Die Vorteile, die sich daraus ergeben, eine Antriebssteuerung mit FPGAs umzusetzen, sind bereits vielen Entwicklern bekannt: Servoantriebe mit digitalen Regelalgorithmen für eine verbesserte Intelligenz setzen vermehrt auf Fließkomma- statt auf Festkomma-Algorithmen, was die Programmierung deutlich vereinfacht – allerdings auch mehr Rechenleistung und damit den Umstieg auf x86er-Prozessoren erfordert. Dabei geht der Trend für die Umsetzung der Schnittstellen hin zur motornahen, dedizierten Regelelektronik immer mehr in Richtung Flexibilität, z.B. mit ASICs (application specific integrated circuit, Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung). Doch die Entwicklung von ASICs ist vergleichsweise hoch in der Investition – eignen sich damit also nur für Massenanbieter. Zudem hinken sie dem Machbaren bei der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologien zumeist ein wenig hinterher: Bis ein neuer ASIC am Markt ist, bedarf es entsprechend großen Weiterentwicklungen, damit sich die Initialkosten der Entwicklung amortisieren. Motion Control OEMs haben zudem das Problem der Bauteileabkündigung älterer ASICs. Auch kann ein ASIC, einmal fertig entwickelt, nicht mehr ohne Veränderung an der Hardware individuell angepasst werden. Dazu ist dann wieder Neuentwicklung nötig. Damit ist das nachträgliche Customizing solcher Lösungen nicht mehr machbar. Ganz anders verhält es sich bei FPGAs. Diese Bauelemente sind zwar im Vergleich zu ASICs etwas teurer in der Serie, sind dafür aber reprogrammierbar und so neu anpassbar. Das sogar auch im laufenden Betrieb. Das bietet deutliche Vorteile beim Customizing, wie z.B. eine Anpassung der Motion Control auf den jeweils eingesetzten Motor und Feldbusanbindung und vor allem auch bei der konstanten Weiterentwicklung des Motion Controllers. Das fördert die Nachhaltigkeit und damit Langzeitverfügbarkeit einer Applikation. Aus diesem Grund orientieren sich viele Entwickler zunehmend in Richtung FPGAs und IPC-Technologie und setzen damit z.B. Closed-Loop-Funktionalität inklusive Resolver- bzw. Encoderschnittstellen sowie die Ansteuerung der Leistungselektronik und weitere Funktionen um, einschließlich einer schnellen Feldbus- bzw. Industrial Ethernet-Anbindungen der Antriebsregler. Hohe Flexibilität Die Kombination von FPGAs mit IPC-Technologie in einem hochintegrierten Tandem, eröffnet dabei weitere Optionen: Kompaktsteuerungen mit sogenannten \’Soft-Drives\‘ lassen sich damit sehr effizient umsetzen. Gemeint ist damit die Möglichkeit, dass die Regelkreise über den IPC frei programmierbar sind, was die Flexibilität noch weiter steigert. So lässt sich sehr viel Intelligenz direkt in die Steuerung packen. Unter Verwendung eines schnellen Feldbusses kann z.B. selbst die Berechnung der Bahnkurve (Trajektorie) weg vom Servoregler hin zur Steuerung verlagert und dort berechnet werden. Voraussetzung hierfür sind jedoch schnelle Industriebusse, die mit der Verfügbarkeit von diversen Industrial-Ethernet-Varianten aber schon gegeben sind. Die verschiedenen Industrial-Ethernet-Varianten erfordern allerdings jeweils spezifische Verarbeitungsmechanismen, die sich je nach Zielapplikation unterscheiden können. Aber auch diese Herausforderung ist durch eine FPGA-basierten Ethernet-Anschaltung leicht zu bewältigen. Denn so lassen sich mit nur einer Hardware alle Industrial-Ethernet Protokolle unterstützten und das langfristig, denn die für das jeweilige Protokoll erforderliche FPGA-Konfiguration kann flexibel auch an zukünftige Protokollentwicklungen einfach angepasst werden, indem die Software mit dem passenden Protokollstack in das FPGA geladen wird. Die Zukunft heißt deshalb: Höher integrierte Rechenintelligenz macht aus der Steuerung eine Regelung gepaart mit deutlich reduzierter verteilter Intelligenz in den dezentralen, motornahen Steuerungen sowie Unabhängigkeit von der zugrundeliegenden Netzwerkinfrastruktur durch den Einsatz von FPGAs. Dieser Trend ist vergleichbar mit dem, was im IT-Bereich mit dem Cloudcomputing vonstatten geht: Nachdem die Intelligenz zunächst dezentralisiert wurde, ist aufgrund der zunehmend schnellen Netze das Potenzial gegeben, die Intelligenz auf zentrale Server in der Cloud zu verlagern. Nur noch die Rechenleistung, die vor Ort gehalten werden muss, bleibt dezentral. Wichtige Entwicklungsschritte liegen folglich auch in den zentralen Motion Contollern bzw. zentralen Steuer- und Regelungsrechnern sowie in der Netzwerkperformance, die heute 1GB/s und zukünftig 10Gbps Bandbreite betragen kann und auch zentrale Rechenzyklen mit sehr hohen dezentralen Abtastraten ermöglicht. Je nach Konzept kann die Regelung so auch Berechnungen bis hin zur Trajektorie durchführen. Auch sind die Grenzen fließend, ob z.B. die Feininterpolation, Drehzahl- und Lageregelkreis im Regler oder in der Steuerung berechnet werden. Kombiniert man FPGA und x86er-Technologie in einem System, haben Motion-Control Anbieter eine Lösung, mit der alle neuen State-of-the-Art Lösungen