Embedded Panel

Abgesetzte Visualisierung mit Embedded Panels

Es gibt verschiedene Gründe, im industriellen Umfeld Rechner- und Anzeigeeinheit räumlich zu trennen. Hier können moderne Embedded Clients als wirtschaftliche Alternative zum Industrie-Display eingesetzt werden, z.B. durch die Verwendung von VNC-Software (Virtual Network Computing).

Der konventionelle Aufbau abgesetzter Visualisierungslösungen

Vom Industrie-PC abgesetzte Bedienkonzepte kommen in verschiedenen Applikationen zum Einsatz, z.B., wenn der Rechner zwecks besserer Kühlung im Schaltschrank untergebracht werden muss oder ein Panel-PC vor Ort nicht die gewünschte Erweiterbarkeit mit Steckplätzen oder optischen Laufwerken bietet.

Die herkömmliche und für die meisten Fälle ausreichende Absetzung der Anzeigeeinheit erfolgt über direkte Schnittstellenverbindungen, die bis zu einer Länge von ca. 5 m problemlos und ohne Qualitätsverluste realisierbar sind. Selbstverständlich entstehen mit der direkten Verbindung zwischen Host und Display keinerlei Latenzzeiten bei Bilddarstellung und Panel-Bedienung.
Sollen insbesondere Videosignale über längere Distanzen übertragen werden (bis ca. 25 m VGA bzw. 10 m DVI, abhängig von der gewünschten Auflösung und den Umgebungsbedingungen), so sind speziell dafür gefertigte und daher auch kostenintensive Kabelkonfektionen erforderlich, bei denen jede Ader einzeln aufwändig abgeschirmt ist. Ohne das Spezialkabel käme es besonders im maschinennahen Umfeld zu merkbaren Qualitätseinbußen bei der Darstellung, verursacht durch elektromagnetische Störeinflüsse. Im Extremfall könnten Anlagenstörungen durch ein schlecht abgeschirmtes Videokabel auftreten.

Als Alternative zur Überbrückung größerer Distanzen bleibt die Signalumsetzung auf ein anderes Medium oder die Signalverstärkung, wodurch jedoch keine EMV-Verbesserungen zu erwarten sind. Die Umsetzung der Video- und USB-Signale mit Hilfe eines Analog- oder Digital-Extenders auf ein elektromagnetisch robusteres Medium, z.B. ein Twisted-Pair-Kabel nach Kategorie 5 oder 7, ist daher die elegantere Lösung. Für besonders langen Strecken oder in elektromagnetisch stark beeinträchtigten Umgebungen wird bevorzugt die Umsetzung auf einen Lichtwellenleiter verwendet, dessen stromlose Signalübertragung immun gegen Störeinflüsse ist.  

Den Vorteilen der herkömmlichen Lösung, nämlich der direkten, verzögerungsfreien Signalübertragung, stehen also insbesondere bei längeren Distanzen auch gravierende Nachteile gegenüber. Je nach erforderlicher Leitungsstrecke zwischen Host-Rechner und Display können Komponentenanzahl und Installationsaufwand sehr komplex werden, was in Folge und trotz Verwendung eines vergleichsweise kostengünstigen Industrie-Displays zu hohen Gesamtkosten führen kann. Entsprechend multiplizieren sich Kosten und Installationsaufwand, wenn mehrere Industrie-Displays an einen Host angebunden werden sollen, z.B. durch weitere Grafikkarten und zusätzlich erforderlichen Installationsmaterialien.

Alternative: Ethernet und VNC

Wenn - gerade bei längeren Entfernungen - die Signalumsetzung z.B. auf ein CAT7-Kabel erfolgt, das auch als physikalisches Medium für Ethernet dient und eventuell bereits in der Fabrik passend verlegt ist, was spräche gegen eine Mitnutzung der vorhandenen Netzwerk-Infrastruktur für abgesetzte Bedienkonzepte?

Für die Kommunikation zwischen Netzwerkservern und Clients existieren eine Vielzahl von Anwendungsprotokollen. Ein für abgesetzte Visualisierungslösungen geeignetes Netzwerkprotokoll ist VNC, das sich zur unkomplizierten Realisierung kostengünstiger Client-Server-Bedienstationen anbietet.

