Hersteller von Automatisierungssystemen stehen vor der Herausforderung, jahrzehntealte Anlagentechnik an aktuelle Konzepte für Industrie 4.0 und das IIoT anzupassen. Rückblickend ist zu erkennen, dass beim Bau der Industrieanlage Konzepte wie Industrie 4.0 noch nicht existierten und viele der bekannten aktuellen Netzwerkprotokolle nicht vorhanden waren. Entwickler suchen daher nach Möglichkeiten, Systeme aktuell zu halten, indem Steuerungen sich während ihrer Lebensdauer mehr neu programmieren lassen.

Integration senkt Kosten

Wesentliche Herausforderungen bei der Entwicklung industrieller Systeme.

Bild 1: Wesentliche Herausforderungen bei der Entwicklung industrieller Systeme. Intel Programable Solutions Group

Zunehmend komplexere Systeme führen auch dazu, dass Entwickler sehr genau überlegen, welche Art von Prozessor sie in ihr Design integrieren. FPGAs zeichnen sich aufgrund ihrer flexiblen Eigenschaften als sehr gut geeigneter Datenverarbeitungsbaustein beziehungsweise Prozessor aus. Mit ihnen lassen sich I/O-Funktionen erweitern, Aufgaben von anderen Bausteinen wie Mikrocontrollern (MCUs) oder digitalen Signalprozessoren (DSPs) auslagern.  Vor allem sind sie aber in der Lage, eine Vielzahl von Funktionen in einem SoC-FPGA zu kombinieren – zu einem Bruchteil der Kosten im Vergleich zu Lösungen mit diskreten Bausteinen. Die Integration aller Prozessor-, Signalverarbeitungs- und I/O-Funktionen in eine einzige FPGA-basierte SoC-Plattform gestaltet auch das Design weniger komplex und verringert die Kosten des Gesamtsystems (Bild 1).

Zwei Funktionen – ein SoC

FPGA, das als SoC für eine Motorsteuerung zum Einsatz kommt.

Bild 2: FPGA, das als SoC für eine Motorsteuerung zum Einsatz kommt. Intel Programable Solutions Group

In der Automatisierungstechnik sind häufig Steuerungen erforderlich, die gleichzeitig Funktionen für die Motorsteuerung und die Netzwerkkommunikation übernehmen. Dies kann zu Bandbreitenbeschränkungen bei vielen MCUs oder DSPs führen. Zusätzliche Rechenressourcen für eingeschränkte Systeme entwickeln sich dann unter Umständen zu einer teuren und schwierigen Aufgabe. Ebenso kann die Unterstützung für sich weiterentwickelnde Netzwerkprotokolle, wie Industrial Ethernet, eine Herausforderung darstellen. FPGAs tragen jedoch dazu bei, mehr Funktionen zu integrieren, sei es als Coprozessor oder als vollständiges FPGA-SoC. Zudem ermöglichen sie die Änderung eines Designs während des Produktlebenszyklus.

Bild 2 beschreibt eine Motorsteuerung, in der ein FPGA-SoC wie der Intel Cyclone V zum Einsatz kommt, um die Motorsteuerung und Netzwerkkommunikation mit einem einzigen Baustein umzusetzen. DSP-Blöcke, Speicher, die Motor-Encoder- und PWM-Funktionen finden sich dabei auf dem einzigen FPGA. Dieser Ansatz erfordert nur das Hinzufügen von Analog- und Leistungselektronik-Schaltungen, um das Design zu vervollständigen.

Bild 3: Überführung einer Motorsteuerung vom Feldbus auf Industrial Ethernet.

Bild 3: Überführung einer Motorsteuerung vom Feldbus auf Industrial Ethernet. Intel Programable Solutions Group

Motorsteuerungsanwendungen wie diese nutzen digitale Codierungseingänge und IP-Blöcke, um eine Rückkopplung bereitzustellen und die Motordrehzahl und Rotorposition genau zu berechnen. Die Integration von IP-Cores auf dem FPGA hilft dabei, die Anzahl der Bauteile zu reduzieren, wertvollen Platz auf der Leiterplatte einzusparen und die Stückliste zu verkleinern. Ein weiterer Vorteil ist, dass mit einer geringeren Anzahl an Bauelementen im Design die Zuverlässigkeit zunimmt.

Auf Veränderungen reagieren – FPGAs

Die Notwendigkeit, sich verändernde Netzwerkstandards während der Lebensdauer einer Motorsteuerung zu berücksichtigen, ist sehr wahrscheinlich. Besonders die Fähigkeit, eine Motorsteuerung oder eine andere industrielle Einrichtung neu zu programmieren, hält nicht nur die Ausrüstung auf dem neuesten Stand, sondern fördert auch langlebigere Produktdesigns und senkt die Gesamtsystemkosten. So wird das Feldbus-Netzwerkprotokoll dem immer beliebteren Industrial Ethernet weichen. Die Möglichkeit, Designs durch Neuprogrammierung des FPGAs auf das neue Protokoll umzustellen, ist sehr kosteneffektiv (Bild 3).

Eck-Daten

FPGAs sind durch ihre Reprogrammierbarkeit und langen Lebenszyklen die Datenverarbeitungs-ICs der Wahl für viele industrielle Designs. Durch diese Flexibilität können Anlagenhersteller gewährleisten, dass ihre Ausrüstung bis zu 30 Jahre im Gebrauch bleiben kann und sich während ihrer Lebensdauer auf aktuelle Trends wie Industrie 4.0 oder IIoT aufrüsten lässt. Intel beschreibt im Beitrag, wie sich durch Integration mehrerer Funktionen auf einem SoC Kosten sparen lassen und wie sich die Performance der Bausteine durch asymmetrisches Multiprocessing, kundenspezifische Befehle und Hardwarebeschleunigung noch erhöhen lässt.

Einer der jüngsten Netzwerkstandards, der als wichtige Technologie für Industrie 4.0 gilt, ist der zeitkritische Netzwerkstandard 802.1. Die deterministische Echtzeit-Ethernet-Verbindung zwischen industriellen Einrichtungen und Steuerungen gilt als entscheidend für den Erfolg vieler IIoT- (Industrial Internet of Things) und Industrie-4.0-Anwendungen. Eine schnelle Reprogrammierung von FPGAs in älteren Einrichtungen (um 802.1 zu unterstützen) verschafft Herstellern einen Wettbewerbsvorteil und unterstützt Kunden dabei, aktuelle industrielle Prozesse rasch umzusetzen.

Lesen Sie auf der nächsten Seite mehr über asymmetrisches Multiprocessing und kundenspezifische Befehle.

Seite 1 von 3123