ohne Systemabschaltung, was für hochverfügbare und fehlertolerante Systeme entscheidend ist“, so fasst diese Passage aus den Projektrichtlinien des Technologieinnovationsfonds für kleine und mittlere Unternehmen des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie von 2004 die Hauptmerkmale und die Bedeutung von industriellen Steuerungsrechnern mit CompactPCI-Bus zusammen. Die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission hat industrielle Steuerungsrechner mit CompactPCI-Bus ebenfalls als eines ihrer wichtigsten Industrialisierungsprojekte aufgeführt. Im Jahr 2001 führte PICMG 2.16 den Ethernet-Paketvermittlungs-Backplane-Bus in den CompactPCI-Busstandard ein und schuf damit eine neue Technologieplattform für Telekommunikations-Mehrwertdienste und Ethernet-basierte industrielle Automatisierungssysteme. Im Jahr 2002 veröffentlichte PICMG einen neuen Standard für die Telekommunikation: AdvancedTCA (ATCA). ATCA bot im Vergleich zu PICMG 2.16 höhere Spezifikationen und Kapazitäten, eine größere Bandbreite für die Backplane, eine strengere Verwaltung und Kontrolle der Boards, eine höhere Stromversorgungsleistung und eine verbesserte Kühlung. Obwohl ATCA nicht die erste offene Plattform in der Telekommunikation war, war sie die erste Telekommunikationsplattform, die von Telekommunikationsexperten speziell für Telekommunikationsanwendungen entwickelt wurde. Ihr Hauptziel war die Bewältigung der zentralen Herausforderungen von Telekommunikationssystemen, darunter Systembandbreite, Hochverfügbarkeit, Feld-Upgrades, Skalierbarkeit, Verwaltbarkeit und Interoperabilität, mit dem Ziel, die Kosten zu senken. Messtechnik ist eine entscheidende Komponente von Anlagen zur industriellen Automatisierung. Der PXI-Bus ist die Erweiterung von CompactPCI für den Bereich der Messtechnik. PXI entstand 1998, ursprünglich für den Markt der „virtuellen Instrumente“ konzipiert, ist aber längst nicht mehr auf Test- und Messgeräte beschränkt. Er expandiert rasant in andere Bereiche der industriellen Steuerung und Automatisierung und ergänzt und integriert sich in den CompactPCI-Bus. Industrie-PCs mit PXI-Bus bieten nicht nur die hohe Abtastrate, Bandbreite und Auflösung von VXI, sondern auch Vorteile wie Offenheit, Softwarekompatibilität und einen niedrigen Preis. 3U-PXI-Produkte werden üblicherweise für tragbare oder miniaturisierte ATE-Testgeräte, Datenerfassungssysteme, Überwachungssysteme und andere industrielle Automatisierungssysteme eingesetzt. 6U-PXI-Produkte finden vorwiegend Anwendung in hochdichten, leistungsstarken und großflächigen ATE-Geräten oder industriellen Automatisierungssystemen. Die ersten beiden Jahrzehnte des 21. Jahrhunderts waren von einer rasanten Entwicklung der Industrie-PC-Technologie der nächsten Generation geprägt. Die Industrie-PC-Technologie der dritten Generation, repräsentiert durch CompactPCI-Bus-Industrie-PCs, wird in den kommenden Jahren rasch an Popularität und breiter Anwendung gewinnen und eine entscheidende Rolle im Digitalisierungsprozess Chinas spielen. 5. Industrialisierung und Anwendungsperspektiven von Industrie-PCs der nächsten Generation: Seit 1998 haben sich CompactPCI-Bus-Industrie-PCs in China rasant entwickelt und einen gewissen Anwendungsgrad erreicht, sind aber noch weit von einem optimalen Niveau entfernt. Branchenexperten gehen im Allgemeinen davon aus, dass vier Hauptfaktoren die Entwicklung der nächsten Generation industrieller Steuerungscomputer derzeit behindern: Erstens sind Produktionsumfang und Anwendungsvolumen von CompactPCI-Bus-basierten Industriesteuerungscomputern noch nicht ausreichend, was zu hohen Kosten führt. Anwender warten daher ab und hoffen auf weitere Preissenkungen. Zweitens ist die Vielfalt und Menge der im Inland produzierten CompactPCI-Bus-I/O-Module noch begrenzt, und die Kompatibilität ist unzureichend, was es Anwendern erschwert, Komplettlösungen zu erhalten. Drittens ist die Designtechnologie des CompactPCI-Busses komplex und noch nicht weit verbreitet, sodass die meisten Unternehmen noch nicht in der Lage sind, eigenständig passende System-I/O-Module zu entwickeln. Viertens fehlen maßgebliche Leitlinien für die Design- und Anwendungstechnologie von CompactPCI-Bus-basierten Industriesteuerungscomputern, wodurch die Ausbildung von mehr Fachkräften für Design und Anwendung erforderlich wird, die diese Technologie beherrschen. Daher ist es unter der Leitung des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie und anderer relevanter nationaler Ministerien sowie unter der einheitlichen Organisation des Chinesischen Computerindustrieverbandes (PICMG/PRC) notwendig, in- und ausländische Unternehmen, Universitäten, Forschungsinstitute und Anwender, die