Die Entwicklung von VNC begann in der ersten Hälfte der 90er Jahre als Fernbedienungs- und Fernwartungssoftware am damaligen Olivetti Research Laboratory in Cambridge. Das Programmpaket wurde unter der GNU GPL (GNU General Public License) als freie Software verfügbar gemacht.
VNC verwendet das so genannte "Remote Framebuffer (RFB) Protokoll". 

Softwareseitig wird auf dem Host-Rechner der VNC-Server installiert, die Clients greifen über die spezifische Client-Software, den so genannten VNC-Viewer, auf den Host zu. Die Funktion des RFB-Protokolls zwischen Server und Viewer gestaltet sich denkbar einfach: Zu Beginn der Verbindung authentifiziert sich der Client verschlüsselt über ein Passwort am Server, danach verständigen sich beide Seiten auf die verwendete Protokollversion und das Datenformat zur Übertragung der Framebuffer-Inhalte. Während in Folge der Client alle Eingabeaufforderungen (Tastatur, Maus etc.) sowie den "Framebuffer Update Request" für einen bestimmten Bereich des Bildspeichers zur Aktualisierung der Anzeigeinhalte vom Server anfordert, übermittelt dieser im Gegenzug den entsprechenden Teil des Bildspeichers.

Verbindungsüberwachung als notwendiges Merkmal für industrielle Anwendungen

Das RFB-Protokoll enthält keine Maßnahmen zur Sicherstellung der Verbindung. Fällt die Leitung zwischen Server und Client aus, z.B. durch Netzausfall oder Serverabsturz, dann wird die VNC-Software mit einer entsprechenden Fehlermeldung beendet. Sie verbindet sich nicht wieder automatisch mit dem Server.

Es versteht sich von selbst, dass derlei Ausfälle eines Bedienfelds im Produktionsalltag nicht gern gesehen sind. Ein industrieller Client muss bei Wiedererreichbarkeit des Servers die Verbindung selbstständig initiieren. Dies wird  z.B. über eine den VNC-Client umgebende Überwachungsapplikation erreicht. Sie kontrolliert während des gesamten Client-Betriebs permanent die Erreichbarkeit des VNC-Servers. Missglückt die Server-Kommunikation, dann verhält sich die Applikation entsprechend, z.B. mit einer Fehlerausgabe, permanenter Prüfung der Servererreichbarkeit und - falls die Erreichbarkeit wieder gewährleistet ist - Neustart des VNC-Viewers mit Initiierung der Serververbindung.

Durch diesen indirekten, kontrollierten Verbindungsaufbau ist gleichzeitig sichergestellt, dass sich ein Client-Bedienfeld, dessen Bootzeit z.B. bei knapp 15 Sekunden liegt, automatisch mit einem Server verbindet, der z.B. erst nach über einer Minute Bootzeit den VNC-Dienst bereitstellt. Die Überwachungsapplikation bietet zusätzlich eine Auto-Logon-Funktion, also die automatische Benutzerauthentifizierung am Server.

Verbindungsauf- und -abbau könnten statt automatisch und permanent auch nur für den aktuellen Bedarf projektiert werden, z.B. auf Knopfdruck. So wäre es denkbar, ein einziges Embedded Panel als Zweitbedienfeld für mehrere Rechner einzusetzen und so mit einer Hardware-Komponenten gleich mehre Industrie-Displays zu ersetzen.

Beispielkonfiguration eines Servers

Ein Nachteil der abgesetzten Visualisierung via Ethernet ist, dass die entsprechenden Ausgabesignale der Grafikkarte nicht über eine "exklusive Leitung" direkt auf dem Display darstellbar sind, sondern zuerst über Server- und Client-Software "codiert" und "decodiert" werden müssen. Dazwischen liegt eine Netzwerk-Infrastruktur, die möglicherweise noch von anderen Netzteilnehmern genutzt wird. Die VNC-Daten könnten dadurch mit merklicher Verzögerung im Vergleich zur direkten Verbindung beim jeweils anderen Teilnehmer ankommen. Die Auswahl der geeigneten VNC-Server-Software und die bestmögliche Verbindungskonfiguration gleichen diesen Hauptnachteil jedoch fast gänzlich wieder aus.

