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„Wir liefern Systeme in zwei bis drei Monaten“

Matthias von Bassenheim zur Strategie von Pickering Interfaces
„Wir liefern Systeme in zwei bis drei Monaten“

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Schaltsysteme mit hohen Packungsdichten, direkt in die Fertigungslinie integriert, gehören zur Spezialität von Pickering Interfaces. Mit dem Geschäftsführer der deutschen Niederlassung in Haar-Salmdorf, Matthias von Bassenheim, sprach elektro Automation über Anforderungen an Elektronik-Prüfsysteme und die Frage, warum das Unternehmen ‚klein‘ bleiben will.

Das Interview führte Michael Corban, Chefredakteur elektro Automation

elektro Automation: Herr von Bassenheim, Pickering Interfaces ist international vertreten, will aber ein kleines, überschaubares Unternehmen bleiben. Warum?
von Bassenheim: Wir wollen auf Anforderungen unserer Kunden umgehend reagieren und Produkte schnell auf den Markt bringen können – das kann nur ein keines flexibles Unternehmen leisten, nur so lässt sich ein Produkt in zwei bis drei Monaten zur Marktreife bringen. Gleichzeitig wollen wir aber auch möglichst vor Ort vertreten sein. Unser Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem europäischen und dem US-amerikanischen Markt. Deshalb sind wir in Europa in Deutschland, Frankreich, Tschechien und Schweden vertreten, in den USA mit einem Büro an der West- und einem an der Ostküste; ergänzend sind wir zudem jetzt auch in Australien aktiv. Der Fokus liegt dabei auf Komponenten für Elektronik-Prüfsysteme – auf allem, was mit dem Schalten von Signalen zu tun. Das können sowohl Systeme für den Laboreinsatz sein als auch solche, die direkt in die Fertigungslinie integriert werden, wo Platz typischerweise knapp ist…
elektro Automation: …und Pickering mit Packungsdichte punkten kann?
von Bassenheim: Exakt. Muss ein Prüfsystem in den vorhandenen Bauraum integriert werden, kommen sowohl Technik als auch Know-how zum Tragen. Unsere Kunden wenden sich an uns, weil wir auch eine Lösung finden, wenn keines unserer vorhandenen über 600 PXI-Module passt; letztlich entstand diese hohe Zahl aufgrund solcher Kundenanforderungen. Denn wir wissen sehr genau, wie sich auf kleinster PXI-Fläche eine hohe Packungsdichte erzielen lässt – ohne dabei den Preis aus den Augen zu verlieren. Gleichzeitig haben wir aber auch erkannt, dass mit PXI allein auf Dauer nicht alle Aufgaben zu lösen sind. Deswegen haben wir uns 2005 dem Konsortium rund um den LXI-Standard angeschlossen, den wir als Strategic Member bis heute mit pflegen. Neben vielen LXI-Produkten – ausschließlich Schaltsystemen – entwickelten wir zudem ein Chassis mit einem Embedded-LXI-Controller, in das sich alle unsere PXI-Module einsetzen lassen und die damit LXI-konform arbeiten. Sinngemäß haben wir seit dem auf einen Schlag über 600 verschiedene LXI-Produkte im Angebot.
elektro Automation: Können denn reine LXI-Systeme nicht noch kompakter ausgelegt werden?
von Bassenheim: Doch – und es gibt auch genügend Situationen, in denen Kunden zu uns kommen, weil sich ihre Aufgaben nicht mit PXI-Systemen lösen lassen, weil diese zu groß und zu teuer werden und die Verdrahtung der Module untereinander zu mächtig. An dieser Stelle punkten LXI-Systeme mit ihrer noch höheren Packungsdichte. Vor allem ermöglichen sie auch Hochspannungs- und Hochstromapplikationen, die mit PXI eigentlich nur mit hohem Aufwand und hohen Kosten zu realisieren sind.
elektro Automation: Liegen darin auch die Herausforderungen der Zukunft?