höchst integriert entwickelt werden können. Und dies auf einem Footprint, der zunehmend kleiner wird. Zwei Hauptanwendungsbereiche Für das x86er-Board mit FPGA gibt es folglich zwei Hauptanwendungsbereiche: einmal als Motion Controller mit Feldbusanbindung \’nach Bedarf\‘ gesteuert durch den FPGA oder aber als All-in-One-System mit der kompletten Regeltechnik, die man für die Antriebsregelung braucht. Eine solche Lösung steht nun als Serienprodukt zur Verfügung, sodass OEM-Lösungen deutlich schneller und sicherer in den Markt gebracht werden kann. Motion-OEM profitieren zusätzlich, indem sie sich so komplett auf die Applikationsentwicklung konzentrieren können, denn das Hardwaredesign können sie direkt vom Embedded-Computer-Hersteller erhalten. Als fertiges Serienprodukt oder aber als individuell angepasste Lösung. In der Vergangenheit hat es aber keine Standardplattformen gegeben, die man bei Herstellern als Serienprodukt bestellen konnte. Es war immer ein kundenspezifisches Design erforderlich und mindestens die Interaktion zwischen Prozessor und FPGA musste individuell entwickelt und validiert werden. Dieser Aufwand hat sich mit der Verfügbarkeit eines Multi-Chip-Moduls, das einen Intel Atom Prozessor der E600-Serie mit einem Altera-FPGA kombiniert, deutlich reduziert und wird mit der Verfügbarkeit von Standardformfaktoren wie PCIe/104 noch deutlich weiter erleichtert. Viele Feldbuslösungen möglich Der MSMST PCIe/104 SBC (siehe Kasten) von Kontron markiert hierbei einen neuen Meilenstein dieser Integration, denn er ist die derzeit weltweit einzige verfügbare Lösung, die das hochintegrierte Multichip-Modul bereits implementiert hat. Er bietet für die kundenspezifischen I/Os einen HSMC-Steckplatz für High-Speed Mezzanine Cards (HSMC). HSMCs führen die gewünschten Schnittstellen des FPGAs physikalisch aus. So wird Kontron auf Kundenwunsch eine Vielzahl von Feldbus-Lösungen wie Profinet, Ethercat, Ethernet/IP und Modbus TCP unterstützen. Werden kompatible HSMCs direkt von Altera bezogen, gehören die passenden IP-Cores meist schon zum Lieferumfang. Die Applikationsevaluierung kann folglich nach nur wenigen Handgriffen und Installationsroutinen schnell starten. Nach erfolgreicher Evaluierung übernimmt Kontron dann bei Bedarf auch die serienreife Entwicklung und Fertigung der kundenspezifischen Plattform. Bereits validierte IP-Cores sind für industrielle I/Os wie CAN-Bus, serielle Schnittstellen (SPI Master/ UART) sowie PCI-Express, I2C und GPIO verfügbar. Weitere industrielle Cores befinden sich in der Entwicklung bzw. Validierung. Dadurch lässt sich die Plattform schnell und einfach und zunehmend flexibel konfigurieren. OEMs benötigen nur noch den erforderlichen IP-Core und die entsprechenden High-Speed Mezzanine Cards (HSMC), um die Schnittstellen auszuführen. Bei Bedarf nach erweiterter Funktionalität bietet Kontron die FPGA-Programmierung auch als Dienstleistung an. Diese Flexibilität gepaart mit dem neuen x86/FPGA-Ökosystem und seinen IP-Cores und HSMCs machen das Kontron-PCIe/104 Microspace MSMST zu einem attraktiven SBC für dedizierte Motion-Control-Plattformen. Kasten: Details zum PCIe/104-Embedded-Single-Board-Computer Microspace MSMST Der Kontron-PCIe/104-Embedded-Single-Board-Computer Microspace MSMST verfügt dank des integrierten Altera Arria II GX FPGA über ein anpassungsfähiges I/O-Design. OEMs benötigen nur noch den zur FPGA-Programmierung erforderlichen IP-Core und die entsprechenden High-Speed Mezzanine Cards (HSMC), welche die gewünschten Schnittstellen physikalisch ausführen. Bereits validierte IP-Cores sind z.B. für industrielle I/Os wie CAN-Bus, serielle Schnittstellen (SPI Master/ UART) sowie PCI-Express, I2C und GPIO verfügbar. Der Kontron SBC ist zudem speziell für den Einsatz im erweiterten industriellen Temperaturbereich (-40 bis +85°C) entwickelt. Diese robuste Auslegung erweitert das Spektrum möglicher Einsatzgebiete des neuen Kontron SBC auch auf widrige Umgebungsbedingungen. Hardwareseitig ist der Kontron PCIe/104 Microspace MSMST mit der Intel-Atom-E6x5C-Prozessorserie mit bis zu 1,3GHz und 2GByte onboard DRAM ausgestattet. Der leistungsoptimierte Intel Graphics Media Accelerator (Intel GMA 600) mit bis zu 128MByte, 18/24Bit LVDS sowie SDVO-Interface ist im Prozessor integriert. Videosignale werden über optionale Mediaboards für VGA oder DVI ausgegeben. High-Definition-Audiosignale werden optional über SPDIF (out) und 2x analog Stereo für Line-out und Mic-in ausgeführt. Speichermedien finden Anschluss über 2x Sata300. An weiteren Schnittstellen stehen 2x USB 2.0 sowie optional 1x GBit-LAN zur Verfügung. Die Integration der unzähligen kundespezifischen I/O-Optionen erfolgt über den PCI-Express-Bus des PCIe/104-konformen Moduls oder über die HSMC-Schnittstelle. Das Trusted-Platform-Modul (TPM) sorgt für hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit durch die Hardwareverschlüsselung aller übertragenen Daten. embedded world 2011: Halle 12, Stand 404
Kontron S&T AG
