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Bild: Intel Programable Solutions Group

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.

Asymmetrisches Multiprocessing

Bild 4: FPGA-Skalierungsmöglichkeiten.

Bild 4: FPGA-Skalierungsmöglichkeiten. Intel Programable Solutions Group

Wesentlicher Bestandteil einer industriellen Steuerung sind die Verarbeitungsfunktionen eines Host-/primären MCU-, DSP-, ASIC- oder ASSP-Bausteins. Wenn Performance eine Herausforderung darstellt, bieten FPGAs mehrere Möglichkeiten, die Datenverarbeitungsleistung zu skalieren (Bild 4). Eine Möglichkeit besteht darin, einen leistungsstarken externen Prozessor zu verwenden – zusammen mit einem oder mehreren Embedded-Prozessoren innerhalb des FPGAs. Alle Verarbeitungsfunktionen lassen sich auch als SoC in das FPGA integrieren.  Entwickler industrieller Embedded-Systeme sind generell an asymmetrischer Coprozessor-Verarbeitung interessiert, wobei der FPGA entweder als I/O-Companion-Chip oder SoC dient. Asymmetrisches Multiprocessing bedeutet, dass Produkte mit mehreren Funktionen für jede Hauptfunktion einen eigenen Prozessor aufweisen können.

Kundenspezifische Befehle

Bild 5: Performance-Zuwächse durch kundenspezifische Befehle.

Bild 5: Performance-Zuwächse durch kundenspezifische Befehle. Intel Programable Solutions Group

Eine andere Möglichkeit besteht darin, kundenspezifische Befehle entsprechend dem Prozessor-Code zu erstellen, der anwendungsspezifische Prozessorbefehle beschleunigt. Bild 5 beschreibt, wie sich die Arithmetik-Logikeinheit (ALU) des Softprozessors Intel Nios II mit kundenspezifischer Befehlslogik ergänzen lässt. Dabei handelt es sich um einen vollständigen Prozessor, der sich mit einer FPGA-Fabric von Intel erstellen lässt. Durch kundenspezifische Befehle verringert sich die ansonsten erforderliche hohe Anzahl komplexer Standardbefehle auf einen einzigen In-Line-Befehl, der in die Hardware implementiert ist. Diese Funktion ist in unterschiedliche Anwendungen integrierbar. Somit lassen sich interne Software-Routinen für DSPs, die Paket-Header-Verarbeitung und rechenintensive Anwendungen optimieren.

Die Software Quartus Prime von Intel bietet eine Konfigurations-GUI, die bis zu 256 kundenspezifischen Befehle für den Nios-II-Prozessor unterstützt. Im Beispiel in Bild 5 kommt ein 64-KByte-CRC-Puffer (Cyclic Redundancy Check) zum Einsatz. Der kundenspezifische Befehl kann die CPU-Leistung um das 27-fache erhöhen – verglichen zum reinen Softwarebefehl in einem Nios-II-Prozessor. Kundenspezifische Single-Precision Floating-Point-Befehle des Nios II sind ein weiteres Beispiel, um Prozessoroperationen zu beschleunigen. Diese Befehle beschleunigen die FPGA-Performance für Divisions-, Multiplikations-, Subtraktions- und Additionsfunktionen erheblich.

Thema auf der nächsten Seite: Hardwarebeschleunigung.

Hardwarebeschleunigung

Die dritte Möglichkeit, die Performance zu erhöhen, ist der Einsatz anwendungsspezifischer Hardwarebeschleunigungsblöcke. Beispiele sind dabei vor allem DSPs und die Bildverarbeitung. Durch den Ausschluss möglicher Datenengpässe mittels gleichzeitiger oder paralleler Coprozessor-Verarbeitung lässt sich die System-Performance durch kundenspezifische Befehle erheblich verbessern.

Bild 6: Der Abfahl des Produktlebenszyklus von FPGAs ist weniger steil als bei anderen Produkten.

Bild 6: Der Abfahl des Produktlebenszyklus von FPGAs ist weniger steil als bei anderen Produkten. Intel Programable Solutions Group

FPGAs haben aufgrund ihrer Bauart lange Lebenszyklen, die eng mit denen industrieller Steuerungen übereinstimmen (Bild 6). Andere Formen von Datenverarbeitungseinheiten, wie Mikrocontroller und Mikroprozessoren, haben viel kürzere Lebenszyklen und zielen auf Designs in Stückzahlen ab, die deutlich kürzer auf dem Markt sind. Kunden erwarten von Herstellern industrieller Anwendungen, dass die Ausrüstung beziehungsweise das System bis zu 30 Jahre in Gebrauch ist. In dieser Zeit wird sich die Technologie rasant weiterentwickeln. Für den kommerziellen Erfolg ist es daher entscheidend, die Anfangsinvestitionen in eine Produktionsanlage erfolgreich abzuschöpfen. FPGAs sind mit ihrer reprogrammierbaren Flexibilität und mit ihren langen Lebenszyklen die optimalen Datenverarbeitungs-ICs für eine Vielzahl industrieller Designs, die von den sich schnell entwickelnden Initiativen rund um Industrie 4.0 und IIoT profitieren sollen.

Umar Mughal

Director MAG & Industrial Business Group bei Intel

(na)

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