SIMATIC PC. Grafik bei SIMATIC IPC Technik und Nutzen. White Paper April 2011 Farbtiefe, Bildfrequenz ren Technische Eigenschaften der bei SIMATIC PC

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1 Grafik bei SIMATIC IPC Technik und Nutzen White Paper April 2011 Farbtiefe, Bildfrequenz ren Technische Eigenschaften der bei SIMATIC PC eingesetzten Grafikchips zeigen keiten von SIMATIC PC für mehr als einen Monitor zeigen SIMATIC PC Begriffe wie Auflösung,

2 Zum Inhalt: Dieses White Paper gibt Ihnen Antworten auf folgende Fragen: - Was bedeuten Begriffe wie Auflösung, Farbtiefe und Bildfrequenz? - Welche technischen Eigenschaften haben die bei SIMATIC IPC / HMI IPC eingesetzten Grafikchips? - Wie kann ich mehr als einen Monitor an einen SIMATIC IPC / HMI IPC anschließen? - Was bedeutet in diesem Zusammenhang der Begriff Bandbreite und was sind die Unterschiede zwischen PCI und PCI Express? Hinweis: Die Informationen in dieser Dokumentation enthalten lediglich allgemeine Beschreibungen bzw. Leistungsmerkmale, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zutreffen oder sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragsabschluss ausdrücklich vereinbart wurden. Herausgeber Siemens AG Sector Industry, Industry Automation, Industrial Automation Systems Nürnberg Deutschland Weitere Unterstützung Ihre Siemens-Ansprechpartner in den für Sie zuständigen Vertretungen und Geschäftsstellen SIMATIC IPC im Internet Informationen zu SIMATIC IPC im Internet: SIMATIC-Partner in Ihrer Nähe finden Sie unter: Siemens IA & DT-Mall zum Konfigurieren und Bestellen Ihrer individuellen SIMATIC IPC: All Rights reserved 2 von 27

3 Inhaltsverzeichnis 1 Monitore Auflösung, Farbtiefe und Bildfrequenz Bildschirmdiagonale und Seitenverhältnis Übertragung von Grafikdaten VGA Video Graphics Adapter DVI - Digital Visual Interface DisplayPort HDMI - High Definition Multimedia Interface LVDS Low Voltage Differential Signaling UDI - Unified Display Interface Zusammenfassung und Ausblick GPU - Grafikprozessor Geschichte Steckbare Grafikarte im Vergleich zum Onboard-Grafikchip Grafik bei SIMATIC IPC Grafikchips, Displayanzahl und Auflösungen bei SIMATIC IPC Monitore für den industriellen Einsatz: SIMATIC Flat Panel, SIMATIC Thin Client und SCD Monitor Mehr als ein Monitor pro SIMATIC IPC SIMATIC IPC mit DVI-I-Anschluss Zwei Monitore am Rack PC SIMATIC IPC547C Externe Grafikkarten Anzeigeoptionen, Skalierung und Verhindern gleichzeitiger Bedienung Displayoptionen Skalierung Bedienkanalverriegelung Abgesetzte Lösungen bei SIMATIC IPC Monitorverlängerung Thin Client-Technologie Exkurs: Benötigte Bandbreite zur Bilddatenübertragung Exkurs: Bussysteme...25 All Rights reserved 3 von 27

4 1 Monitore 1.1 Auflösung, Farbtiefe und Bildfrequenz Ein Computer-Bildschirm bzw. -Monitor dient der Ausgabe von Informationen der auf dem angeschlossenen PC ablaufenden Programme. Dazu zählen beispielsweise Statusmeldungen beim Hochlaufen des Rechners (BIOS), wie auch komplexe grafische Darstellungen von Daten aller Art. Bereitgestellt werden die Grafikdaten in der Regel von einem Grafikchip, der die nötigen Anzeigeinformationen für die Darstellung auf dem Monitor berechnet. Die Übertragung der Grafikinformationen zwischen Monitor und Grafikkarte erfolgt über analoge oder digitale Signale mittels einer Kabelverbindung. Bildschirmauflösung: Bei Computer-Monitoren mit Farbdarstellung werden, genauso wie bei TV-Geräten, alle sichtbaren Farben aus einer Mischung aus Grundfarben z.b. grün, blau und rot gebildet. Eine Kombination der drei Grundfarben ergibt, ab einer bestimmten Entfernung betrachtet, einen Punkt in der gewünschten Farbe, der Pixel genannt wird. Das Bild eines Computer-Monitors setzt sich aus Tausenden bis Millionen solcher Pixel zusammen. Die Anzahl der horizontal und vertikal vorhandenen Pixel oder einfach die Summe aller Pixel wird missverständlich als Bildschirmauflösung bezeichnet, z. B x 768 (Pixel), 2 MegaPixel. Die Angabe der Pixel mit z. B x 768 wird auch als native Auflösung eines Displays bezeichnet. Die Bildschirmauflösung wird eigentlich durch die Anzahl der Pixel pro Fläche beschrieben und in Pixel oder Dots pro Inch angegeben. Zum Vergleich: ein handelsüblicher Computermonitor hat ca. 75 dpi, ein normaler s/w Laserdrucker druckt in einer Qualität von 600 dpi und ein Farbfoto schließlich hat mehr als 2000 dpi. Schon dadurch wird deutlich wie unzureichend ein Monitor eine reale Umgebung darstellen kann. Diese Angabe wird häufig als Qualitätsangabe genutzt, da sie die echte Größe der Pixel und damit die Feinheit der Bildschirmdarstellung angibt. Je mehr Pixel auf der Monitoroberfläche dargestellt werden können, desto mehr Informationen können in diesen Bildschirm gepackt werden. Die Angabe der Auflösung alleine sagt noch nichts über die Größe des Monitors aus. So kann ein Monitor mit 1280 x 1024 Pixel sowohl ein 17 -Monitor sein, wie auch ein 19 -Monitor. Die Größe der einzelnen Pixel ist beim 17 -Monitor nur kleiner als beim größeren Gegenstück. Früher konnten Auflösungen eindeutig mit einem Kürzel, etwa SXGA 1, bezeichnet werden. Dies fällt bei den Widescreen-Auflösungen (<>4:3) jedoch immer schwerer. Farbtiefe: Die Qualität der Farbdarstellung wird über die Farbtiefe ausgedrückt. Heute üblich sind Farbtiefen von 24 Bit, also jeweils 8 Bit für jeden Farbkanal. Jeder Subpixel kann somit 2 8 = 256 Farbnuancen darstellen. In der Kombination sind so insgesamt 2 8 x 3 = ,78 Mio. einzelne Farben darstellbar. Diese Farbtiefe wird als True 1 SXGA bezeichnet z. B. eine Bildschirmauflösung von 1280 x 1024 Pixel und lautet ausgeschrieben Super Extended Graphics Array All Rights reserved 4 von 27