von Bassenheim: Insbesondere in der Automation werden die Ströme immer größer – für LXI-Systeme ist das ein großer Markt, der uns noch eine Weile lang beschäftigen wird. Hinzu kommt aber auch, dass der Bau von Test- und damit Schaltsystemen immer häufiger an Dienstleister übergeben wird. Auch bei großen Anbietern der Automatisierungstechnik bindet die Entwicklung solcher Systeme schlicht zu viel Entwicklungskapazität – an dieser Stelle können wir mit unserem Know-how punkten.
elektro Automation: Können Sie Beispiele für von Pickering realisierte Prüfsysteme nennen?
von Bassenheim: Ein großer Bereich ist die Steuergeräteentwicklung und -fertigung im Automobilbereich. Während es in der Fertigung darum geht, sehr viele Pins zu testen, benötigen die Entwickler ein flexibles System, mit dem sie Signale verschalten können – ohne die Verkabelung immer manuell auflösen zu müssen. Ein weiteres großes Anwendungsfeld ist die Widerstandssimulation. Stellen Sie sich beispielsweise einen Schiffsdiesel vor, den man mit einigen hundert Sensoren bestücken müsste, um im Betrieb das Steuergerät richtig zu prüfen. Hier drängt sich die Simulation förmlich auf, wobei dann die Signale von 100 oder 200 Sensoren zu simulieren sind! Dies lösen wir über unsere Widerstandsdekaden, mit denen sich diese Simulationen sehr präzise durchführen lassen, was den Aufwand und die Kosten erheblich senkt.
elektro Automation: Lassen sich solche Prüfaufbauten angesichts der immer kürzeren Produktzyklen weiter- beziehungsweise wiederverwenden?
von Bassenheim: Wenn man im Vorfeld weiß, welche maximalen Ströme und Spannungen auftreten und das Schaltsystem entsprechend konzipiert ist, ist die Wiederverwendbarkeit der Komponenten sehr hoch. Im Wesentlichen sind hier die Ströme für die Komplexität verantwortlich, wenn etwa 40 oder 80 Ampere fließen. In der Praxis ergibt sich übrigens eher die Situation, dass Schaltsysteme aufgrund des nicht zu verhindernden Verschleißes ersetzt werden müssen – denken Sie etwa an Einsätze, bei denen die Systeme rund um die Uhr im Einsatz sind.
elektro Automation: Gibt es über die Schaltsysteme hinaus Ideen für neue Produkte?
von Bassenheim: Ja, neben Speziallösungen fertigen wir auch standardisierte Kabelsätze, passend zu unseren Produkten. Aufgrund der hohen Packungsdichte, die wir auf einer Karte realisieren können, ergibt sich häufig das Problem, dass die Verkabelung zum limitierenden Faktor wird. Hier ist unser Ziel, mit Speziallösungen diese Limitierung zu überwinden. Darüber hinaus hat sich aus einem unserer Kundenprojekte noch ein Power Management Switch ergeben, wir nennen ihn Power Sequenzer. Damit lassen sich etwa zeitgesteuert 220-Volt-Buchsen ein- und ausschalten. In erster Linie ist das gedacht für Testsysteme, bei denen beim Umlegen des Hauptschalters ansonsten zu viele Geräte Strom ziehen, man kann damit aber auch sicherstellen, dass Geräte sequenziell hochfahren – wichtig, wenn etwa ein Chassis vor einem externen PC eingeschaltet werden muss. Und abschließend sei noch erwähnt, dass wir unsere Diagnosewerkzeuge für Schaltsysteme ständig weiterentwickeln – was die vorbeugende Instandhaltung erleichtert und damit die Produktivität einer Fertigungslinie aufrechterhält (Anm. der Red.: siehe dazu auch das Beispiel CERN im Kasten unten).
elektro Automation: Herr von Bassenheim, wir danken für das Gespräch.
Messe Productronica: Halle A1, Stand 452

LXI-System unterstützt Signalüberwachung am Teilchenbeschleuniger des CERN
Für die Erstellung anspruchsvoller Schaltsysteme bietet LXI eine ideale Plattform – insbesondere bei hohen Leistungsvorgaben, komplexen Strukturen und der Realisierung eines Fernzugriffs. Das zeigt eine Schaltmatrix, die Pickering Interfaces für das CERN realisierte.
