Industrial Ethernet als Bindeglied zur Motorsteuerung: Flexible FPGA-basierte Steuerungslösung

Ein Field Programmable Gate Array (FPGA) ist ein flexibler Baustein, der unterschiedliche programmierbare Logikelemente besitzt. Innerhalb einer Bausteinfamilie gibt es FPGAs mit verschiedener Anzahl von Logikelementen. Mit FPGAs lassen sich praktisch beliebige Funktionen direkt in Hardware realisieren. Dazu gehören Regelungs- und Steuerungsalgorithmen, Kommunikations-Interfaces, CPU, Peripherie-Schnittstellen usw. Die­ Hardware-Funktionsblöcke werden auch als IP-Cores bezeichnet. Ein entsprechendes Tool ermöglicht das Zusammenschalten beliebiger IP-Cores entsprechend den konkreten Anforderungen. Die Konfiguration wird beim Start in den FPGA geladen. Eine Software-Entwicklungsumgebung unterstützt das Erstellen von Applikationsprogrammen. Diese laufen dann auf den CPU-IP-Cores ab. Die klare Aufteilung in Funktionsmodule ermöglicht eine effiziente gemeinsame Entwicklung von Lösungen durch verschiedene Partner, wie es in dem vorgestellten Beispiel der Fall ist. Seine Flexibilität macht einen FPGA für die Steuer- und Antriebstechnik im Anlagen- und Maschinenbau mit der dort üblichen mittleren Stückzahl interessant, da eine an die speziellen Anwenderwünsche angepasste Funktionalität ohne große einmalige Kosten wie im Falle eines Asics und ohne Kompromisse wie im Fall einer Standard-CPU realisierbar ist. Der FPGA enthält dabei genau die Modulblöcke, die notwendig sind. Bild 1 zeigt eine entsprechende Lösung. Hier bestand die Aufgabe, verschiedene E/A-Signale zu verarbeiten und über unterschiedliche Kommunikations-Schnittstellen verfügbar zu machen. Ein Asic wäre aufgrund der Stückzahl zu teuer gewesen, Standard-CPUs haben nicht die gewünschte Peripherie unterstützt. Flexible Steuerungslösung mit FPGAs Durch den Einsatz von FPGAs lassen sich folgende Vorteile für die Motorsteuerung umsetzen: – Bandbreite – da in einem FPGA alle Bestandteile eines Regel- kreises in Hardware realisiert wer- den, wird eine vielfach höhere Bandbreite im Vergleich zu CPU- basierten Systemen erreicht. Es lassen sich neue Maschinenei- eigenschaften realisieren (z.B. ei- ne kurze Reaktionszeit (Bereich von Mikrosekunden) in Bezug auf auftretende Ereignisse oder eine wesentlich höhere Beherrschbar- keit von hochdynamischen Syste- men). – Synchronisierung von parallelen Abläufen – der Jitter zwischen verschiedenen Achsen kann auf weniger als 10ns reduziert werden. – Echte Parallelität – die individuel- len Funktionsblöcke sind Achse für Achse komplett voneinander getrennt; deswegen können viele Achsen von einem und demsel- ben Chip mit beibehaltener Perfor- mance realisiert werden. Damit lassen sich in großem Maß Hard- ware-Kosten für Multiachs-Maschi- nen sparen. Das vorgestellte Konzept kann u.a. in folgenden Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus eingesetzt werden: – von kostensensitive Zuführ-, Stell- und Handlingachsen bis hin zu prozesskritischen Bearbeitungs- und Verarbeitungsantrieben; – von einfachen Einzelmaschinen, bei denen durch die erreichba­ re Kompaktheit auf den Schaltschrank verzichtet werden kann, bis zur vernetzten Fertigungslinie mit ihrer heterogenen Mischung aus Produktionsmaschinen und Robotern; – von kontinuierlich laufenden, prä- zisen drehzahlgeregelten Antrie- ben in der Verarbeitungs- oder Drucktechnik bis hin zur Pick& Place-Positionierung im Millise- kundenbereich der Leiterplatten- bestückung. Die FPGA-basierten Motorsteu­erungen von Unjo bieten eine hohe Performance und lassen sich leicht integrieren; sie machen die oben genannten Vorteile für den Anwender verfügbar. Damit kann der Anwender die Vorzüge der FPGA-Technologie für die Steuerung von elektrischen Motoren nutzen. Alle Unjo-IP-Produkte sind mit dem Entwicklungstool Quartus II von Altera kompatibel. Das Werkzeug ermöglicht es, dass verschiedene IP-Cores kombiniert werden können. Alle Funktionsblöcke können vor dem endgültigen Einsatz umfassend erprobt werden, da sie das \’Open­Core Plus\‘-Feature unterstützen. Es sind Blöcke für sämtliche auf dem Markt gängigen Motortechnologien verfügbar bzw. möglich. Bild 2 zeigt als Beispiel die regelungstechnische Struktur des IP-Block 500_01_095, ein ein- bis vierachsiger Controller für bürstenlose Gleichstrommotoren, der in einer typischen Realisierung eine Bandbreite