5 Color 2 bezeichnet. Ein menschlicher Betrachter kann bei einem True-Color-Bild in der Regel keine einzelnen Farbabstufungen mehr unterscheiden. Viele Grafikkarten geben Grafikdaten mit 32 Bit aus, wobei hier jedoch nur die Adressierung der Farbinformationen einfacher ist. Die 8 Bit zusätzliche Übertragungsleistung bleibt ungenutzt 3. Bildwiederholfrequenz: Um ein dynamisches Motiv auf einem Monitor flüssig darzustellen, muss der Bildschirminhalt in bestimmten Zeitabständen neu aufgebaut werden. Dieser Zeitabstand wird Bildwiederholfrequenz 4 genannt und in Hertz angegeben. Sie beschreibt, wie oft das Bild auf einem Monitor neu aufgebaut wird. Je nach eingesetzter Technik variieren hierbei die Werte von 50 Hz bis über 100 Hz. Bei 50 Hz wird der Bildschirminhalt innerhalb einer Sekunde 50 Mal neu aufgebaut. Bei Röhrenbildschirmen wird das Bild bei einer Frequenz von 50 Hz flimmernd wahrgenommen und erst ab ca. 100 Hz als flimmerfrei bezeichnet. Bei LCD-Displays reicht bauartbedingt eine Bildwiederholfrequenz von 60 Hz zur flimmerfreien Darstellung aus. Fazit: Auflösung, Farbtiefe und Bildwiederholfrequenz bestimmen die Datenmenge, die für den Bildaufbau vom Computer an den Bildschirm übertragen wird (siehe Kap. 5). Zum Austausch von Konfigurationsdaten zwischen Monitor und Grafikkarte existiert eine Schnittstelle, der DDC (Display Data Channel). Wenn Monitor und Grafikkarte diese Schnittstelle unterstützen, was eigentlich bei allen modernen Displays und Grafikkarten der Fall ist, können über einen in die jeweiligen Anschlüsse (siehe Kapitel 2) integrierten seriellen Datenkanal die Konfigurationsdaten des Monitors an die Grafikkarte übertragen werden. So kann der Monitor schon beim Systemhochlauf Information wie Auflösung und maximale Wiederholfrequenz an die Grafikkarte übertragen, so dass das Betriebsystem des PCs den Monitor gleich mit den richtigen Parametern betreiben kann. Wird diese Schnittstelle nicht genutzt bzw. ist nicht vorhanden, so müssen die Parameter manuell in den Grafikeinstellungen des Betriebssystems vorgenommen werden. 1.2 Bildschirmdiagonale und Seitenverhältnis Die Bildschirmgröße wird mittlerweile üblicherweise sowohl in Zoll (Inch, ") wie auch in cm angegeben. Gemessen wird die Strecke zweier diagonal gegenüber liegender Ecken des Bildschirms. Die Größe heute üblicher Büromonitore liegt bei (ca. 48 cm 61 cm), gerade in der Bildbearbeitung wird aber auch mit Monitoren größer als 24 gearbeitet. In der Industrie, in der Gebäudetechnik oder auch im Handybereich hingegen gibt es durchaus auch deutlich kleinere Displays von 3 15 zum Bedienen oder Parametrieren. 2 Echtfarbe, nicht zwingend eine naturgetreue Darstellung. Ein Monitor stellt i.d.r. technikbedingt ein anderes Spektrum dar, als das menschliche Auge wahrnimmt. Glanzeffekte u. ä. können z. B. nicht naturgetreu dargestellt werden. 3 Grafiken können jedoch auch tatsächlich mit 32 Bit gespeichert bzw. übertragen werden. Hier dienen die letzten 8 Bit der Speicherung des Alphakanals, der die Transparenz eines Pixels angibt. 4 Auch Bildfrequenz oder Refresh-Rate All Rights reserved 5 von 27

6 Weitere Informationen liefert die Angabe des Seitenverhältnisses. Traditionell und das am weitesten verbreitete Seitenverhältnis ist 4:3. Dieses Format leitet sich aus der Vergangenheit ab. Lange Zeit war das 4:3 Seitenverhältnis z. B. bei Kinofilmen und in der Kleinbildfotografie üblich. Doch breitere Formate wie 16:10 oder 16:9 werden immer häufiger genutzt, da sie eher dem natürlichen Blickfeld des Menschen entsprechen und ein angenehmeres Sehen ermöglichen. Zudem wird meist dieses Format für die Wiedergabe von Kinofilmen auf DVD in HDTV-Qualität genutzt. Diese Gründe führen zu einer Angleichung des Seitenverhältnisses an die sogenannte Widescreen-Auflösung (Breitbild). Kinofilme vom Originalzelluloid verfügen im Übrigen über eine viel höhere Auflösung und teils völlig andere Seitenverhältnisse (Superbreitwand / IMAX). Im privaten Bereich hat die Breitbildauflösung von 16:9 die 4:3-Auflösung bei Monitoren mittlerweile fast gänzlich abgelöst. Je nach Hersteller sind auch Seitenverhältnisse wie 5:4, etc. anzutreffen. Hier kann man also noch nicht von einem universellen Standard sprechen. Auch entsteht z. B. durch die Handy- und Autoindustrie mit ihren großen Stückzahlen im Bereich der kleinen Displays eine große Vielfalt an äußeren Maßen, Auflösungen und Seitenverhältnissen. Einige gängige Auflösungen, ihre Bezeichnungen und Seitenverhältnis: Auflösung (Pixel) Bezeichnung Seitenverhältnis 640 x 480 VGA (Video Graphics Array) 4:3 800 x 600 SVGA (Super VGA) 4: x 768 XGA (extended Graphics Array) 4: x 1024 SXGA (Super XGA) 5: x 900 WXGA+ (Wide XGA +) 16: x 1080 HD 1080 (High Definition, HD-TV) 16: x 1200 WUXGA (Wide Ultra XGA) 16:10 All Rights reserved 6 von 27

7 2 Übertragung von Grafikdaten 2.1 VGA Video Graphics Adapter Der VGA-Anschluss ist seit 1987 als analoger Bildübertragungsstandard zwischen Grafikkarten und Anzeigegeräten etabliert. VGA bezeichnet auch eine Bildschirmauflösung von 640 x 480 Bildpunkten (Video Graphics Array). Über einen VGA-Anschluss können aber ohne weiteres mehr Videodaten für höhere Auflösungen übertragen werden. Die gleich lautende Bezeichnung kommt von der gleichzeitigen Einführung von VGA-Grafikkarten und VGA-Anschluss. Als VGA-Stecker bezeichnet man einen 15-poligen Mini-D-Sub-Stecker (auch D-Sub-Mini-Anschluss genannt) mit drei Anschlussreihen. Der VGA- Anschluss ist immer noch weit verbreitet, verliert aber langsam seine Bedeutung dadurch, dass die meisten Bildschirme mittlerweile in der Lage sind, digitale Videosignale zu verarbeiten. LCD-Bildschirme auf TFT-Basis etwa arbeiten intern rein digital, nur noch Röhrenmonitore können direkt mit analogen Daten angesteuert werden. Die Wandlung digitaler Daten der Grafikkarte in analoge Daten zur Übermittlung via VGA-Kabel und die Rückwandlung in digitale Daten zur Anzeige auf einem Monitor ist verlustbehaftet und kostet Zeit. Zudem ist die Bandbreite nicht mehr ausreichend für die Übermittlung der zur Ansteuerung großer Monitore benötigten Daten. Mit zunehmender Kabellänge sinkt die Qualität des analog übertragenen Signals und die Bildqualität wird schlechter. Im Allgemeinen ist bei 20 m die maximale Kabellänge erreicht. Analoge Signale können auch über einen DVI-I oder DVI-A-Anschluss übertragen werden, solange die Grafikkarten die analogen Signale noch zur Verfügung stellt. 2.2 DVI - Digital Visual Interface DVI ist eine Schnittstelle um digitale Video- und Grafiksignale zu übertragen. Im Computer-Bereich ist diese Schnittstelle als Übertragungsmedium für digitale Videodaten mittlerweile weit verbreitet und bietet aus Kompatibilitätsgründen zusätzlich noch die Möglichkeit, weiterhin die analogen Daten zu übertragen. Die digitalen Videodaten werden gemäß dem TMDS-Standard 5 unkomprimiert übertragen. Der Betrieb eines digitalen Bildschirmes über DVI bietet eine sehr gute Bildqualität bei hohen Auflösungen. DVI-Grafikkarten und Kabel gibt es in Single- Link- und der teureren und aufwändigeren Dual-Link-Ausführung. Mit einem Single- Link kann man Daten für eine Auflösung von bis zu 1900 x 1200 Pixel bei 60 Hertz (Hz) Bildwiederholfrequenz übertragen (in etwa Full-HD). Mit einem Single-Link- Kabel können theoretisch bis zu 3,7 GBit/Sek übertragen werden. Größere Bildschirme bzw. höhere Auflösungen können mit einer Dual-Link-Grafikkarte angesteuert werden. Dazu wird ein entsprechendes Anschlusskabel mit mehr Anschlusspins benötigt. Bei Dual-Link werden die Videodaten auf zwei TMDS- Transmitter verteilt. Damit können Auflösungen von 2560 x 1920 Pixel bei 60 Hertz (Hz) Bildwiederholfrequenz abgedeckt werden (ca. 7 GBit/Sek). Dual-Link- Graphikkarten finden sich heute gewöhnlich aber nur im Profi-Bereich (Bildschirme >26 ). 5 Transition Minimized Differential Signaling: Standard zur Videosignalübertragung über DVI- und HDMI-Schnittstelle All Rights reserved 7 von 27

