Zwei Kerne mit Beschleuniger 3-in-1 Echtzeit-Prozessor

Autor / Redakteur: Karin Pfeiffer / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Echtzeit gilt als Schlüsselfaktor für Industrie 4.0 – ohne entsprechende Antriebssteuerung geht das allerdings nicht. Die Crux: Chip-Designs mit Cache, mangelnde Leistung und fehlendes Tempo haben die Reaktionsfähigkeit bislang ausgebremst. Renesas hat neu konzipiert und in die Architektur der Echtzeit-Prozessorlösung RZ/T1 die Ausrichtung auf Industrie 4.0 bereits eingebaut.

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Ein Trend, der derzeit die Automatisierung in Richtung Fabrik der Zukunft bewegt, ist die Ausrichtung der Produktion auf Losgröße 1. Doch dafür ist neues Denken gefragt.
Ein Trend, der derzeit die Automatisierung in Richtung Fabrik der Zukunft bewegt, ist die Ausrichtung der Produktion auf Losgröße 1. Doch dafür ist neues Denken gefragt.
(Bild: Renesas)

Mächtig und robust stehen sie auf Anhöhen oder im platten Land, immer aber in exponierter Lage: Windkrafträder bringen ihre Produktionsleistung, weil sie sich auf die Umgebungsbedingung einstellen können. Ihre Rotorblätter drehen sich mit dem Wind, passen sich an seine Geschwindigkeit und Kraft und dabei feinst abgestimmt in ihren Bewegungen auch aneinander an. Antriebe steuern die Rotorblätter einzeln und meistern die unberechenbaren Böen und Windscherungen, die aus allen Richtungen kommen können.

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Damit haben sie mehr gemeinsam mit den automatisierten Anlagen in windgeschützten Werkshallen etwa der Automobil- oder Verpackungsindustrie als so mancher auf den ersten Blick vielleicht annehmen mag: „Windkrafträder machen, was auch Maschinen können müssen, wenn sie für Industrie 4.0 aufgestellt werden“, erklärt Andreas Thamm, Manager Smart Factory Industrial & Communications Business Group der Renesas Electronics Europe GmbH in Düsseldorf.

„Sie passen sich automatisiert an die wechselnden Anforderungen und innerhalb ihrer Energieproduktionslinie auch Rotorblatt für Rotorblatt aneinander an – Machine to Machine gewissermaßen.“ Je präziser das gelingt, desto weniger schädigend für die Anlage. Je schneller das gelingt, desto stärker Leistung und Output.

Alles auf einem Chip kombiniert

Und so war es unter anderem auch ein deutscher Kunde aus der Windenergieanlagen-Branche, mit dem sich Renesas für die Echtzeit-Prozessorlösung der RZ/T1 ausgetauscht hat: grob umrissen eine CPU mit bis zu 600 MHz Taktfrequenz, R-IN Engine für die Echtzeit-Steuerung, mit Multiprotokoll-Funktionen für die Industrial-Ethernet-Kommunikation und deterministischer Netzwerk-Verbindung.

Thamm: „Alles auf einem Chip kombiniert und als Lösungskit ‚Drive it! Motor Control RZ/T1!‘ bereits komplett mit Inverter-Board, Motor, Motor-Control-Software und Netzwerk-Stacks gepackt für die Anwendung.“ Ein skalierbarer Baustein, den Renesas mit zwei Gehäuseformen und unterschiedlichen Funktionalitäten anbietet, etwa in einer Dual-Chip-Variante mit Kommunikationsschnittstelle.

Ausgelegt für die Fabrik von Morgen

Die Produktgruppe RZ/T1 für die Fertigungsautomatisierung ist auf den Einsatz in vielen industriellen Anwendungen ausgelegt - also etwa in AC-Servoantrieben, Motion Controllern oder auch in Umrichter-Steuerungen. Sie erfordern eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit und Rechenleistung, Reaktionsvermögen, Echtzeit-Kommunikation, Flexibilität und höhere Präzision. Allesamt Voraussetzungen für die Fabrik von Morgen, die sich nur über den Verbund ihrer einzelnen Komponenten realisieren und übertragen lassen.

