Projekt „ParaObsol” „Heilmittel“ für Lösungen bei abgekündigten elektronischen Bauteilen

Redakteur: Reinhard Kluger

Ziel des vom Freistaat Bayern im Rahmen des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) und dem FuE-Programm „Informations- und Kommunikationstechnik“ des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie geförderten Projektes ist die Entwicklung von Methoden, Verfahren und Systemen für den Ersatz von nicht mehr verfügbaren elektronischen Bauelementen in den Phasen Entwicklung, Fertigung und Service.

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Veraltete Steuerungsrechner von Produktionslagen lassen sich dank ParaObsol ersetzen, ohne dass die Analge lange mehrere Wochen auslfällt. Im vorliegenden fall gelang der Austausch in nur wenigen Stunden
Veraltete Steuerungsrechner von Produktionslagen lassen sich dank ParaObsol ersetzen, ohne dass die Analge lange mehrere Wochen auslfällt. Im vorliegenden fall gelang der Austausch in nur wenigen Stunden
( Archiv: Vogel Business Media )

ParaObsol beschäftigt sich mit dem schnellen und sicheren Ersatz von Elektronikfunktionseinheiten langlebiger Investitionsgüter wie z.B. in Kraftwerken, Krankenhäusern, Kliniken, Großforschungseinrichtungen sowie allgemein der Verkehrs-, Medizin-, Analysen- bzw. Messtechnik und zwar in all den Fällen, in denen besonders aufgrund einer immer kürzer werdenden Verfügbarkeitsphase von Halbleiterbauelementen, keine Ersatzbauelemente für einen Austausch (z.B. wg. Defekt/Reparatur) bzw. zur Einhaltung von langfristigen Lieferverpflichtungen wegen frühzeitiger Abkündigung von Bauteilen (Obsoleszenz) zur Verfügung stehen.

Bei langlebigen Investitionsgütern übernimmt der Hersteller üblicherweise auch die Verantwortung für die spätere Bereitstellung von Ersatzteilen im Bereich der Elektronikausrüstung. Angesichts der hohen Entwicklungsdynamik in der Elektronik und relativ hohen Einsatzzeiten bei Anlagen des Maschinenbaus und Anlagenbaus ergeben sich dazu teilweise massive technologische und logistische Probleme mit weitreichenden betriebswirtschaftlichen Konsequenzen. Dabei haben sich nach Branche und Unternehmen verschiedene Strategien entwickelt. Die Bandbreite reicht von der Bereitstellung der ursprünglichen Bauelemente für den Reparaturfall (Lagerhaltung) über verschiedene Teilmodelle bis zur Wiederherstellung der Funktionen mit neuer Elektroniktechnologie (Redesign bzw. Neuentwicklung).

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Wenn es den Chip nicht mehr zu kaufen gibt

Dies führt bei den Systemherstellern teilweise zu betriebswirtschaftlich risikobehafteten Vorsorgekonzepten. So wird vielfach bei der Abkündigung bestimmter Bauelemente eine prognostizierte Menge zur Vorsorge eingekauft und eingelagert oder es wird bei der Produktion der elektronischen Baugruppen eine Reserve für den späteren Reparaturfall vorausproduziert. In beiden Fällen ist sowohl das technologische Risiko (Funktionserhaltung der Baugruppen/-teile über den Zeitraum der Lagerhaltung), als auch das betriebswirtschaftliche Risiko (Bindung liquider Mittel in vorrätig gehaltenen Komponenten) zu kalkulieren. Nicht zu vernachlässigen ist die Problematik, dass häufig im Vorfeld keine verlässliche Aussage über die Ausfallraten in späteren Jahren getroffen werden kann, was die zuvor beschriebenen Probleme noch verstärkt.

