FPGA-Design

Flexible Maschinensteuerungen mit FPGAs aufbauen

| Autor / Redakteur: Siegfried Hörfarter* / Holger Heller

Siegfried Hörfarter, Tieto Deutschland: FPGAs bringen mehr Performance und Flexibilität in den Maschinen- und Anlagenbau
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Siegfried Hörfarter, Tieto Deutschland: FPGAs bringen mehr Performance und Flexibilität in den Maschinen- und Anlagenbau (Bild: VBM-Archiv)

FPGAs bringen mehr Performance und Flexibilität in den Maschinen- und Anlagenbau. Warum das so ist und wie das geht erfahren Sie in diesem Beitrag und auf dem 1. FPGA-Tag am 27. Juni in München.

Die Verkürzung der Entwicklungszeit, präzise Echtzeitperformance und funktionale Sicherheit stellen heute hohe Anforderungen an den Entwicklungsprozess von anspruchsvollen Maschinen-Steuerungen und smarten Geräten. Mit M2M-Connectivity, ergnomischen HMIs und hochperformanten Funktionen sind intelligente Produkte heute wettbewerbsdifferenzierende Systemelemente.

FPGA-basierte Embedded-Elektronik- & Software-Lösungen ermöglichen eine markante Prozessbeschleunigung und Kostenoptimierung. Bei FPGAs handelt es sich um reprogrammierbare Logikbausteine mit super-paralleler Verarbeitung der Signale. Was diese Bausteine leisten können und wie man sie optimal einsetzt erfahren Sie auf dem 1. FPGA-Tag am 27. Juni in München.

Der Umfang und die Bedeutung von Elektronik und Software nimmt in Geräte- und Maschinensteuerungen der sogenannten Smart Products stark zu. Führende Unternehmen im Werkzeug- und Sondermaschinenbau sowie in der Automatisierungstechnik setzen bereits seit vielen Jahren erfolgreich komplexe Elektronik und Software für Steuerungs-, Regelungs- und HMI-Funktionen ein. Die Anforderungen an Funktionalität und Performance nehmen rasant zu, gleichzeitig ist eine Verkürzung der Time-to-Market erforderlich, um Produkte wirksam in den Märkten zu positionieren.

Entwicklungsteams stehen damit vor neuen Aufgabenstellungen, die sie häufig nicht alleine erfüllen können. Die zentrale Herausforderung für Hersteller sind vor allem die limitierten zeitlichen Ressourcen sowie die gestiegenen Anforderungen an das fachliche Detailwissen gepaart mit der notwendigen Erfahrung im Design von (Embedded) Hardware und Software.

Eine wichtige Erkenntnis leitet sich hier aus der Praxis ab: Nicht nur die Softwareentwicklung ist als „letztes“ Glied der Kette im Entwicklungsprozess häufig ein kritischer Punkt, auch die Hardware-Entwicklung nimmt starken Einfluss auf den Projektplan. Bereits ein scheinbar einfaches Re-Design der Elektronik kann Entwicklungsvorhaben um mindestens vier bis sechs Wochen verzögern.

FPGAs zur Optimierung der System-Performance und Entwicklungszeit

Innovative Entwicklungspartner haben schon in den 1990er Jahren begonnen, FPGAs systematisch einzusetzen und sich damit eine über 20-jährige Erfahrung erarbeitet. Die Bausteine können umfangreiche Digitalschaltungen, Filter-, Regler- und Speicherfunktionen bis hin zu kompletten Prozessoren als Soft-Cores (SoC) aufnehmen. FPGAs bringen neben vielen anderen Aspekten zahlreiche Vorteile, die eine markante Wettbewerbsdifferenzierung ermöglichen:

  • Performance und Echtzeitverhalten von diskreter Hardware;
  • im Entwicklungsprozess und im gesamten Lifecycle die Flexibilität von Software;
  • preiswerte Lösungen besonders für kleinere bis mittlere Stückzahlen.

Im konkreten Einsatz bedeutet dies:

  • aus digitalen Reglern mit ms-Abtastraten werden jitterfreie „Micro-Sekunden-Regler“;
  • aus vier Wochen für eine einfache Designänderung der Hardware werden vier Stunden für eine Funktionsänderung im FPGA;
  • Busprotokolle werden um den Faktor 20 und mehr beschleunigt und eröffnen damit gänzlich neue Einsatzmöglichkeiten.

Key-Faktor 1: Die Grundsätzliche Bedarfs- & Nutzenerkennung

Es gibt einige grundlegende Voraussetzungen, die erfüllt werden müssen, damit FPGAs erfolgreich genutzt werden können. Sind diese primären Anforderungen erfüllt, können „normale“ Systeme erfolgreich in intelligente, wettbewerbsdifferenzierende Lösungen weiterentwickelt werden. Im Bereich Telekommunikation (High-Speed Switches, Router, Base-Stations, u.v.a.) sind FPGAs schon seit mehreren Jahren selbstverständlich etabliert und nicht mehr wegzudenken. In Geräte- und Maschinensteuerungen ist der Einsatz jedoch häufig nicht derart offensichtlich.

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