Im Teilchenbeschleuniger (Large Hadron Collider – LHC) des CERN existieren zwei gegenläufige, ringförmige Teilchenstrahlen, die sich an vier Experimentierstellen kreuzen. Die Ringstruktur wird vom ‚Open Analogue Signal Information System‘ – kurz OASIS – überwacht, wozu an zahlreichen Stellen Signale erfasst werden. OASIS verwendet dazu mehrere Digitizer, deren Signale anschließend über Ethernet an die Anwender übertragen werden. Die Digitizer sind jedoch sehr teuer – nicht für jedes zu überwachende Signal steht ein eigener Digitizer zur Verfügung. Mittels eines Schaltsystems wählt OASIS deswegen aus der Fülle der verfügbaren Signale diejenigen aus, die anzuzeigen sind. Ursprünglich basierte dieses Schaltsystem auf VXI- und in jüngerer Vergangenheit auf cPCI-Lösungen. Alle zwei Jahre erfahren die Systeme jedoch ein Upgrade, um die Leistungsfähigkeit der Anlage zu erhöhen.
Die Überwachungssignale bergen einige Herausforderungen für ein Schaltsystem, denn das CERN fordert, zur Digitalisierung an jeder der vier Experimentierstellen bis zu 16 Signale von insgesamt 104 Sensoren abzugreifen. Die analogen Signale besitzen verschiedenste Frequenzanteile und die Pegel der unterschiedlichen Messstellen können erheblich voneinander abweichen. Diese Situation führt zu hohen Anforderungen an den Aufbau: Werden etwa gleichzeitig Signale von Quellen mit hohem und niedrigem Pegel auf unterschiedlichen Kanälen übertragen, könnte das starke Signal das schwache Signal durch Übersprechen stören. Das gilt es zu vermeiden. Ein weiteres, wichtiges Thema ist die schiere Größe des Beschleunigerrings: Man kann nicht in vernünftiger Zeit von einer Experimentierstelle zur nächsten gehen – Fernwirken oder Fernsteuern ist daher eine unabdingbare Anforderung.
Bezüglich der Entwicklung des neuen OASIS-Schaltsystems kontaktierte das CERN Pickering Interfaces. Gefordert wurde eine Schaltmatrix der Größe 104 x 16, zudem galt es, das Problem des Übersprechens in den Griff zu bekommen. Die Größe der erforderlichen Matrix war nicht mit herkömmlichen Mitteln unter Verwendung von Standardprodukten zu lösen, dennoch mussten Leistungsziele und Budgetgrenzen eingehalten werden. Darüber hinaus sollten die Kosten des Schaltsystems spürbar niedriger sein als die für separate Digitizer zu jedem analogen Signal. Schnell stellte sich heraus, dass PCI in IPCs zwar die bevorzugte Plattform ist, aber die starre modulare Struktur des PCI-Busses nicht für diese Art Schaltsystem geeignet ist. Dasselbe gilt für cPCI und PXI.
Um eine Hochleistungsmatrix dieses Typs zu realisieren, war es nötig, den Formfaktor der endgültigen Lösung für das Schaltsystem zu ermitteln. Dabei zeigte sich, dass keine bekannten Systeme in Frage kamen. Gefragt war ein modularer Ansatz, um die Größe der Matrix skalierbar zu gestalten, da unterschiedliche Standorte unterschiedliche Matrixgrößen erfordern. Zudem musste berücksichtigt werden, dass sich die Systemanforderungen im Laufe der Zeit ändern können – weil etwa Sensoren dazukommen. Zunächst deutete deswegen alles auf einen proprietären, skalierbaren Ansatz. Pickering Interfaces wählte jedoch den LXI-Standard als Plattform, weil dieser hinsichtlich Baugröße erhebliche Freiheiten bietet.