im Stromregelkreis von 100kHz ermöglicht. Mit FPGA: Flexible Kommunikationslösung Dass ein Feldbus – Industrial Ethernet oder auch ein etablierter Feldbus – mit einem FPGA realisiert wird, ist an sich nichts Neues. Gerade wegen der Vielfältigkeit der Kommunikationsschnittstellen war die Performance und Flexibilität des FPGAs immer eine gefragte Alternative. Diese Lösung wird aber umso interessanter, je mehr von der gesamten Gerätefunktionalität in einem FPGA integriert werden kann. Für die Zukunft spricht aus wirtschaftlichen Gründen viel dafür, den Feldbus in Gestalt von Industrial Ethernet verstärkt als Bindeglied zwischen Motorsteuerung und übergeordneten Anwendungen in Erwägung zu ziehen. Über dieselbe Schnittstelle können Echtzeitdaten und Alarme ausgetauscht werden, das Gerät kann diagnostiziert und parametriert werden. Auch ein Download erweiterter Funktionen kann erfolgen. Die Flexibilität des FPGAs vereinfacht es dem Maschinen- und Anlagenbauer, im gleichen Endprodukt verschiedene Varianten von Industrial Ethernet anzubieten. Gleichzeitig kann erstmals mit dem Industrial Ethernet die Fabrikebene in der Steuerungshierarchie durchgängig mit der Unternehmensebene verbunden werden. Die Firma Softing bietet mit dem Real-Time-Ethernet-Modul (RTEM) eine Platine an, die sowohl Industrial Ethernet als auch andere Funktionen beinhalten kann. Für verschiedene Industrial-Ethernet-Ausprägungen stehen entsprechende IP-Cores bereit. Bild 3 zeigt die Lösungsstruktur der Kommunikationsanschaltung und das verfüg­bare Produkt. Ein Altera Cyclone III-FPGA 3C40 ist das zentrale Element des Moduls. Er beinhaltet die verschiedenen IP-Cores. Hierbei handelt es sich um spezielle Cores, die Besonderheiten der Industrial-Ethernet-Protokolle umsetzen und um allgemeine IP-Cores. Zu letzteren gehört die NIOS II-CPU. Auf dieser läuft das Betriebssystem eCos. Für das Modul stehen die Implementierungen eines Ethercat-Slaves, eines Profinet-IO-Devices, eines Ethernet/IP-Adapters und eines Modbus/TCP-Servers bereit. In die Protokollimplementierungen sind die entsprechenden IP-Cores integriert. Das Modul hat für alle Protokolle zwei identische Schnittstellen. Die Ethernet-Buchse dient als Schnittstelle zur Außenwelt, das Simple Device Application Interface als einfache und schlanke Schnittstelle zu den Anwendungsprogrammen. Somit muss die Geräteapplikation nicht geändert werden, wenn unterschiedliche Protokolle in Verwendung sind. Die Geräteapplikation kann auf dem Modul laufen. Für diesen Fall ist dann ein zweiter NIOS II im selben FPGA verfügbar. Die Applikation kann auch auf einer anderen Hardware implementiert sein. Dann kann entweder eine DPRAM-Schnittstelle oder ein Modbux/RTU-Interface für den Informationsaustausch verwendet werden. Unterschiedliche Kommunikationsschnittstellen Bild 4 zeigt die von Softing und Unjo gemeinsam entwickelte Evaluierungslösung. Das RTEM ist mit einem Unjo-Leistungsteil für vier Motorphasen kombiniert. Die Einheit unterstützt Feldbuskommunikation per Industrial Ethernet und eine komplette, hochperformante Motorsteuerung für z.B. einen dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor oder zwei Gleichstrommotoren. Damit können durch den Anschluss eines oder mehrerer Motoren die Eigenschaften des FPGA-basierten Systems erprobt werden. Für diese Evaluierungslösung wurde die in Bild 3 gezeigte IP-Core-Konfi­guration um den Steuerungs-IP-Core von Unjo erweitert und eine entsprechende Anwendung zum Informationsaustausch zwischen Steuerungslogik und Kommunikationsstack erstellt. Ausgehend von der Evaluierungsplattform kann der Anwender seine eigene Entwicklung starten oder die vorhandene Struktur direkt übernehmen. FPGA-basierte Motorsteuerungen von Unjo sind seit zwölf Jahren in verschiedenen Anwendungen in Betrieb, z.B. in industriellen, medizintechnischen und luftfahrttechnischen Applikationen. Mit dem steigenden Innovationsbedarf im Maschinenbau, der fortschreitenden Kostendegression bei FPGA-Komponenten und der Verfügbarkeit von IP-Lösungen ist zu erwarten, dass FPGA-basierte Motorsteuerungen an Bedeutung gewinnen werden. Die Kombination von IP-Cores für Kommunikation und Motorsteuerung ist ein Beispiel dafür, wie sich kompakte und flexible Systeme auf FPGA zusammenstellen lassen. Autoren: Frank Iwanitz, Business Development Manager RTE, Softing AG, Deutschland