Smarte Maschinensteuerungen mit FPGAs White Paper

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2 Smarte Maschinensteuerungen FPGAs bringen neue Performance und Flexibilität in den Maschinenund Anlagenbau 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 hoch-performanten Funktionen sind intelligente Produkte heute wettbewerbsdifferenzierende Systemelemente. Sogenannte Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) basierte embedded Elektronik- & Software- Lösungen ermöglichen markante Prozessbeschleunigung und Kostenoptimierung. Bei FPGAs handelt es sich um re-programmierbare Logikbausteine mit superparalleler Verarbeitung der Signale. Erfahrung im Design von (embedded) Hardware und Software. Eine wichtige Erkenntnis leitet sich hier aus der Praxis ab: Nicht nur die Software-Entwicklung 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. 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 sehr 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 FPGAs wichtige Bausteine 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 = System-on-Chip) 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 2

3 Im konkreten Einsatz bedeutet dies: Aus digitalen Reglern mit Millisekunden- 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. Skalierbarkeit Zum Beispiel: Vergrößerung der Busbreite von 16 auf 32 Bit; Erhöhung von 4 Kanälen auf 8 Kanäle Flexibilität Einfache Re-Programmierung, ohne Änderung der Elektronik Zum Beispiel: Änderung eines Sensor-Interface High Performance Viele Funktionen (Filter, Regler) erfordern sehr schnelle Ausführung mit höchster Echtzeitpräzision Integration Viele diskrete Elektronik- Bausteine werden in einem FPGA integriert FPGA Beschleunigung Im Sinne einer Leistungssteigerung Zum Beispiel: Bilderfassung, -analyse wird markant schneller Der FPGA Nutzen: INTEGRATION SKALIERBARKEIT FLEXIBILITÄT HIGH PERFORMANCE BESCHLEUNIGUNG Ein FPGA ersetzt separate Bauteilbeschaffung Verkleinerung der Platinen Vereinfachung in den ERP-Systemen Erweiterungen sind innerhalb eines FPGAs möglich Durch Einsatz eines größeren FGPA-Bausteins praktisch beliebige Skalierbarkeit Erhebliche Kostensenkung bei Änderungen Änderungen sind durch einfache Updates möglich Erforderliche Qualitätssicherungsschritte vor der eigentlichen Produktion können reduziert werden FPGAs haben mit ihrer hochparallen Verarbeitung von Signalen die erforderliche Architektur Durch gezielte Verlagerung von Funktionen von Microprozessoren auf FPGAs werden Abläufe markant beschleunigt Abbildung 1: Markante FPGA Einsatzfelder 3

4 Die korrekte Anwendung zeigt auch auf der Systemebene die Vorteile der FPGAs auf: Beschleunigung der Hardware- Entwicklung Markante Produktdifferenzierung beispielsweise 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. tenz-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. Systemanforderungen / Sicherheitsanforderungen Anforderungen Komponente A Software A Elektronik A Mechanik A Systemarchitektur B... B B B Top Down SCRUM Sprints Bottom Up 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 Anlagensteuerungs-SW Realtime-SW FPGA-Design Elektronik-Design PCB-Design PCB-Produktion Abbildung 2: Layer-Architektur und Kompetenz- Stack von Tieto Anhand der typischen Grobarchitektur von Maschinensteuerungs-Lösungen wird eine weitere Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von FPGAs erläutert. Dieser Aufbau stellt den integrativ zu betrachtenden Kompe- FPGA Impact Abbildung 3: Bi-direktionaler Systems-Engineering-Prozess Noch stärker bestimmen FPGAs aber die Lösungsarchitektur der Software. Beispielsweise übernehmen FPGAs komplette Algorithmen, Protokoll- und Signalverarbeitungsschritte mit einer Performance, die in Software nicht zu realisieren 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. 4

5 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. Zusammenfassung 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 Maschinen-Entwicklung. 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. Tietos FPGA-Entwicklungskompetenz und der Mehrwert bei der Entwicklung von smarten Maschinen- und Anlagensteuerungen Abbildung 4: Smart Products: Hi-Tech Manufacturing erfordert höchste Performance und Zuverlässigkeit 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. 5

6 tieto.de SMART PRODUCTS FOR A CONNECTED WORLD Automotive Hi-Tech Medical Human-Machine-Interfaces M2M- & High-Speed-Connectivity Funktionale Sicherheit Lifecycle-Management-Service Corporate Responsibility 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. Tieto zählt zu den führenden Dienstleistern für IT-Services und Product Engineering in Europa. Mehr als Experten in 30 Ländern weltweit beraten namhafte Unternehmen und realisieren gemeinsam mit ihnen individuelle Lösungen. Dabei erhöhen sie nachhaltig die Effizienz in Integration, Entwicklung und Betrieb für Kunden in den Branchen Automobil, Energie, Gesundheit, Fertigung, Papier- und Verpackung sowie Telekommunikation. Durch smarte Produkte, digitale Services und mobile Lösungen erschließt das Unternehmen seinen Kunden neue Umsatzmöglichkeiten, steigert die Kundenzufriedenheit, optimiert den Vertrieb und gestaltet von Social Media inspirierte Arbeitsplätze der Zukunft. Impressum: 2013/WP_SPE03/DE Stand: Februar 2013 Rückfragen: Siegfried Hörfarter Head of R&D Smart Products Engineering Tel.: +49 (0) Kontakt: Düsseldorfer Straße Eschborn, Germany Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0)

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