Klare Vorteile hinsichtlich der Datenübertragung
Der LXI-Standard bot für das CERN einige Vorteile. Da der überwiegende Teil der eingesetzten Systeme bereits Ethernet-Datenverbindungen nutzt, ist es auf diese Weise einfach, diese auch für die Steuerung der Schaltmatrix zu nutzen. LXI bedeutet auch, dass über das Netzwerk ohne zusätzliche Controller über den LXI-Produktwebserver Informationen über den Zustand der Matrix verfügbar sind.
Ein weiterer Vorteil der realisierten Lösung ergibt sich aus der in Systemen von Pickering Interfaces implementierten Selbsttestfunktionalität (BIRST): Die am Teilchenbeschleuniger durchgeführten Experimente sind langwierig und damit teuer – weswegen es gut ist, dass sich per Selbsttest Fehler vermeiden lassen. Im Idealfall kann der Test durchgeführt werden, wenn die Ein- und Ausgänge mit abgeschalteten Quellen beziehungsweise Lasten verbunden sind.
Als Lösung für das CERN entstand auf diese Weise die 65-110 Wideband Modular Matrix. Die Schaltmatrix basiert auf einem Chassis mit einem analogen Bussystem und kann mit Plug-in-Karten bestückt werden. Zwei Karten stellen die 16 Y-Verbindungen für die Digitizer bereit, die restlichen X-Plug-in-Karten sorgen für die analogen Signaleingänge mit 8 Kanälen je Karte. Die Anzahl der X-Plug-in-Karten kann zwischen einer (8 X-Kanäle) und 13 (104 X-Kanäle) variieren. Wenn die zweite Y-Karte nicht installiert wird, können auch ‚Y8-Systeme‘ realisiert werden. Zwar hatte das CERN keine spezifischen Anforderungen für diese Konfiguration, andere Kunden mit Bedarf an kleineren Systemen könnten jedoch davon profitieren, denn das Design kann vollständig durch den Anwender konfiguriert werden. Er kann die Plug-in-Module stecken und entfernen. Die Firmware des LXI-Controllers erkennt die Konfiguration und passt die verfügbare Matrixgröße an die installierten Module an. Das webbasierte Soft Front Panel (siehe Bild links), eine Systemeigenschaft, die durch den LXI-Standard gefördert wird, erlaubt die Steuerung der Matrix ohne spezielle Treiber.
Wie viele andere moderne Instrumente kommunizieren die Module intern über eine PCIe-Schnittstelle mit dem LXI-Controller. Der LXI-Controller wiederum ‚virtualisiert‘ die Anordnung zu einer einzigen Matrix, was die Aufgabe der Matrixprogrammierung für den Anwender erheblich erleichtert. Er verbirgt gewissermaßen die Komplexität des Schaltsystems vor dem Anwender: Die Matrix erscheint dem Anwender wie eine einzige Einheit und nicht wie ein Satz separater Unterbaugruppen (Module).
Bei diesem Design befindet sich der analoge Bus übrigens unter den Plug-in-Modulen, statt an der Rückseite des Einschubs, wie es häufig bei modularen Systemen der Fall ist. Bei einer Schaltmatrix macht es zudem Sinn, die X- und Y-Signale in einem rechten Winkel zueinander anzuordnen, um das Übersprechen und die Isolierung zu optimieren. Hier zeigt sich eine der Stärken von LXI: es gibt keine speziellen Einschränkungen bezüglich der mechanischen Größe der Module oder der Anordnung des analogen Busses. co
David Owen ist Business Development Manager bei Pickering Interfaces.

INFO-TIPP
Das CERN stellt im Web ein interessantes Video zum Thema Datenverarbeitung rund um den Large Hadron Collider vor. Trotz einer drastischen Reduktion der Messdaten erzeugen die vier großen Experimente zusammen jährlich über 25 PB (Petabyte = 1000.000 TB) an Daten, die gespeichert werden müssen. Auch zum Thema OASIS sind weitere Infos verfügbar.
http://home.web.cern.ch/about/updates/2013/04/animation-shows-lhc-data-processing
https://project-oasis.web.cern.ch/project-oasis/
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