Bisher musste für einen Austausch einzelner Komponenten bzw. für ein neues Design von den Herstellern neben System-Know-how, System-Erfahrung und Spezialwissen auch viel Geld eingebracht werden. Ein Aufwand, den KMUs häufig nicht imstande sind zu leisten. Bei Großunternehmen, die diesen Aufwand tragen könnten, fehlt hingegen meist die betriebswirtschaftliche Motivation, ein komplettes Redesign voranzutreiben.

Für die Kunden dieser Unternehmen bedeutet dies, dass eine ehemals teure Maschine durch den Defekt einer einzelnen, nicht mehr lieferbaren Komponente komplett ausgetauscht werden muss.

Die Studie zum Thema

Ziel des Verbundprojektes ist, ein Verfahren für einen sicheren und wirtschaftlichen Ersatz von nicht mehr verfügbaren Bauelementen zu schaffen. Dazu soll eine Studie erstellt und ein modulares System aus Hardware und Software bis zum Prototypenstadium entwickelt werden, das zusammen mit den Projektpartnern und an deren Problemstellungen erprobt werden soll. Konkret bedeutet dies:

Erstellung einer Studie (Vorsorgekonzept Systematik), um optimale und kostengünstige Logistik (Bevorratung Bauteile, Baugruppen, Verwendung aktueller Technologien) über den gesamten Produkt-Lebenszyklus (Entwicklung, Fertigung, Service) zu gewährleisten.

Aufrechterhaltung der Lieferfähigkeit von Originalsystemen und Ersatz-Modulen über die vereinbarte Laufzeit durch gleichwertigen Ersatz der abgekündigten Bauelemente/Baugruppen (Kompatibilität).

Vollständiger Funktionserhalt von Großgeräten im vorgesehenen Einsatzzeitraum und darüber hinaus durch den Ersatz von nicht mehr lieferbaren Elektronikmodulen durch neue Komponenten bzw. durch Austauschsysteme unter Einbeziehung von komplexen programmierbaren Bausteinen (FPGAs, CPLDs etc.) und Prozessorkernen, bzw. durch Aktualisierung der Software.

Erhöhung der Funktionalität und Zuverlässigkeit von Großgeräten durch den Einsatz neuartiger Halbleiterkomponenten mit stark erhöhter Leistungsfähigkeit bei niedrigerem Energie- und geringerem Kühlungsbedarf, geringerem Bauvolumen und Gewicht, günstigerer elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und höherer Zuverlässigkeit.

Partner und Projektdaten

Der Hauptakteur iSyst (Sprecherrolle) entwickelt zusammen mit der Ohm-Hochschule Nürnberg auf der Grundlage der breit gestreuten Anforderungen Methoden und Verfahren sowie Entwicklungs- und Testsysteme für einen wirtschaftlichen Ersatz von abgekündigten Bauelementen bzw. Komponenten durch verfügbare und des Weiteren für den Nachweis der identischen Funktion des Ersatzes.

Die Partner aus der Industrie sowie das Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (FhG-IISB) bringen jeweils eine konkrete Aufgabenstellung in das Projekt ein, d.h. ein von der Obsoleszenz betroffenes und zu bearbeitendes Elektronikmodul.

Die beteiligten Hochschulen analysieren – gemeinsam oder jeder auf seinem Spezialgebiet – die von den Partnern gestellten Aufgaben. Im Einvernehmen mit den Partnern leiten sie daraus den Bedarf an Forschung und Entwicklung für den wirtschaftlichen (d.h. kurz- bis mittelfristigen und rentablen Ersatz der Komponenten) ab. Es werden so Methoden, Verfahren und Werkzeuge für den Prozess des Ersatzes entwickelt und an den realen Beispielen erprobt. Ein besonders wichtiger Punkt ist die Sicherstellung der kompletten Funktion unter allen vorgegebenen Betriebsbedingungen. Sie unterstützen das Institut ELSYS und die iSyst GmbH bei der Problemlösung mit ihren jeweils spezifischen wissenschaftlichen Erfahrungen, Ansätzen und Möglichkeiten.