Ganz schnell und ganz genau reagieren

Genau das geht ohne entsprechend ausgelegte Drives nicht. „An sie werden zunehmend diese deutlich höheren Anforderungen gestellt“, so Thamm und skizziert, welche Änderungen und Trends derzeit die Automatisierung in Richtung Fabrik der Zukunft bewegen: „Die Ausrichtung der Produktion auf Losgröße 1 beispielsweise – dafür sind cyber-physische Systeme erforderlich, also ein Verbund aus IT, Software mit mechanischen und elektronischen Teilen, die über eine Dateninfrastruktur kommunizieren. Da sollte jede Komponente ansprechbar sein, ähnlich wie bei den Rotorblättern.“

Ein Beispiel? Draußen erzeugen etwa Turbulenzen hohe dynamische Belastungen an den Antriebskomponenten. Drinnen zerrt zwar keine Sturmböe, aber es gibt denkbar viele andere Auslöser für Nothalt & Co. In jedem Fall ist eine enorm schnelle und genaue Reaktionsfähigkeit gefragt.

„Eine wichtige Voraussetzung auch für den autonomen Einsatz von Maschinen, etwa in der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter. In jedem Fall muss der Motorcontroller die Änderung der Bedingungen sofort verarbeiten und darauf reagieren können – und zwar mit einem deterministischen Verhalten des Systems“, so Thamm. „Also ohne unvorhersagbare Schwankungen, wie wir es von den Wartezeiten bei Suchanfragen im Internet kennen. Das alles erfordert eben aber eine Realtime-Kommunikation der Anlagen untereinander.“

Vernetzte Systeme bergen Einsparpotenzial

Ein weiteres Instrument der Automation in der Industrie 4.0 sei die Visualisierung der Produktion. Das geschieht mit Hilfe einer virtuellen Kopie des herzustellenden Werkstücks, dem sogenannten Digital Twin. So lassen sich die Prozesse und Anlagen von überall aus betrachten oder steuern. Fähigkeiten, aus denen sich aufkommende Trends wie Predictive Maintenance, Cloud Services, Big Data und Internet der Dinge speisen. Diese Anpassungen der Fertigungs- und Geschäftsprozesse bieten Marktforschern und Branchenexperten zufolge ein enormes Potenzial für Einsparungen - vorausgesetzt es handelt sich um vernetzte Systeme.

Neuer Architektur-Ansatz

„Mehr Performance wiederum erfordert nicht nur eine Realtime-Kommunikation der Anlagen untereinander. Ich brauche dafür viel sogenannte Processing Power, also Leistung und auch Geschwindigkeit“, erklärt Thamm und skizziert, was im Hinblick auf die Smart Factory noch alles hinter den reinen technischen Fakten steckt. Denn Renesas verfolgt mit der Architektur des Antriebs-Chips RZ/T1 einen neuen Ansatz, der auf die Anforderungen der Fabrik von Morgen zielt: Nicht mehr je ein Bauteil für Kommunikations-Chip, Motor-Control-Chip und Encoder-Chip, sondern 3-in-1.

„Das Design besteht aus zwei CPU-Kernen, die der Kunde frei programmieren kann.“ Der eine CPU-Kern, ein ARM Cortex R4F mit einer Taktfrequenz bis zu 600 MHz, ist für die Antriebssteuerungs-Software gedacht, der zweite CPU-Kern, ein ARM-Cortex M3 dient als Kommunikations-Schnittstelle auf Feldbus-Ebene. Dieser Teil wird zusammen mit zusätzlichen Hardware-Beschleunigern auch R-IN Engine genannt.

Die Bausteine sind konfiguriert mit einem sogenannten Tightly Coupled Memory (TCM). „Dieser wiederum ist direkt an der Verarbeitungseinheit der CPU angeflanscht.“ Der Prozessorkern greift also über eine dedizierte Speicher-Schnittstelle direkt anstatt über den Umweg des Cache-Speichers auf den Highspeed-On-Chip-Speicher zu. „Und das bedeutet: Kein Cache, keine Waitstates, während des Betriebs werden keine Daten nachgeladen.“ Erst durch die Eliminierung dieser Cache-Latenzen werden Echtzeit-Aufgaben möglich, weil sie das nötige Reaktionsvermögen gewährleisten. Ebenfalls integriert die R-IN-Engine, ein Hardware-Beschleuniger für die Industrial-Ethernet-Kommunikation.