8 Die maximale Leitungslänge von der Signalquelle bis zum Bildschirm ist mit 5m spezifiziert. Abhängig von Datenrate, Kabelqualität und der Auslegung der Anschaltung können auch Entfernungen bis zu 30m erreicht werden. Große Leitungslängen können mittels DVI-Verstärker überbrückt werden. Oft gibt es bei diesen Verlängerungen jedoch eine Beschränkung der Übertragungsrate. DVI-Stecker teilen sich in zwei Bereiche: Einmal der digitale Teil mit bis zu 24 Pins (auf dem folgenden Bild links) und der analoge Teil mit 5 Pins ( Kreuz oder Microcross ). digital (Link 1) Abschirmung digital (Link 2) Plug n Play Takt analog Belegung einer DVI-I-Schnittstelle (24+5): rechts das Kreuz für analoge Daten, links die Pins für die digitale Datenübertragung Es gibt DVI-Schnittstellen für unterschiedliche Anforderungen, je nach Zweck sind nur die benötigten Pins und Leitungen vorhanden. So verfügt ein DVI-D-Kabel nur über die für digitale Datenübertragung benötigten Pins und kann keine analogen Daten übertragen. DVI-I (integrated) DVI-I überträgt analoge wie auch digitale Signale in den Varianten 18+5 (Single Link) und 24+5 (Dual Link). Mit einem DVI-I auf VGA -Adapter kann man auch einen Bildschirm mit VGA- Schnittstelle an der DVI-I-Schnittstelle betreiben, wenn die Grafikkarte die Ausgabe analoger und digitaler Daten unterstützt. Bei SIMATIC Box und Panel PCs werden sowohl digitale als auch analoge Daten übertragen und diese können jeweils verschiedene Bildinformationen enthalten (siehe Kap. 4.1). DVI-D (digital) DVI-D überträgt ausschließlich digitale Signale. Es gibt sie in den Varianten 18+1 (Single Link) und 24+1 (Dual Link). Die DVI-Extension des SIMATIC Rack PC 847B ist ein Beispiel für eine DVI-D-Schnittstelle (siehe Kap ) DVI-A (analog) DVI-A überträgt ausschließlich analoge Signale. Diese Variante kommt aber nur selten vor. Den Anschluss gibt es z. B. in der Variante Er kann aber auch weniger (digitale) Pins haben. All Rights reserved 8 von 27

9 2.3 DisplayPort Der DisplayPort ist eine relativ neue standardisierte Displayschnittstelle mit erheblich erweiterten Möglichkeiten. Er bietet neben den Video-Kanälen einen sogenannte Auxiliary-Channel der es ermöglicht, zusätzlich weitere digitale Daten wie USB- oder Audiosignale zu übertragen. Er wird sich vermutlich mittelfristig gegenüber den oben genannten Schnittstellen als neuer VESA 6 -Standard durchsetzen. Der DisplayPort ermöglicht es, jedes Display-Panel direkt anzusteuern, egal ob intern im Notebook oder extern im Monitor. Die maximale Datenübertragungsrate beträgt beim DisplayPort 10,8 GBit/Sek, er bietet damit mehr als die doppelte Übertragungsrate eines DVI-Single-Link. Die Übertragung auch hochauflösender Bildschirminhalte stellt mit diesem neuen Standard kein Problem dar. Er verfügt über eine mechanische Verriegelung (siehe Bild links, die zwei Nasen vorne am Stecker), damit der Stecker fest mit der Buchse verbunden ist. Dies zählt als wichtiger Vorteil gegenüber dem gegen mechanische Einflüsse empfindlichen HDMI-Stecker. Ein weiterer Vorteil des DisplayPorts ist die deutlich reduzierte Anzahl der Verbindungsleitungen zum Display ggü dem Standard LVDS (siehe Kap. 2.5). Der DisplayPort-Stecker ist wesentlich kleiner als ein DVI-Stecker und ist so besser für tragbare Geräte und Grafikkarten mit zwei Ausgängen geeignet und entsprechende Kabel lassen sich auch im industriellen Umfeld leichter durch Tragarme oder andere Öffnungen führen. Der DisplayPort ist funktionskompatibel sowohl zu VGA und DVI als auch zu HDMI. Zum Anschluss reicht ein relativ einfacher Adapter. In der aktuellen Version 1.1 von DisplayPort wird auch das Verschlüsselungsverfahren HDCP (High Bandwidth Digital Content Protection) unterstützt, mit dem digitale Signal unkomprimiert und verschlüsselt übertragen werden können. Die Version 1.2 erweitert DP noch um Features wie etwa einen integrierten Datenkanal (USB 2.0-konforme Datenpakete). So lässt sich dann etwa ein Touch Display oder eine Webcam ohne extra USB-Leitung integrieren. Zusätzlich wird noch Daisy Chaining unterstützt. Hier lassen sich weitere Monitore an den ersten anhängen, die das gleiche oder auch ein weiteres Bild zeigen. Die maximale Kabellänge ohne Verstärker kann bis zu 15 m betragen. Die VESA sieht den DisplayPort eher als Ergänzung zum HDMI-Port, denn als direkte Konkurrenz. 6 Video Electronics Standards Association All Rights reserved 9 von 27