Die Firma iSyst GmbH wird die im Projekt entwickelten, prototypischen Systeme und Verfahren zu Produkten und Prozessen weiterentwickeln und in einem neuen Geschäftsfeld der Industrie mit zugehöriger Dienstleistung kommerziell anbieten.

Funktionen ersetzen, statt komplette Bauteile austauschen

Als sinnvolle Alternative zum Komplettaustausch „alter“ Elektronik einschließlich Software und allen damit verbundenen Ausfallzeiten und Risiken bietet sich der Ersatz der Funktion durch moderne Komponenten nach dem „Blackbox-Verfahren“ an. So kann die Komponente mit Hilfe moderner Rapid Prototyping-Methoden (z.B. FPGA-basierend) durch modernste Elektronik – und allen zeitnah daraus erwachsenden Vorteilen, wie Liefersicherheit über die nächsten Jahre, Leistungssteigerung, Energieeffizienz – ersetzt werden. Eine funktionale Beschreibung der benötigten Funktion in VHDL hat weiterhin den Vorteil, dass sie zunächst unabhängig von der Realisierung ist und somit in der Zukunft auch für den Einsatz von anderen Generationen von Schaltungskomponenten wieder verwendet werden kann (Re-Use durch Synthese auf ein neues Ziel, einen neuen Hersteller oder eine neue Technologie-Bibliothek). Berücksichtigt wird auch die Problematik der System- bzw. Blockzertifizierung. Die Partitionierung der Schaltung, d.h. die Bestimmung des Teils der Schaltung und damit der Schnittstelle, die um das zu ersetzende Bauelement zu realisieren ist, darf nicht nur unter dem Gesichtspunkt der Funktionserhaltung bei möglichst geringen Kosten der Bauteile erfolgen, sondern auch dass eine „einfache Schnittstelle“ eine Zertifizierung mit geringerem Aufwand erlaubt. Eine „einfache Schnittstelle“ ist optimiert bezüglich der Zahl und der Art der Ein- und Ausgänge (z.B. analog oder digital, nieder- oder hochfrequent, Nieder- oder Hochspannung, Nieder- oder Hochstrom).

Automatisiert die optimale Schnittstelle finden

Im Rahmen dieses Arbeitspaketes wird zusammen mit den Partnern, besonders jedoch mit der Siemens AG und der RUF GmbH, eine Methode und ein Verfahren entwickelt, welches es ermöglicht, aus den Daten des Schaltungslayouts automatisiert Vorschläge für die optimale Schnittstelle zu erarbeiten. Diese Vorgehensweise unterstützt den Entwicklungsingenieur wesentlich bei der Festlegung der jeweiligen Schnittstelle. Es wird weiterhin untersucht, ob sich durch den intelligenten Einsatz von programmierbarer Logik das Schnittstellenproblem leichter lösen lässt. Mittels In-Circuit-Test (ICT) können die Signale der Schnittstelle gemessen und überprüft werden. Durch die Zwischenschaltung der programmierbaren Logik ist zu erwarten, dass die Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit stark verbessert werden können, da dann statt des mechanischen Zugriffs ein von Software unterstützter, konfigurierbarer Zugriff eine Reihe von zusätzlichen Freiheitsgraden bringt.

Es ist anzustreben, dass die Zertifizierung durch den Nachweis erfolgt, dass der Austauschblock ein zum auszutauschenden Block identisches Verhalten aufweist.