Als Server kann jeder Industrie-PC fungieren, zum Beispiel auch ein Panel-PC als Hauptbedienfeld. Die Hardware-Anforderungen an den VNC-Server sind gering, sodass auch bestehende Anlagen mit Zweitbedienfeldern nachgerüstet werden können .  

Die unkomplizierte Einrichtung des VNC-Servers unter Windows kann anhand des Programmpakets UltraVNC demonstriert werden. Die Software ist unter der GPL als freie Software verfügbar und speziell für Microsoft Windows-Betriebssysteme optimiert.

Mit einem Windows-Host ist es allerdings nicht möglich, den Clients mehrere Benutzersitzungen zur Verfügung zu stellen wie es bei RDP-Verbindungen üblich ist. Mittels VNC wird lediglich der Desktop dupliziert, sodass sich ein VNC-Client in diesem Fall wie eine zusätzliche Bedieneinheit verhält. Diese Lösung eignet sich für die meisten Aufgaben, beispielsweise auch für Nebenbedienfelder an einer Werkzeugmaschine, wodurch ein Mitarbeiter von verschiedenen Stellen aus die Maschine bedienen kann, z.B. am Werkzeugmagazin oder bei der Materialzufuhr.
Die Server-Installation unter Windows ist menügeführt und schnell erledigt. Nachdem der Server als Betriebssystemdienst registriert ist, können die Verbindungseinstellungen und Berechtigungen konfiguriert werden. Mit den Standardeinstellungen ist die Software bereits für einen ausreichend performanten Betrieb ausgelegt, z.B. durch Vordefinition der Bildkompression.

Zusätzlich zu einem Kompressionsalgorithmus ist die Aktivierung des sogenannten "Video Hook Driver" ratsam. Dieser greift direkt auf den Framebuffer der Grafikkarte zu und stellt die Bilddaten ohne Umweg über die CPU der Serversoftware bereit. Diese spezifische Softwarearchitektur kann die Systemauslastung deutlich senken sowie die VNC-Gesamtleistung und insbesondere den clientseitigen Bildaufbau beschleunigen. So können z.B. auf einen Visualisierungsrechner mit VNC-Server mehrere Embedded Clients mit integriertem VNC-Viewer zugreifen, ohne dass die Systemlast des Servers merklich steigt. Die Viewer erhalten die Bilddaten so schnell, dass selbst anspruchsvolle Visualisierungen fast ohne Verzögerungen dargestellt werden. Mit der Anpassung der Einstellungen an zeitkritische Anwendungen ist - allerdings unter Berücksichtigung der Systemlast des Host-Rechners - eine weitere Verbesserung erreichbar.

Fazit und Bewertung

VNC ist sicherlich nicht für jeden Anwendungsfall der Weisheit letzter Schluss. Sind für die abgesetzte Visualisierungslösung "Echtzeitbedingungen" in der Darstellung von Prozessen gefordert, dann geht nichts über den "direkten Draht" von Schnittstelle zu Schnittstelle. Dieser netzwerkbedingte Nachteil kann zwar durch entsprechende Einstellungen von VNC-Server und -Client ausgeglichen, aber nicht gänzlich ausgemerzt werden.

Für den Einsatz von VNC sprechen die Reduzierung der Installationsaufwendungen bei längeren Distanzen, die Nutzung freier, d.h. im Quelltext änderbarer Software und die Verfügbarkeit des Viewers für unterschiedliche Plattformen. VNC eignet sich selbst für mobile Geräte, deren Java-fähige Browser die Fernbedienung via VNC erlauben.

Zuletzt ermöglicht die Multi-Client-Fähigkeit des Servers nicht nur den Einsatz von Zweit- oder Drittbedienfeldern an einer Bedienstation, sondern eröffnet zum Beispiel auch dem Servicepersonal eines Maschinenherstellers weltweite Fernwartungsmöglichkeiten, indem über das Internet mit einem VNC-Client direkt auf den Server zugegriffen werden kann.