Industrie 4.0: Prozessdaten zuverlässig protokollieren

| Autor / Redakteur: Vijay Ramakrishnan * / Michael Eckstein

Status Quo: Der letzte Systemstatus vor einem Stromausfall ist Voraussetzung dafür, dass eine SPS und alle angeschlossenen Maschinen später in einem sicheren Modus anlaufen können.
Status Quo: Der letzte Systemstatus vor einem Stromausfall ist Voraussetzung dafür, dass eine SPS und alle angeschlossenen Maschinen später in einem sicheren Modus anlaufen können. (Bild: Cypress Semiconductor)

Grundlage von Industrie-4.0-Anwendungen sind sinnvoll nutzbare Daten. Daher ist das unmittelbare, kontinuierliche und zuverlässige Protokollieren von Vorgangsdaten entscheidend.

Industriesteuerungen in verschiedenen Bereichen, etwa der Automatisierung, dem Energiemanagement sowie Messungen für Prozess- und Prüfzwecke, erfordern nicht-flüchtigen Hochleistungsspeicher zum Protokollieren wichtiger Informationen. Dabei geht es darum, kontinuierlich Echtzeitdaten zum Systemstatus festzuhalten – auch für den Fall, dass ein Stromausfall oder eine Systemstörung auftritt. Die Anforderungen an den hier eingesetzten Speicher unterscheiden sich von denen für drahtlose Sensorknoten.

Zwei Beispiele veranschaulichen die Herausforderungen und speziellen Anforderungen von Industriesteuerungen und drahtlosen Sensor-Knoten. Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein typisches Beispiel für eine Industriesteuerung. In einer SPS können Echtzeit-Systemdaten, die im nicht-flüchtigen Speicher abgelegt sind, dazu genutzt werden, Fehler zu erkennen, zu beheben und künftige Fehler zu vermeiden. Außerdem ist der im nicht-flüchtigen Speicher erfasste letzte Systemstatus vor einem Stromausfall unbedingt erforderlich, damit die SPS und alle angeschlossenen Maschinen bei der Wiederherstellung der Energieversorgung in einem sicheren Modus anlaufen können. Ohne diese Eigenschaft besteht die Gefahr, dass andere Maschinen und Menschen in der unmittelbaren Umgebung zu Schaden kommen.

In modernen Industriesteuerungen lautet ein Ziel, die Zahl der Anschlüsse von Mikrocontrollern für die Schnittstellen zu externem Speicher, also die Busbreite, zu reduzieren. Das erfordert eine Umstellung von Speichern mit parallelen Schnittstellen hin zu Ausführungen mit seriellen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. Excelon-Ultra von Cypress ist speziell für diese Art Anwendungen entwickelt worden. Die Bausteine verfügen über eine 108-MHz-QSPI-Schnittstelle und bieten eine praktisch unbegrenzte Wiederbeschreibbarkeit von 100 Billionen Zyklen, hohe Schreibgeschwindigkeit und können Daten unmittelbar nicht-flüchtig speichern.

Dieser Speicher ist SRAM mit Backup-Batterie überlegen, das bisher in den beschriebenen Anwendungen häufig zum Einsatz kommt. Der Grund: Der Verzicht auf eine Batterie erhöht die Zuverlässigkeit. Darüber hinaus reduziert FRAM die Materialkosten, da eine Lösung mit mehreren Komponenten (SRAM, Batterie und Controller für das Leistungsmanagement) durch eine Ein-Chip-Lösung ersetzt wird und die Wartungskosten für die Batterie entfallen.

Sensoren sind die Augen und Ohren intelligenter Fabriken

Drahtlose IoT-Sensorknoten sind die Augen und Ohren intelligenter Fabriken. Sie überwachen System- und Umgebungsparameter kontinuierlich und können die vernetzten Maschinen oder Steuersysteme informieren, die bei Bedarf Korrekturmaßnahmen einleiten. Ihre Anforderungen unterscheiden sich von denen der Industriesteuerungen. Die Knoten haben eine besonders kleine Bauform und werden gewöhnlich aus Batterien oder per Energy Harvesting, also dem Sammlen von Umgebungsenergie, gespeist. In intelligenten Fabriken befinden sie sich nahezu überall, auch an Stellen, die weit entfernt oder nur schwer zugänglich sind. Daher benötigen Sensorknoten nicht-flüchtigen Speicher, der kontinuierlich Echtzeitdaten während der gesamten Lebensdauer des Sensorknotens protokollieren kann, und dies mit dem geringstmöglichen Energieverbrauch. FRAM-Speicher wie Excelon von Cypress ist für diese Anwendung sehr gut geeignet, da es sehr energieeffizient arbeitet und praktisch unbegrenzt beschrieben werden kann.