Echtzeit-Prozessor: 3 Mal schneller als bisher

Andreas Thamm nennt die wesentlichen Vorteile, die sich aus der Modifikation ergeben und die es in dieser Form bislang nicht auf dem Markt gab: „Damit haben wir eine höhere Integration geschaffen. Und das verschafft den Spielraum für die vielen Optimierungen.“ Im Vergleich zu bisherigen Lösungen bringt es der Echtzeit-Prozessor auf die 3-fache Geschwindigkeit. Hinzu kommt das verbesserte Interrupt-Handling, also das deterministische Verhalten des Systems, weil die Cache-Zyklen entfallen.

„Das halten wir für besonders wichtig, denn diese Echtzeit-Fähigkeit von Motorsteuerung und Feldbus-Kommunikation ermöglicht erst Industrie 4.0. Sonst läuft es, salopp formuliert, nicht in der Daisy Chain.“ Auf diese Weise können also mehrere Maschinen in Reihe geschaltet und angesprochen werden, auch unabhängig von ihrer eigentlichen Aufgabe wie etwa der Motorsteuerung.“

Ein weiterer Vorteil des „Drive it!“-Kits sei die Skalierbarkeit der Lösung. „Der Anwender kann eine Komponente rein mit einem Antriebsteil erwerben, genauso aber beispielsweise auch mit einer Feldbus-Kommunikationsschnittstelle. Insgesamt sind derzeit 14 Devices verfügbar, sechs für die reine Antriebssteuerung, vier für Antrieb und Ethercat plus vier weitere, in der die komplette R-IN Engine für die Multi-Protokollfähigkeit enthalten ist. Skalieren lässt sich von kleinen Maschinen bis hin zu großen, das Einstiegsgehäuse etwa ist für ein 176er QFP, die größeren mit 320er BGA.

Als dritten entscheidenden Vorteil betrachtet Renesas den enthaltenen Encoder, der den Multicontroller zu einer integrierten Lösung macht. Unterstützt werden verschiedene Standards, darunter EnDat 2.2., BiSS und Hiperface DSL.

Technologie und BWL finden gleiche Sprache

Geschwindigkeit, Performance, Echtzeit-Kommunikation – das alles zählt auch zu den Lieblings-KPIs (Key Performance Indicator) der Betriebswirtschaftler. Wie nah der Effizienz-Gedanke und Industrie 4.0 zusammenliegen, zeigt sich nicht nur in den visionären Automatisierungsskizzen. Wo Technologie und BWL sonst verschiedene Sprachen sprechen, hier finden sie zusammen.

Aus den Leistungsparametern speisen sich nämlich auch Erfolgskennzahlen wie der ROI (Return on Investment) oder TCO (Total Cost of Ownership). Und genau das muss sich nach Ansicht von Thamm auch in den Antriebslösungen als technische Komponenten der Fabrik von Morgen widerspiegeln. Hier erst stellt sich heraus, in welcher Währung sich Modifikationen wie etwa in einem Microcontroller auszahlen werden. „Konkrete Ergebnisse sind sicherlich eine Frage der Anwendung. Aber klar ist, dass dieser neue Ansatz einer Prozessorlösung zu Einsparungen führen wird.“

So führt die höhere Integration durch die 3-in-1-Architektur nicht nur zur Echtzeitverarbeitung, sondern reduziert nebenbei auch die TCO – alleine schon deshalb, weil mit der geringen Anzahl an Bauteilen auch weniger einzukaufen und zu managen sind. Das reduziert die Bill of Materials (BOM, also Stückliste) und „man verbraucht auch weniger Platz auf der Platine“. Skalierbarkeit – ebenfalls Einsparpotenzial.

Dazu bietet sie Investitionssicherheit, nebenbei eine Dimension des ROI. „Hinzu kommt der geringere Stromverbrauch aufgrund der Architektur“, ergänzt Renesas-Manager Thamm. Denn auch darum geht es bekanntlich in der Automatisierung, in Windkraftanlagen ebenso wie in der Smart Factory.

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