10 2.4 HDMI - High Definition Multimedia Interface HDMI ist eine digitale Schnittstelle zur Übertragung von (kopiergeschützten) hochauflösenden digitalen Video- und Audio-Daten mit hoher Bandbreite zwischen einem Abspielgerät (Tuner, Recorder, Player) und einem Wiedergabegerät (Flachbildschirm, Lautsprecher, Projektor), kommt also aus dem Bereich der Unterhaltungselektronik. Allerdings ist auch oft an modernen Laptops und Grafikkarten eine HDMI-Schnittstelle zu finden, mittels der beispielsweise Videosignale auf einem großen Flachbildschirm dargestellt werden können. HDMI ist zu DVI abwärtskompatibel. Das bedeutet, DVI-Signale lassen sich mittels eines Adapters über HDMI übertragen. Umgekehrt ist es nicht möglich, HDMI- Signale über eine DVI-Verbindung zu übertragen. HDMI bietet Übertragungsraten mit bis zu 10,2 GBit/Sek bei einer Kabellänge von bis zu 15 m. Die Übertragungsstrecke kann mit zwischengeschalteten Repeatern verlängert werden. 2.5 LVDS Low Voltage Differential Signaling Die LVDS-Schnittstelle kommt im Moment noch oft zum Einsatz, wenn ein Display innerhalb eines Systems angeschlossen wird. Ein typisches Beispiel sind Notebooks, aber auch die Panel-Fronten der SIMATIC Panel PC sind über die auf dem Mainboard befindliche LVDS-Schnittstelle mit dem System verbunden. Ein Vorteil der LVDS-Schnittstelle ist deren hohe Datenübertragungsrate (je nach Auslegung der Schnittstelle bis zu über 7 GBit/Sek), verbunden mit einer relativ geringen Ausstrahlung elektromagnetischer Störgeräusche und einem geringen Stromverbrauch. Bei vielen LCD-Displays ist LVDS der interne Standard für Datenverkehr, so dass hier keine Zeit durch Umwandlung der Signale verloren geht. Zukünftig wird diese Schnittstelle durch den DisplayPort (siehe Kap. 2.3) abgelöst werden. 2.6 UDI - Unified Display Interface Ende 2005 hat eine Special Interest Group (SIG) aus führenden PC- Herstellern die Entwicklung eines neuen Display-Schnittstellen- Standards beschlossen. Nachdem 2007 wichtige Mitglieder der SIG ihre Unterstützung für UDI aufgekündigt haben und die UDI-Webserver nicht mehr erreichbar sind, kann UDI wohl als gescheitertes Projekt angesehen werden. All Rights reserved 10 von 27

11 2.7 Zusammenfassung und Ausblick Treiber für die Einführung neuer Schnittstellen ist, neben der Notwendigkeit immer mehr Daten für größere bzw. besser auflösende Bildschirme zu übertragen, unter anderem die Unterhaltungsindustrie. Diese fordert die Möglichkeit, die Übertragung von kopiergeschütztem Material zu verschlüsseln, um ein Abgreifen der Video- und Audiosignale zu verhindern und große Bildschirme mit hochauflösenden Bilddaten zu versorgen. DVI bietet dazu nur unzureichende Möglichkeiten. Die HDMI-Schnittstelle hat hier ihre Wurzeln und ist auch im PC-Markt schon weit verbreitet, während der neue DisplayPort sich an Anforderungen der PC-Industrie orientiert und sich erst beweisen bzw. durchsetzen muss. DisplayPort hat die Kompatibilität zu HDMI erst nachträglich integriert, um eine möglichst breite Basis für die zukünftige Vermarktung und Akzeptant der Schnittstelle zu legen. Für Anwendungen mit handelsüblichen Bildschirmgrößen ist DVI im Moment sicherlich ausreichend. Gerade im industriellen Bereich, wo die Übertragung verschlüsselter Signale vom PC zum Display (noch) keine große Rolle spielt, wird DVI sicherlich noch weiterhin aufgrund seiner hohen Verbreitung eine große Rolle spielen und nur langsam vom DisplayPort abgelöst werden. Die Miniaturisierung der modernen Stecker DisplayPort und HDMI kommt den heutigen Anforderungen nach Flexibilität und kompakten Rechnern entgegen. Bei Bedienungs- & Beobachtungseinheiten mit erweiterten Funktionen, wie Touchsensoren, Funktionstasten, Datenlesegeräten, Audiogeräten, etc., bietet DisplayPort in der neuen Spezifikation gute Möglichkeiten um mit einem Kabel solche Bedieneinheiten anzuschließen. Dort wird Displayport den größten merklichen Kundennutzen bringen können. Deutlich zu sehen: Die Miniaturisierung der neueren digitalen Stecker für Grafikausgabe HDMI und DisplayPort. Von links nach rechts: DVI-D, HDMI, DisplayPort All Rights reserved 11 von 27

12 3 GPU - Grafikprozessor 3.1 Geschichte In jedem Rechner ist für die Erstellung der Grafikdaten ein eigener Chip zuständig, die sogenannte GPU (Graphics Processing Unit - Grafikprozessor 7 ). Diese erzeugt auf Basis der vom Hauptprozessor vorgegebenen Daten die Bildschirmausgabe. Grafikprozessoren gibt es seit den 80er Jahren, jedoch hatten diese in der Anfangszeit keine eigene Berechnungsfunktion, sondern waren nur für die Weiterleitung der vom Hauptprozessor gelieferten Daten zuständig. Mitte der 90er Jahre begann die Phase in der rechenintensive Grafikberechnungen zunehmend von der CPU auf die GPU verlagert wurden. Heutzutage werden alle Grafikberechnungen von einem darauf spezialisierten Chip übernommen. Dieser Chip kann entweder auf einer steckbaren Grafikkarte oder onboard auf dem Mainboard seinen Dienst tun. 3.2 Steckbare Grafikkarte im Vergleich zum Onboard-Grafikchip Steckbare Grafikkarten bieten gegenüber den onboard-lösungen den Vorteil, dass der Grafikchip entsprechend seiner Bestimmung gewählt werden kann, während onboard-chips in der Regel eher Allroundtalente sind. Der Markt bietet heute eine Reihe spezialisierter Grafikkarten für die Erweiterung von Computersystemen. Am bekanntesten sind wohl die 3D-Karten für Computerspiele, wobei hier der Schwerpunkt auf der schnellen Berechnung von 3D-Objekten, sowie Effekten liegt. Verglichen mit onboard-lösungen sind externe Grafikkarten normalerweise leistungsfähiger, da sie ihren eigenen, schnellen Speicher und stärkeren Prozessor einsetzen. Diese Prozessoren haben aber auch eine erhöhte Leistungsaufnahme, erzeugen damit mehr Abwärme und verfügen meist über einen aktiven Lüfter, der seinerseits Strom verbraucht, Geräusche verursacht und eine mögliche Ausfallquelle ist. Dem gegenüber sind onboard-lösungen meist preisgünstiger, weil sie im Chipsatz des Motherboards integriert sind und im 2D-Bereich bereits seit Jahren ausreichend Leistung bieten. Auch für Industrieanwendungen, die keinen Schwerpunkt auf sehr schnelle 3D-Berechnungen oder spezielle Anforderungen legen, sind diese Chips gut geeignet, da die Wärmeentwicklung und der Stromverbrauch geringer sind als bei den meisten externen Grafikkarten. Bei ihnen kann deshalb normalerweise auf einen eigenen Lüfter verzichtet werden, die passive Kühlung über Kühlrippen o. ä. ist ausreichend. Gerade bei lüfterlosen Systemen sind diese Punkte besonders wichtig. Des Weiteren sind onboard-grafikchipsätze im Allgemeinen länger verfügbar als die meisten externen Grafikkarten, und damit für die Langzeitverfügbarkeit des Gesamtsystems unerlässlich. Viele integrierte Grafikchips besitzen keinen oder nur einen sehr kleinen eigenen Speicher, so dass sie auf den Hauptspeicher des Computers zugreifen müssen. Damit wird der zur Verfügung stehende Speicher für andere Anwendungen, wie z. B. das Betriebssystem begrenzt. Auch die benötigte Bandbreite zur Kommunikation zwischen Grafikchip und Speicher auf dem Systembus steht anderen Anwendungen nicht mehr zur Verfügung. Unter Umständen wird die Gesamtperformance des Systems dadurch etwas verringert, was insbesondere bei Echtzeitsystemen beachtet werden muss. In der Regel werden aber keine Performanceeinbußen wahrnehmbar sein. 7 Analog zu CPU : Central Processing Unit - Hauptprozessor All Rights reserved 12 von 27