in der Forschung, Entwicklung und Produktion von CompactPCI-Bus-Industriesteuerungsrechnern tätig sind, zusammenzubringen. Ziel ist es, die Forschung, Entwicklung und Vermarktung inländisch produzierter CompactPCI-Bus-Industriesteuerungsrechner weiter zu intensivieren, den Produktionsumfang zu erweitern, die Produktvielfalt und -menge zu erhöhen, die Produktpreise zu senken, die Produktinteroperabilität zu verbessern, die Industrialisierung voranzutreiben, mehr Fachkräfte auszubilden und günstigere Rahmenbedingungen für die Entwicklung von CompactPCI-Bus-Industriesteuerungsrechnern zu schaffen. Bekanntermaßen werden jährlich etwa 1400 oder mehr DCS-Systeme auf dem chinesischen Markt eingeführt, was einem jährlichen Wachstum von rund 15 % entspricht. Die Feldsteuerungen in DCS verwenden derzeit noch Industriesteuerungsrechner der zweiten Generation mit IPC-Technologie, die durch eine neue Generation von Industriesteuerungsrechnern ersetzt und modernisiert werden müssen. Mit der fünffachen Geschwindigkeitserhöhung des Schienenverkehrs genügen die Tausenden von Industriesteuerungsrechnern der ersten und zweiten Generation, die ursprünglich in Bahnhofsstellwerken, Zugleit- und Überwachungssystemen sowie Infrarot-Achsenüberwachungssystemen eingesetzt wurden, nicht mehr den Anforderungen und werden nun durch Industriesteuerungsrechner der neuen Generation mit CompactPCI- und PXI-Bus ersetzt. Kraftwerke und Stromnetze, die aufgrund von Stromengpässen im Bau sind, benötigen eine große Anzahl von Industriesteuerungsrechnern der nächsten Generation (ICS), um eine umfassende Automatisierung des Stromsystems zu erreichen. Auch das sich rasant entwickelnde intelligente Transportsystem benötigt ICS-Technologie der nächsten Generation. Die Textilindustrie, die Fertigungsindustrie, die Lebensmittelverarbeitung, die petrochemische Industrie und Fahrzeuginformationssysteme benötigen ebenfalls ICS-Technologie der nächsten Generation. Schiffsgestützte Telemetrie- und Steuerungssysteme der Marine, fahrzeugmontierte Waffenkontroll- und Führungssysteme des Heeres und neue Flugsimulationssysteme benötigen leistungsstarke ICS der nächsten Generation. Bodengestützte Telemetrie- und Steuerungssysteme für Luft- und Raumfahrzeuge, Radaridentifizierungs- und -verfolgungssysteme sowie elektronische Gegenmaßnahmensysteme benötigen ICS-Technologie der nächsten Generation. Datenerfassungs- und Steuerungssysteme mit geringer Hybridität für Kernkraftwerke zur Kernfusion, virtuelle Instrumentensysteme für Lehre und Experimente an Universitäten und Hochschulen, Systeme für Funktions- und Leistungstests in der Automobilindustrie sowie Online-Überwachungssysteme für digitale Hochwasserschutzanlagen benötigen allesamt ICS-Technologien der nächsten Generation. Netzwerkgeräte der nächsten Generation, Telekommunikations-Core- und Edge-Geräte, Datenkommunikationsgeräte, Computer-Telefonie-Integrationssysteme (CTI) und Mehrwertdienste benötigen ICS-Technologien der nächsten Generation wie CompactPCI, PICMG 2.16 und ATCA. Und es gibt viele weitere Anwendungsbereiche, an die Sie vielleicht noch gar nicht gedacht haben. Wenn der Marktanteil von Industrieautomatisierungsanlagen in meinem Land nur etwa 20 Milliarden RMB beträgt, dann stellt die Hinzunahme von Ausrüstung für die Verteidigungsautomatisierung und die Infrastruktur der Informationsindustrie einen Markt im Wert von Hunderten von Milliarden RMB dar, der darauf wartet, durch die nächste Generation von Industriecomputern erweitert zu werden. 6. Fazit: Wir leben in einer Zeit des Wandels und der Innovation. Die nächste Generation industrieller Steuerungstechnik, basierend auf der CompactPCI-Bustechnologie und den Schnittstellen CompactPCI, PXI und ATCA, wird sich als Standard unserer Zeit etablieren. Branchenexperten prognostizieren: „Erstens wird CompactPCI die traditionellen IPC-Industriesteuerungen mit einer jährlichen Wachstumsrate von 15 bis 20 % ablösen; zweitens werden CompactPCI und eingebettete Systeme die beiden wichtigsten Technologien für zukünftige Industriesteuerungen sein; drittens wird China zum weltweit größten Markt für CompactPCI werden.“ Mit dem Aufstieg dieser neuen Generation industrieller Steuerungstechnik wird sich die Fertigungsindustrie für Industriesteuerungen grundlegend verändern. Starke und schwache Unternehmen starten auf Augenhöhe, was sowohl Chancen als auch Herausforderungen mit sich bringt. Chinesische Unternehmen, die die sich bietenden Chancen nutzen, mutig Innovationen vorantreiben und Herausforderungen entschlossen und kompetent begegnen, werden mit dieser neuen Generation industrieller Steuerungstechnik – einem unaufhaltsamen historischen Trend – wachsen und florieren.