Die Teilprojekte im Überblick

Es wurden sechs verschiedene Schwerpunkte analysiert und entsprechende Teilprojekte definiert sowie entsprechende Teilprojekt-Verantwortliche bestimmt:

1.) Fertigungsautomatisierung (Lehrstuhl FAPS):

  • Studie: “Systematik & Logistik von Bauelementen & Baugruppen über gesamten Lebenszyklus (Entwicklung, Fertigung, Service, End-of-Life)”
  • Austausch funktionsgleicher Komponenten auf elektronischen Baugruppen

2.) Medizintechnik (Siemens Healthcare)

  • Schaltungseinheit mit Mikroprozessor

3.) Antriebstechnik/Leistungselektronik (Baumüller)

  • Ansteuerschaltung mit Leistungstransistormodul

4.) Automobiltechnik (RUF Automobile)

  • Motorsteuergerät vom Typ Bosch MOTRONIC
  • Änderung von Kennlinienfeldern in nicht mehr unterstützten Steuergeräten

5.) Halbleiterfertigung (FhG IISB)

  • Ersatz für Steuerrechner und Betriebssystem

6) IuK-Technik (Alcatel-Lucent)

  • Fehleranalyse, Baugruppen- und Modulverifizierung, Hochfrequenzanwendungen.

Alle Verbundpartner bringen ihre Erfahrung und ihr Wissen ein zur Lokalisierung des Problems und zur Erstellung eines Lastenheftes. Die sechs verschiedenen Aufgabenstellungen werden detailliert analysiert. Umfangreiche Recherchen und Analysen nach Sichtung der Spezifikation und Dokumentation sowie der Datenbasen und Quellcodes sind dabei notwendig. Die Teilprojekte werden entsprechend partitioniert und ggf. weitere Unteraufgaben definiert (Analyse Verbindungstechnik, Messtechnik Infrastruktur, Systemanalyse und Identifikation). Die Ergebnisse werden in einer Feasibility Study zusammengefasst und bewertet und dienen als Basis für die zu erstellende Anforderungsspezifikation.

Erste Ergebnisse

Die Firma ABL Sursum, ein international agierendes mittelständiges Unternehmen der Elektroindustrie mit Stammsitz in Mittelfranken ist an die iSyst Intelligente Systeme GmbH herangetreten, um ein solches Obsoleszenz-Problem zu lösen. Es galt die veralteten und vom Ausfall bedrohten Steuerungsrechner einer Produktionsanlage (siehe Bild) zu ersetzen. Selbst der Hersteller sah sich dazu nicht in der Lage, sondern konnte nur den kompletten Austausch der Steuerung der Anlage anbieten. Dies hätte einen Ausfall der Produktion von mehreren Wochen bedeutet, da sich die Anlage in laufender Produktion befindet. Durch eine genaue Analyse des Systems und der geschickten Wahl der Schnittstellen ist es der iSyst gelungen, die Anlage zu erhalten und die Software der Steuerung auf modernen Rechnern laufen zu lassen. Dies ist mit einem Software-Modul gelungen, das auf einem neuen Rechner installiert wurde und dort für die ursprüngliche Software das alte Betriebssystem simuliert. Somit können die bewährten Programme beibehalten werden, es sind keine neuen Lizenzen nötig und der Ausfall der Anlage betrug nur wenige Stunden. Die Kostenersparnis lag in der Größenordnung von 90 Prozent gegenüber dem Komplettaustausch. Ein Anlernen oder die Umschulung des Bedienpersonals entfiel, da im bekannten Umfeld weitergearbeitet werden konnte.

Wichtige Daten zu dieser Aufgabenstellung sind:

Ersatz von 3 PCs einer Produktionsmaschine

  • Hersteller IPTE
  • Handarbeitsplatz mit Fußtaster
  • unvollständige Doku (Papier)

RS232/RS422 zu USB Konverter

  • SST-Wandler TRP-C08S

Embedded in virtueller Umgebung

  • VMWare mit DOS 7.1
  • Virtual PC (OpenSource)
  • SER => PAR-Schnittstelle (ggf. USB-Konverter)

Auch für zukünftige Entwicklungen ist das Unternehmen jetzt gerüstet, da es von der iSyst geschult wurde und in der Lage ist, mittels des Software-Moduls auch zukünftige Rechnergenerationen einzubinden.

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