13 Bei integrierten Grafikprozessoren ist Intel aufgrund der vielen Office-PCs mit integrierten Grafikchips Marktführer. Weitere bekannte Hersteller, insbesondere für externe Grafikkarten, sind NVIDIA und AMD, sowie Matrox. Aufgrund der zahlreichen auf dem Markt befindlichen Grafiklösungen kann die folgende Tabelle nur einen sehr groben Anhaltspunkt über Vorzüge der jeweiligen Lösung geben: Steckbare Grafikkarte Onboard- Grafikchip Stromaufnahme - + Abwärme - + Flexibilität + - Performance + - Servicefreundlichkeit + - Preis - + Hauptspeicherbedarf + - Geräuschentwicklung - + Robustheit - + Verfügbarkeit - + Wichtig: In diesem Zusammenhang sei nochmals darauf hingewiesen, dass die entstehende Abwärme steckbarer Grafikkarten bei der Entlüftung des Geräts beachtet werden muss, um nicht die Temperatur innerhalb des Rechnergehäuses unzulässig zu erhöhen. Des Weiteren ist vor dem Einsatz einer steckbaren Grafikkarte darauf zu achten, dass das Netzteil den zur Stromversorgung benötigte Strom bereitstellen kann und dass dabei nicht die zulässige Maximalleistung des Netzteils überschritten wird. All Rights reserved 13 von 27

14 4 Grafik bei SIMATIC IPC 4.1 Grafikchips, Displayanzahl und Auflösungen bei SIMATIC IPC Chip Microbox IPC427C HMI IPC477C / IPC577C Intel GMA X4500 IPC627C / IPC827C / HMI IPC677C Intel HD Graphics Rack IPC547C Intel GMA 4500 Speicher bis 512 MByte 8 bis 256 MByte bis 256 MByte Rack PC IPC847C / IPC647C Intel HD Graphics 32 MB bis 1,7 GByte Zusatzkarte für Rack PC IPC847C / IPC647C NVIDIA NVS 295 Zusatzkarte für Rack IPC547C NVIDIA NVS MByte 256 MByte Speichertyp shared shared shared shared dedicated dedicated Ausgänge DVI-I DVI-I VGA (DVI-D über Extension Adapter) DVI-I DisplayPort (bis zu zwei Monitore, über Adapter VGA oder DVI-D) DMS-59 (bis zu zwei Monitore über Y-Kabel, VGA oder DVI) Max. Displays 2, über Y- Kabel bei Microbox 2, über Y-Kabel bei Box PC 2 mit DVI-D Adapter 2 über Y- Kabel, bis zu 4 mit Zusatzkarte 2 2 max. analoge Auflösung Farbtiefe Frequenz 1920 x Bit 120 Hz 1600 x Bit 85 Hz 2048 x Bit 75 Hz 2560 x Bit 60 Hz 2048 x Bit 75 Hz 2048 x Bit 75 Hz max. digitale Auflösung Farbtiefe Frequenz 1920 x Bit 60 Hz 1600 x Bit 60 Hz 1600 x Bit 60 Hz 2048 x Bit 60 Hz DP: 2560x1600 DVI: 1920x Bit 60 Hz 1920 x Bit 60 Hz Kühlung passiv passiv passiv passiv passiv passiv Bei SIMATIC IPCs ist generell ein in den Mainboard-Chipsatz oder Prozessor integrierter onboard-grafikchip der Firma Intel enthalten. Beim Microbox PC SIMATIC IPC427C / Panel PC HMI IPC477C und IPC577C ist dies der Intel GMA X4500 8, beim Rack PC SIMATIC IPC547C der Intel GMA 4500 und bei allen anderen SIMATIC IPCs Intel HD Graphics with Dynamic Frequency. Die Onboard- Grafikchips greifen auf den Hauptspeicher des jeweiligen SIMATIC IPC zu (shared Memory) und belegen dort je nach Speicherausbau dynamisch Speicher. Dies sollte bei speicherkritischen Anwendungen beachtet werden. Die integrierten Grafikchips sind als Allrounder sehr gut für die Berechnung und Darstellung von 2D-Daten ausgelegt. Die 3D-Leistung eines integrierten Grafikchips reicht aus für grundlegende 3D-Berechnungen, können sich jedoch nicht mit aktuellen, auf dem Markt erhältlichen speziellen Grafikkarten mit ausgewiesenen 3D-Funktionen messen. Viele Erweiterungs-Grafikkarten benötigen eine zusätzliche Spannungsversorgung, um deren hohen Strombedarf 9 zu decken. SIMATIC Rack PCs stellen dafür eine Anschlussleitung zur Verfügung. 8 GMA: Graphics Media Accelerator - Grafikbeschleuniger 9 Externe Grafikkarten benötigen unter Volllast teilweise über 200 Watt Leistung. Diese kann nicht mehr über die Stromversorgung des PCIe-Busses zur Verfügung gestellt werden. All Rights reserved 14 von 27

15 4.2 Monitore für den industriellen Einsatz: SIMATIC Flat Panel, SIMATIC Thin Client und SCD Monitor Displaygrößen Touch Tasten SIMATIC Flat Panel SIMATIC Thin Client SCD Monitor und Wide optional ja ja optional 12 und 15 Auflösung 800x x x x x900 Grafikschnittstelle DVI/VGA (Grafikdaten über DVI/VGA Ethernet) Max. Entfernung zu Bedieneinheit 30m (optional über DVI) 5m Anschluss von USB- Geräten Aufbauform Weitere Features - 100m (direkte Kabelverbindung, im Netzwerk praktisch unbegrenzt) - Über Internet praktisch unbegrenzt Opt. Ja Nein Einbaugerät; Tragarmmontage (15 und 19 ); culus; CCC Optional: Schiffbauzulassungen; ATEX 22 Einbaugerät; Tragarmmontage (15 ); culus; PROFINET- Basisdienste Einbaugerät culus; CCC in Vorbereitung Weitere Informationen zu abgesetzten Bedien- und Beobachtungslösungen mit Flat Panel und Thin Client in Kapitel All Rights reserved 15 von 27

16 4.3 Mehr als ein Monitor pro SIMATIC IPC SIMATIC IPC mit DVI-I-Anschluss DVI-I ermöglicht über einen Adapter, zwei Videosignale (analog und digital) auszugeben. Mit einem passenden Y-Adapter (siehe Bild) von Siemens können an einen Microbox PC, Box PC oder Rack PC zwei Monitore angeschlossen werden. Hierbei ist zu beachten, dass über das Adapterkabel die Signale aufgesplittet werden und jeweils wirklich nur das digitale Signal über DVI-D bzw. das analoge Signal über VGA ausgegeben wird. Die beiden Monitore können dann entweder im Modus Extended Desktop oder Display Clone (Erläuterung der Modi siehe Kapitel 4.4.1) betrieben werden. Zusätzliche Treiber müssen nicht installiert werden, Windows bringt diese Unterstützung für die Grafikchips in Form von integrierten Intel-Treibern von Haus aus mit. Bei SIMATIC Panel PCs kann über den vorhandenen DVI-I-Ausgang ein weiterer analoger oder digitaler Bildschirm angeschlossen werden. Schnittstellen Box PC SIMATIC IPC627C: DVI-I-Schnittstelle (blau) zum Anschluss eines analogen oder digitalen Monitors, oder zweier Monitore (1x analog, 1x digital) über Y-Kabel (erhältlich als Zubehör) Zwei Monitore am Rack PC SIMATIC IPC547C Dieser SIMATIC Rack PC ist mit einem VGA-Anschluss zum Anschluss eines analogen Monitors ausgestattet. Für ihn steht zusätzlich als Bestellvariante ein DVI- Extension-Adapter bereit. Dieser Adapter ermöglicht den Anschluss zweier Monitore an den Rack PC mit derselben Funktionalität wie bei anderen SIMATIC IPCs (ein DVI- und ein VGA-Monitor; Extended Desktop und Display Clone; siehe Kap ). Der Adapter belegt den PCIe x16-slot auf dem Mainboard. All Rights reserved 16 von 27

