FPGA-Design Flexible Maschinensteuerungen mit FPGAs aufbauen

Autor / Redakteur: Siegfried Hörfarter* / Holger Heller

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.

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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.

Darum ist es wichtig abzuklären, wo Bedarf besteht und welches Potential verwirklicht werden kann. Zu den typischen Nutzen der FPGAs gehören Beschleunigung und die Steigerung der Leistung sowie flexible Einsatzmöglichkeiten. Darüber hinaus stellen sie ein integriertes und skalierbares System dar (Bilder 2 und 3).

Die korrekte Anwendung zeigt auch auf der Systemebene die Vorteile der FPGAs auf:

  • Beschleunigung der Hardware-Entwicklung;
  • markante Produktdifferenzierung. z.B. durch Performanceverbesserungen;
  • „Long-Term“-Kostenoptimierung durch reduzierte Gesamtkosten über den Produkt-Lebenszyklus (oft 15 Jahre und mehr);
  • Kostenoptimierung durch hohe Flexibilität besonders bei kleinen und mittleren Stückzahlen.

Entscheidende Voraussetzung für den Markterfolg der Produkte und Kundensysteme ist es, Möglichkeiten und Chancen frühzeitig zu erkennen, die sich aus intelligenten Features ergeben. Dabei ist vor allem langjährige und tiefgehende Erfahrung in zahlreichen Kundenprojekten notwendig.

Häufig jedoch werden diese idealen Möglichkeiten zur Differenzierung der Maschinen nicht umfangreich genutzt. Hilfreich ist für Hersteller die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Entwicklungspartner – nicht erst in der Entwicklung, sondern bereits in den kritischen Konzeptphasen. Hierzu zählen vor allem die Kostenanalyse, die Auswahl der Komponenten und der Aufbau der Systemarchitektur.

Key-Faktor 2: Den „Kompetenz-Stack“ beherrschen

Anhand der typischen Grobarchitektur von Maschinensteuerungs-Lösungen wird eine weitere Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von FPGAs erläutert (Bild 4). Dieser Aufbau stellt den integrativ zu betrachtenden Kompetenz-Stack dar, um erfolgreiche Gesamtlösungen zu entwickeln. FPGAs befinden sich häufig im „Zentrum des Geschehens“.

Die schematische Darstellung verdeutlicht, welchen weitreichenden Einfluss (Impact) FPGAs auf die Hardware und die Software haben. Beispielsweise beeinflusst ein „Ball Grid Array FPGA“ mit 800 Pins (BGA) und High-Speed I/O-Signalen maßgeblich das PCB-Design (Printed Circuit Board) samt Bestückungs-, Test- und Reparaturprozessen von Leiterplatten (Bild 5).

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Systemoptimierung durch FPGAs

FPGAs bilden wichtige Schlüsselbausteine zur funktionalen und performanten System-Differenzierung und zur Reduzierung der Time-to-Market. Daraus ergeben sich markante Wettbewerbsvorteile in der Geräte- und Maschinenentwicklung. Der erfolgreiche Einsatz von FPGAs erfordert jedoch eine hohe Kompetenz über den gesamten Prozess: Von der Elektronik über die Software bis hin zur zuverlässigen Produktion und Integration von Baugruppen.

Besonders im Maschinen- und Anlagenbau, wo kleine bis mittlere System-Stückzahlen dominieren, ermöglichen FPGAs Systemoptimierung und die Umsetzung vollkommen neuartiger Lösungen. Entscheidend für den Erfolg ist der Faktor Mensch: Die spezifische Einzel- & Teamkompetenz zählt und ein starkes Netzwerk mit kompetenten Entwicklungs- & Technologiepartnern ist für den Projekterfolg sehr förderlich.

Noch stärker bestimmen FPGAs aber die Lö¬sungsarchitektur der Software. Beispielsweise übernehmen FPGAs komplette Algorithmen, Protokoll- und Signalverarbeitungsschritte mit einer Performance, die in Software nicht zu re¬alisieren ist. Dies hat grundlegende Auswirkung auf die Partitionierung der Systemsteuerungs-Funktionen. Erst das optimale Zusammenspiel von Hardware und Software ergibt die ideale Systemlösung. Der Entwicklungspartner sollte daher alle Disziplinen (HW, FPGA, Software) kompetent abdecken.

Key-Faktor 3: Iterativer Systems-Engineering Prozess

Das FPGA-Design ist ein wichtiger Teilprozess im Systems-Engineering, das hier im systematischen Prozessablauf dargestellt wird. Systemanforderungen und System-Sicherheitsanforderungen bilden die Grundlage der weiteren Systementwicklung mit Systemarchitektur, Komponentenanforderungen und Komponentendesign. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass dieser Top-Down-Ansatz alleine nicht ausreichend ist, um optimale Lösungen zu entwickeln. In vielen Projekten wird daher der Prozess um eine zusätzliche Bottom-Up-Analyse ergänzt.

Für die Kunden resultieren daraus zwei grundlegende Vorteile:

  • Indem man die Flexibilität, die FPGAs bieten, in die Lösungsfindung integriert (z.B. für High Performance Funktionen und schnelle Signalverarbeitung), ergibt sich durch den Bottom-Up-Prozess eine optimale Verbindung von Mechanik, Elektronik und Software.
  • Durch die flexible Programmierbarkeit von FPGAs kann ein agiler, iterativ-inkrementeller Prozess wie mit z.B. SCRUM umgesetzt werden. Damit lässt sich eine ideale Abstimmung von mechatronischen Systemen erreichen, bei der die Mechanik-Grenzen sukzessive verschoben werden (Bild 6).

Smarte Maschinen- und Anlagensteuerungen

Tieto entwickelt seit über 20 Jahren anspruchsvolle Elektronik und Software für zahlreiche namhafte Unternehmen und „Hidden Champions“. Die smarten Produktlösungen zeichnen sich durch ergonomische HMIs, M2M-Connectivity und funktionale Sicherheit aus. Ein großer Nutzen entsteht durch die ganzheitliche Abdeckung des Entwicklungsprozesses: Tieto startet bei der frühen Entwicklung von Konzepten und hochwertigen Anforderungsspezifikationen.

Anschließend folgt die Entwicklungsphase inklusive systematischer Integrations- und Testprozesse. Besonders hilfreich für Kunden ist auch das Lifecycle-Management, bei dem Tieto die langfristige, eigenverantwortliche Betreuung und Weiterentwicklung von Systemen übernimmt und Hersteller ihre Ressourcen gezielt für Neuentwicklungen einsetzen können (Bild 7).

Als ein nach ISO9001:2008 zertifiziertes Unternehmen ist gesellschaftliche Verantwortung für uns ein fester Bestandteil unserer Unternehmenskultur. Nachhaltigkeit bedeutet für uns, verantwortungsvoll zu handeln - wirtschaftlich, ethisch, sozial und ökologisch.

* * Siegfried Hörfarter ist Head of R&D im Bereich Smart Products Engineering bei Tieto Deutschland in Eschborn.

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