Um für drahtlose IoT-Sensorknoten eine besonders kleine Bauform zu ermöglichen, kann mit dem nicht-flüchtigem Speicher Excelon eine Ein-Chip-Lösung sowohl für das Speichern von Code als auch zum Protokollieren von Daten implementiert werden. In einem Sensorknoten ist die Größe des zum Messen und Erfassen der Daten benötigten Codes gewöhnlich gering im Verhältnis zur Größe des Speichers, der zum Ablegen der Daten erforderlich ist. Daher führt ein getrennter Speicher für den Code möglicherweise dazu, dass dieser Speicher nicht vollständig genutzt wird. Eine Ein-Chip-Lösung ist in diesem Fall effizienter.

Die größte Herausforderung besteht darin, den nicht-flüchtigen Speicher zur Datenprotokollierung flexibel genug zu machen, um den Speicher für Code und Daten je nach den Bedürfnissen der Anwendung partitionieren zu können. Wenn der Speicher für ausführbaren Code vorgesehen ist, muss sichergestellt sein, dass diese Speicherbereiche nicht unbeabsichtigt überschrieben werden können. Excelon hat hierfür die Funktion „Block Protection“ entwickelt.

Technologie und Vorteile von FRAM-Speichern

Excelon kann Speicherbereiche wie RAM bytegenau adressieren. Es nutzt ferroelektrische Energie zur Permanentspeicherung. Die Speicherzelle enthält eine dünne Schicht aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Das zentrale Atom des PZT-Kristalls ändert seine Position, wenn ein elektrisches Feld einwirkt. Die beiden Positionen des zentralen Atoms werden als binäre Zustände für das Speichern eines Bits genutzt. Wenn die Spannungsversorgung unterbrochen wird, bleibt die letzte Position des Atoms dauerhaft erhalten. Die Technik ist besonders sparsam: Der FRAM-Speicher verbraucht etwa 200-mal weniger Energie als serielles EEPROM und rund 3000-mal weniger Energie als NOR-Flash.

Für professionelle Applikationen ist die hohe Wiederbeschreibbarkeit von 100 Billionen (1014) Zyklen interessant. Zum Vergleich: Floating-Gate-Technologien, einschließlich Flash und EEPROM, sind nach rund 106 Zyklen verschlissen. Daher sind sie eher ungeeignet für das häufige Erfassen von Systemdaten, weil die Gefahr von Ausfällen besteht, wenn sie das Ende ihrer Wiederbeschreibbarkeit erreicht haben. Die FRAM-Technologie hat zudem den Vorteil, dass sie Daten im stromlosen Zustand bis zu 100 Jahre lang speichert. SRAM, das sich ebenfalls häufig beschreiben lässt, verliert ohne Pufferbatterie schnell die gespeicherten Informationen. Und schließlich speichert Excelon die Daten ohne Umweg sofort in nicht-flüchtigen Speicherzellen. Dadurch kann auch bei plötzlichem Stromausfall kein Datenverlust entstehen.

Andere Technologien wie EEPROM benötigen zum Schreiben einer Seite 5 bis 10 ms. Damit ist nicht gewährleistet, dass kritische Informationen des letzten Augenblicks vor einem Ausfall erhalten bleiben. Excelon kombiniert hohe Geschwindigkeit, Schnittstellen mit wenigen Anschlüssen, praktisch unbegrenzte Wiederbeschreibbarkeit, niedrigen Energieverbrauch und sofortige nicht-flüchtige Speicherung. Es ist der zuverlässige Speicher für das missionskritische Protokollieren von Daten in den intelligenten Fabriken von Morgen.

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* Vijay Ramakrishnan ist Senior Product Marketing Engineer in der Memory Products Division von Cypress Semiconductor.

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