17 4.3.3 Externe Grafikkarten Um die Grafikleistung zu verbessern, steht für die Rack PCs jeweils eine leistungsfähige, systemgetestete Grafikerweiterungskarte für den PCI-Express x16- Steckplatz als Bestellvariante zur Verfügung. Diese Karte verfügt über einen leistungsfähigen Grafikchip für komplexe 2D- und verbesserte 3D-Berechnungen. Auf den Hauptspeicher der Rack PCs wird dabei nicht zugegriffen SIMATIC IPC647C und IPC847C: Auch hier ermöglicht die Grafikkarte den gleichzeitigen Anschluss von bis zu 2 Monitoren. Die Grafikkarte verfügt über zwei DisplayPort-Schnittstellen (V 1.1), welche über Adapter die Monitorsignale entweder als analoge (VGA) oder digitale (DVI-D) Daten ausgeben kann. Somit können an diese Karte ebenfalls zwei Monitore über DisplayPort und DVI und/oder VGA über Adapter angeschlossen werden. Der interne Grafikchip muss bei Nutzung dieser Karte nicht deaktiviert werden. An diesen kann ein weiterer Bildschirm angeschlossen werden. Bei den beiden Rack PCs mit den zwei Anschlussmöglichkeiten der externen Grafikkarte ist somit Multi- Monitoring mit bis zu vier Displays (über Onboard-Grafik 1x VGA und 1x DVI-D sowie über Grafikkarte 2x DVI-D und/oder VGA) möglich. Erweiterungskarte für Rack PCs SIMATIC IPC647C (oben) und IPC847C (unten): DisplayPort-Grafikschnittstellen (blau) der Grafik-Erweiterungskarte zum Anschluss zweier Monitore (DVI und/oder VGA) über Adapter. All Rights reserved 17 von 27

18 SIMATIC IPC547C Hier ermöglicht die Grafikkarte über eine Weiche mit proprietärem Format den gleichzeitigen Anschluss von bis zu 2 Monitoren über ein mitgeliefertes Y- Adapterkabel mit zwei DVI-I-Ausgängen. Somit können an diese Karte zwei beliebige Monitore (DVI und/oder VGA) angeschlossen werden. Der interne Grafikchip muss bei Nutzung dieser Karte deaktiviert werden. Wird der Rack PC mit der externen Grafikkarte bestellt, wird er mit den passenden BIOS- Einstellungen ausgeliefert, bei einem nachträglichen Einbau müssen diese von Hand vorgenommen werden. Erweiterungskarte für Rack PC SIMATIC IPC547C: Proprietäre Grafikschnittstelle (blau) der Grafik-Erweiterungskarte zum Anschluss zweier Monitore (DVI und/oder VGA) über Y-Kabel All Rights reserved 18 von 27

19 4.4 Anzeigeoptionen, Skalierung und Verhindern gleichzeitiger Bedienung Displayoptionen Folgende Optionen stehen für den Betrieb mit mehr als einem Display zur Verfügung 10 : Dual View (Extended Desktop): Auf zwei angeschlossenen Monitoren können unterschiedliche Bildschirminhalte dargestellt werden. Diese Lösung bietet sich an, wenn an einer Maschine an zwei unterschiedlichen Stellen verschiedene Bildschirminhalte angezeigt werden sollen. Also z. B. für zwei Anwender, die verschiedene Informationen benötigen. Hier gibt es einen primären Bildschirm, auf dem die Windows-Taskleiste liegt. Programmfenster können beliebig verschoben werden. Für jeden der beiden Monitore kann Auflösung, Bildwiederholfrequenz und Farbtiefe einzeln eingestellt werden. Besonderheit bei Rack PC SIMATIC IPC647C und IPC847C mit optionaler Grafikkarte: Werden hier zwei Bildschirme an der Erweiterungskarte und zwei weitere Bildschirme per Y-Kabel an der internen Grafikkarte angeschlossen, können auf allen vier Monitoren unterschiedliche Bildschirminhalte wiedergegeben werden. Primärer Bildschirm ist hier immer ein Monitor an der internen Grafikkarte. (Display) Clone: Auf zwei angeschlossenen Monitoren werden die gleichen Inhalte dargestellt. Nützlich ist dies z. B. wenn Diagnosedaten sowohl an einem Leitstand wie auch direkt an der Maschine dargestellt werden sollen. Hier muss ein sog. primäres Display festgelegt werden, an dem sich dann Auflösung und Bildwiederholfrequenz für beide Displays bemisst. Besonderheit bei Rack PC SIMATIC IPC647C und IPC847C mit optionaler Grafikkarte: Werden hier zwei Bildschirme an der Erweiterungskarte und zwei weitere Bildschirme über Y-Kabel an der internen Grafikkarte angeschlossen, können nur jeweils die beiden Monitore der Grafikerweiterungskarte oder der internen Grafikkarte geklont werden. Das Klonen eines Bildes der externen Grafikkarte auf einen Monitor an der internen Grafikkarte ist nicht möglich. Single Display: Hier kann bei mehreren angeschlossenen Monitoren ein Monitor zur Anzeige der Bildschirmdaten ausgewählt werden. Der andere Monitor wird abgeschaltet. Besonderheit bei Rack PC SIMATIC IPC647C und IPC847C mit optionaler Grafikkarte: Werden hier zwei Bildschirme an der Erweiterungskarte und zwei weitere Bildschirme an der internen Grafikkarte angeschlossen, kann von den zwei Monitoren an der Grafikerweiterungskarte einer zur Anzeige gewählt werden. Von den an die interne Schnittstelle angeschlossenen Monitoren kann unabhängig davon ein zweiter Monitor ausgewählt werden. 10 Beim Einsatz mehrerer Bedienstationen (bedienbare Anzeigeeinheiten) sollte beachtete werden, dass gleichzeitiges Bedienen zu Problemen führen kann und durch eine Bedienkanalverriegelung verhindert werden sollte. Dies gilt besonders für Dual-View- und Clone-Anwendungen. All Rights reserved 19 von 27

20 Mit der Erweiterungskarte sind bei Rack PCs zusätzlich folgende Optionen zur Bildschirmaufteilung für die an die Erweiterungskarte angeschlossenen Monitore möglich: Horizontal Span: Bei dieser Anzeigeoption erstreckt sich der Windows- Bildschirm horizontal über die beiden Monitore der Erweiterungskarte. Dies ist eine gute Option wenn ein Programm ein Anzeigefenster mit einer großen Breite öffnet und man seitliches Scrollen vermeiden will, was z. B. bei der Visualisierung von Anlagen nützlich ist. Hier muss ein primäres Display festgelegt werden, an dem sich dann die Auflösung und Bildwiederholfrequenz für beide Displays bemisst. Vertical Span: Analog dem horizontalen Spanning streckt sich hier der Windows-Bildschirm vertikal, also in der Höhe über 2 Monitore. Eine Zeichnung mit einer großen vertikalen Ausdehnung etwa kann so bequemer bearbeitet werden. Auch hier muss ein primäres Display bestimmt werden, an dem sich die Auflösung und Bildwiederholfrequenz für beide Displays bemisst Skalierung Wird ein Display nicht in seiner nativen Auflösung (siehe Kapitel 1.1) betrieben, so muss die Elektronik des Displays die Grafikdaten skalieren. Das Skalieren hat den Vorteil, dass prinzipiell jede von der Grafikkarte gesendete Auflösung bildschirmfüllend auf einem anders auflösenden Monitor dargestellt werden kann, sofern die Elektronik des Monitors die empfangenen Daten verarbeiten kann. Ein Nachteil des Skalierens ist jedoch, dass unter Umständen die Proportionen sowohl von Grafik als auch von Schriften bei der Darstellung verzerrt und damit unlesbar werden können. Zwei kleine Beispiele dazu: Ein Monitor mit einer nativen Auflösung von 1280 x 800 (16:10) kann ein Bild darstellen, dass von der Grafikkarte mit einer Auflösung von 640 x 480 (4:3) gesendet wird. Damit es bildschirmfüllend und nicht nur als kleiner Bereich des Monitors dargestellt wird, skaliert der Monitor das empfangene Bild. Dabei werden die Seiten nicht im Verhältnis 1:1 vergrößert, sondern im Verhältnis von 1:0,6 verzerrt. Ein Quadrat, das bei der Auflösung 640 x 480 eine Kantenlänge von 100 Pixeln hat, wäre nach dem Skalieren auf die Auflösung 1280 x 800 dann z. B. ein 200 Pixel breites und 160 Pixel hohes Rechteck. Weiterhin kann es beim Skalieren zu Unschärfe kommen, wenn z. B. eine schwarze horizontale Linie bei 640 x 480 eine Länge von 640 Pixeln und eine Dicke von einem Pixel hat und dann hochskaliert wird. Die neue Linie wird dann 1280 Pixel in der horizontalen Ausdehnung und in der Y-Achse 1,6 Pixel belegen. Für die nicht ganz ausgefüllten Pixel entlang der Y-Achse errechnet die Displayelektronik einen Mischwert mit den umliegenden Pixeln, so dass die klare Grenze der Linie verwischt. Einige Monitore skalieren auch linear um Verzerrungen zu vermeiden, also in einem Verhältnis von 1:1 und lassen am nicht ausgefüllten Bereich des Bildschirms einen schwarzen Rand. Das Skalieren kommt damit auch bei allen Grafikmodi zum Einsatz, wo nur für ein Display eine Auflösung eingestellt werden kann und der andere Bildschirm bei einer All Rights reserved 20 von 27

21 abweichenden nativen Auflösung skalieren muss (Clone und Span). Je nach Monitorelektronik kann diese versuchen die Verzerrungen herauszurechnen, die Qualität der skalierten Darstellung wird jedoch eher schlechter sein als beim Original Bedienkanalverriegelung Wie oben schon erwähnt ist es kritisch, wenn zwei Bediener gleichzeitig an zwei Bedienplätzen mit dem gleichen Bedienbild arbeiten. Hier kann es leicht zu Fehlbedienungen kommen. Ein Beispiel: Zwei Operatoren ändern gleichzeitig unwissend voneinander die gleichen Parameter für eine Produktion. Diese gleichzeitige Bedienung kann nur schwer von der Projektierung der Software vermieden werden, da diese i.d.r. die Bedienstationen nicht unterscheiden kann und somit nicht registriert, dass sie eventuell widersprüchliche Eingaben erhält. Bei SIMATIC-Geräten wird per Software sichergestellt, dass solche Fehlbedienungen vermieden werden. Bei einem Thin Client übernimmt dies 11. Bei den Touchgeräten ist dafür der Touchtreiber (in Planung) zuständig und bei den kommenden Tastengeräten ein dezidierter Treiber. 11 Die Option WinCC stellt für viele Panels und Multi Panels sowie PCs mit WinCC flexible Runtime einfache Client-/Server-Mechanismen zur Verfügung, die Basis für innovative Konzepte bei HMI- und Automatisierungsaufgaben sind. All Rights reserved 21 von 27

22 4.5 Abgesetzte Lösungen bei SIMATIC IPC Monitorverlängerung Reguläre DVI- bzw. VGA-Verbindungen mit Monitoren erlauben nur eine eingeschränkte Kabellänge (siehe Kapitel 2). Diese ist abhängig von der Umgebung, der Auflösung und bei VGA von der tolerierbaren Bildqualität. Im Allgemeinen sind im Industriebereich die Grenzen für DVI bei 5m und VGA etwa bei 20m für einen störungsfreien Betrieb erreicht. Bei größeren Distanzen muss entsprechend der Auflösung eine Kombination aus speziell geschirmtem Kabel und Verstärker verwendet werden. Zusätzlich zum Anzeigeteil ist z. B. bei Bedienplätzen mit Touchmonitoren zu beachten, dass auch eine USB-Verbindung bis zum Monitor geleitet werden muss. Der USB-Standard hat eine maximale Kabellänge von 5m spezifiziert, darüber hinaus muss auch hier eine Kombination aus signalverstärkenden Sender- und Empfängerbaugruppen verwendet werden. Flat Panel Monitor Extended -Variante: Eine Kombination aus externen Sender- und Empfängerbaugruppen ist nur im Office-Bereich akzeptabel hier verlangen teilweise die Baugruppen noch nach einem externen Steckernetzteil zur Stromversorgung. Integrierte Lösungen vereinfachen den Aufbau hier deutlich und sorgen für ein robusteres Gesamtsystem. So gibt es SIMATIC Flat Panel-Monitore optional in der Extended -Variante, die bereits über einen integrierten Empfänger für DVI und USB verfügen. Passend dazu gibt es als Zubehör Kabelsets von Siemens, die eine maximale Kabellänge von bis zu 30m im Industriebereich sicher überbrücken können. Ab Verlängerungen von über 5 m muss die beim Kabelset mitgelieferte USB-Senderbaugruppe Konfigurationsbeispiele mit Flat Panel-Monitor zwischengeschaltet werden. An SIMATIC Box PCs ist für diese eine Befestigungsmöglichkeit vorgesehen. Auch über diese Entfernung lässt sich dann eine optional integrierte Touch-Funktionalität der SIMATIC Flat Panels nutzen. Der integrierte USB-Hub ermöglicht zusätzlich noch den Anschluss von Tastatur, Maus oder Massenspeicher. Anschlussseite eines SIMATIC Flat Panel-Monitor in Extended-Ausführung mit (von links): Stromanschluss 110/230V AC (bzw. 24V DC hier hinter einer Schiebe-Klappe), USB-In ( 5 m zur Recheneinheit), 2x USB-Out, RJ45 für USB-In >5 m, VGA, DVI All Rights reserved 22 von 27

23 4.5.2 Thin Client-Technologie Für größere Entfernungen sind z. B. Thin Client-Lösungen interessant. Im Unterschied zur Übertragung der Bildinformationen über ein Monitor-Kabel werden hier die Bildinformationen im PC selbst verarbeitet und mittels TCP/IP- Protokoll einem Client zur Verfügung gestellt, der aus den so übermittelten Daten das Bild wieder aufbaut. Rückmeldung über Mausposition etc. erfolgt auf gleichem Weg. Dadurch lässt sich über das Internet praktisch jede Entfernungsbeschränkung umgehen. Es gibt aber auch prinzipbedingt Einschränkungen eines Thin Client-Konzepts. Die Datenrate, mit der die Änderungen des Bildinhaltes übertragen werden kann, ist normalerweise begrenzt speziell wenn diese Daten über das Internet übertragen werden. Typische Büro- und Industrieanwendungen sind für Thin Client-Konzepte ohne weiteres geeignet, bewegte Bilder (z. B. Filme) führen aber oft an die Grenzen dieser Technologie. Da das Betriebssystem für die Übertragung der Bildinhalte zuständig ist, wird es auch mit den notwendigen Berechnungen belastet. Des Weiteren ist ein laufendes System Voraussetzung, da die Bilddaten erst von einem im Betriebssystem laufenden Programm verarbeitet werden müssen. Die Bedienung eines nicht laufenden bzw. startenden Systems ist deshalb nicht möglich. Auch das Auslesen bzw. Ändern von BIOS-Informationen im BIOS selbst ist nicht möglich, da die Bildund Datenübertragung erst durch ein laufendes Betriebssystem möglich wird. Siemens bietet Thin Clients in Größen von 10 und 15 für den Einbau in Schaltschränken und ein 15 -Gerät für den Anbau an einen Tragarm an. Die Geräte verfügen über RDP (Remote Desktop Protocol), VNC (Virtual Network Computing), SINUMERIK-Protokoll sowie Citrix ICA Client und verfügen über einen integrierten Web-Browser und -server zur Remote-Konfiguration des Gerätes. Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen stehen spezielle Geräte zur Verfügung, die SIMATIC HMI Thin Client Ex (siehe Bild rechts). Diese können für die ATEX- Zonen 1/21 und 2/22 konfiguriert werden. All Rights reserved 23 von 27

24 5 Exkurs: Benötigte Bandbreite zur Bilddatenübertragung Um ein Monitorbild darzustellen, benötigt der Monitor kontinuierlich Bilddaten von der Grafikkarte. Diese werden über die vorhandene Schnittstelle (bei SIMATIC IPC: VGA oder DVI) übertragen. Der Begriff Bandbreite wird umgangssprachlich für die Übertragungsleistung verwendet, bezeichnet jedoch eigentlich ein Frequenzband. Korrekt wäre, hier von Datenübertragungsrate zu sprechen. Die benötigte Datenübertragungsrate berechnet sich näherungsweise 12 wie folgt: X-Auflösung Y-Auflösung Farbtiefe Refresh-Rate = Datenübertragungsrate Damit ergibt sich z. B. für einen 19 -Bildschirm mit der Auflösung 1280*1024 bei einer Farbtiefe von 24 Bit und 60 Hz Bildwiederholfrequenz (Refresh-Rate) folgende benötigte Datenübertragungsrate: 1280 x 1024 x 24 x 60 = Bit/sec 1,9 GBit/sec Damit kann diese Auflösung ohne Probleme z. B. über ein Single-Link DVI-Kabel übertragen werden. Umgekehrt kann man bei einer vorgegebenen Datenübertragungsrate die maximale Bildschirmauflösung berechnen: X-Auflösung x Y-Auflösung = Datenübertragungsrate/(Farbtiefe Refresh-Rate) Bei einem Single-Link DVI mit einer maximalen Datenübertragungsrate von 3,7 GBit/sec ist man bis zu einer Auflösung von 1600 x 1200 Pixel (ca. 20 -Monitore) auf der sicheren Seite. 12 Näherungsweise deswegen, weil weder Korrekturbits noch Totzeitverluste berücksichtigt werden. Es gibt 6 zusätzliche Korrekturbits, Totzeitverluste sind abhängig von Kabellänge, -qualität sowie technischen Eigenschaften von Grafikkarte und Monitor. All Rights reserved 24 von 27

25 6 Exkurs: Bussysteme Gerade die Berechnung von Grafikdaten erfordert eine stetige und datenintensive Kommunikation zwischen Hauptprozessor und Grafikkarte sowie Hauptspeicher und Grafikkarte. Bis in die 90er Jahre waren Systemkomponenten über den ISA-Bus und darauf folgend über den PCI-Bus miteinander verbunden. Der Bus wurde zum Flaschenhals, denn mit einem Standard-PCI-Bus 13 können maximal 133 MByte/sek an Daten übertragen werden. Hinzu kommt, dass sich alle angeschlossenen Komponenten die verfügbare Kapazität teilen müssen. Aus diesem Grund wurde der AGP 14 -Port entwickelt, der für einen direkten Anschluss der Grafikkarte an den Chipsatz und somit an die CPU und den Hauptspeicher sorgte. Damit wurde die Grafikkarte aus dem Bussystem herausgenommen, so dass dessen Leistung wieder den restlichen Systemkomponenten zur Verfügung stand. Mit einem AGP x1-port lassen sich bis zu 266 MByte/sek an Daten übertragen. Die Reserven des AGP-Ports sind mit AGP x8 erschöpft, der eine Datenübertragungsrate von 2133 MByte/sek bietet. Weitere Bandbreiten-Steigerungen konnten über AGP nicht mehr realisiert werden, die physikalischen Probleme dabei waren nicht mehr zu beheben. Schnell erreichten Grafikkarten jedoch die Leistungsfähigkeit, die den AGP-Port an seine Übertragungsgrenzen brachte. Zudem führte auch die Weiterentwicklung der restlichen Systemkomponenten, wie Soundausgabe, schnellere Laufwerke (SATA) und USB zu einem gestiegenen Bedarf an verfügbarer Bandbreite auf dem Systembus. Deshalb arbeitete seit 2002 eine PCI-SIG (PCI Special Interest Group) an der Weiterentwicklung von PCI und entwickelte PCI Express 15. PCI Express soll sowohl PCI wie auch AGP ablösen. Im Gegensatz zu seinen Vorgängern ist PCI-E in der Version 1.0 eine mit 2,5 GHz getaktete serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung der, je nach Ausprägung, eine gewisse Anzahl Lanes für die Datenübertragung zur Verfügung stellt. Eine Lane besteht aus zwei Leitungspaaren, jeweils eines für das Senden und für das Empfangen von Daten. Pro Leitung sind Datenübertragungsraten von 250 MByte/Sek möglich 16. Damit sind also bei einem PCIe x1-steckplatz insgesamt bis zu 500 MByte/sek (jeweils 250MByte/sek Senden und Empfangen) Datenübertragungsrate möglich. PCIe x1 wird nach dem Willen der PCI-SIG den Standard-PCI-Steckplatz ersetzen. Bei weiteren gängigen PCIe- Ausprägungen erhöht sich die Übertragungsrate um die jeweiligen Vielfachen. Bei PCIe x16 beträgt die Datenübertragungsrate dementsprechend insgesamt 8 GByte /sek (4 GByte/sek pro Richtung). Diese Schnittstelle wird auch als PEG, als PCI-Express for Graphics bezeichnet, da sie häufig zur Anbindung externer oder interner Grafikkarten genutzt wird. Die Verbindung mehrerer PCIe-Komponenten erfolgt über Switches. 13 Am weitesten verbreitet: PCI 2.0 mit einer Bandbreite von 32 Bit und einem Takt von 33 MHz. 14 Accelerated Graphics Port: Kein Bus, sondern eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung 15 Auch PCI-E oder PCIe 16 Die Daten werden mit einer 8B10B-Codierung übertragen: 8 Bit Daten werden als 10 Bit Code übertragen. Es ergibt sich bei 2,5 GHz Takt eine Datenübertragungsrate 250 MByte/sek in eine Richtung. All Rights reserved 25 von 27