Industrial Ethernet Mit FPGA-Technik genau ins Ziel

Autor / Redakteur: Georg Süss / Ines Stotz

Für die Implementierung von Industrial Ethernet-Feldgeräten definieren Gerätehersteller unterschiedlichste Anforderungen. Das erfordert eine flexible individuelle Umsetzung. Hier kommt die FPGA-Technologie ins Spiel, die die passenden Voraussetzungen dafür bietet.

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Den Schlüssel für eine individuelle Geräteimplementierung bildet eine skalierbare Gesamtlösung.
Den Schlüssel für eine individuelle Geräteimplementierung bildet eine skalierbare Gesamtlösung.
( © silvano audisio - Fotolia)

Unnötige Ressourcen und damit auch Kosten einzusparen, das hat Frank Iwanitz stets auf dem Schirm bei seinen Produktentwicklungen. Der verantwortliche Produkt-Manager bei Softing Industrial Automation ist sehr zufrieden und zeigt auf, welche deutlichen Vorteile die Kunden beim Einsatz einer skalierbaren Lösung haben: „Mit der Verwendung der FPGA-Technologie stehen alle Freiheitsgrade für die Implementierung eines Industrial Ethernet-Feldgeräts zur Verfügung. Aufgrund der unterstützten Flexibilität unserer Lösung deckt die realisierte Funktionalität genau die individuellen Anforderungen ab.“

Aus der Menge der Industrial Ethernet-Standards haben sich heute für den breiten Einsatz die Protokolle Ethercat, Ethernet Powerlink, Ethernet/IP, Modbus TCP und Profinet auf dem Markt durchgesetzt. Diese Protokolle setzen sich jeweils aus einer verpflichtend zu unterstützenden Grundfunktionalität und vielfältigen Erweiterungsoptionen zusammen. So entstehen Freiheitsgrade hinsichtlich der unterstützten Funktionalität, die bei gleichzeitiger Berücksichtigung eigener Alleinstellungsmerkmale den Herstellern die Festlegung eines individuellen Anforderungskatalogs für die optimale Positionierung der eigenen Feldgeräte im Markt erlauben.

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FPGA-Technologie passend für alle Anforderungen

Zu den unterschiedlichen Anforderungen, die die Gerätehersteller für die Implementierung von Industrial Ethernet-Feldgeräten definieren gehören beispielsweise die zu unterstützende Leistungsfähigkeit, die Verfügbarkeit allgemeiner Ethernet-Dienste, die Gerätearchitektur oder der angebotene Kommunikationsumfang.

Den Schlüssel für eine individuelle Geräteimplementierung bildet eine skalierbare Gesamtlösung, die einerseits unterschiedliche Industrial Ethernet-Protokoll-Stacks mit den notwendigen Wahlmöglichkeiten umfasst und andererseits die kompromisslose Implementierung der Alleinstellungsmerkmale ermöglicht. Aufsetzend auf den flexiblen Einsatzmöglichkeiten eines FPGAs deckt die Softing-Lösung diese Vielfalt ab.

Die im Weiteren beschriebenen aktuellen Projekte belegen diese Aussage.

Optimierte Datenverarbeitung

Ein Gerätehersteller wollte die Leistungsfähigkeit seiner Industrial-Ethernet-Implementierung gegenüber seiner bisherigen Profibus-Lösung verbessern und eine Übertragung von mehreren Tausend Messwerten pro Sekunde erreichen. Auch in einem zweiten Projekt spielte die Leistungsfähigkeit mit einer geforderten Zykluszeit kleiner als 100 µs für die Übertragung einer großen Anzahl von Messwerten eine zentrale Rolle.

In beiden Fällen sollten die Ausgangswerte der Steuerung zyklisch an die Feldgeräte und die ermittelten Messwerte wieder als Eingangswerte an die Steuerung übertragen werden, wobei in jedem Zyklus die Übertragung vorhandener neuer Werte und deren Weiterverarbeitung sichergestellt werden musste. Die erreichbare Zykluszeit wird entscheidend durch die Zeit für die Verarbeitung der Daten im Protokoll-Stack (Stack-Durchlaufzeit) und in der Anwendung bestimmt.

Die Abarbeitung des Industrial Ethernet-Protokolls oberhalb der Schicht 2 des OSI-Modells (Sicherungsschicht) kann entweder vollständig in Software oder über eine Kombination aus Hardware und Software realisiert werden. Für die vorhandene Software-Lösung wurden Stack-Durchlaufzeiten von bis zu 100 µs gemessen, so dass damit die genannten Anforderungen nicht zu erfüllen waren.

Deshalb wurde eine ergänzende Hardware-Lösung mit einem direkten Kopieren der Daten aus bzw. in den Industrial Ethernet IP Core umgesetzt. Damit können 100 Bytes in 10 µs aus dem Industrial Ethernet-IP Core in den Dual Port-Speicher kopiert und eine Leistungsverbesserung etwa um den Faktor 10 erreicht werden.

Auch die Geräteanwendung kann für eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit zumindest teilweise in Hardware realisiert werden. Dazu erfasst ein Anwendungs-IP Core die Sensordaten direkt und führt eine Vorverarbeitung durch. Im Gegensatz zu Implementierungen auf ASIC-Basis, die meist auf einige digitale Ein- und Ausgänge beschränkt sind, unterstützt dieser Lösungsweg die Anbindung beliebiger direkt anschließbarer Peripheriekomponenten. Für den Datenaustausch werden die Messwerte aus dem Anwendungs-IP Core dann direkt in den Industrial Ethernet-IP Core übernommen.

Aufsetzend auf einer bewährten schlanken Anwendungsschnittstelle unterstützt die Softing-Lösung ebenfalls die beschriebenen Implementierungen für die Integration der verschiedenen Industrial Ethernet-Protokolle.

Paralleler TCP/IP-Kanal

Ein großer Vorteil beim Einsatz von Industrial Ethernet-Protokollen ist die parallele Übertragung von Standard-IT-Daten über dasselbe Kabel und über dieselbe Ethernet-Schnittstelle im Gerät. Deshalb unterstützt die Softing-Lösung einen transparenten IT-Pfad, z.B. für die Realisierung eines Zugriffs auf Gerätedaten über das Internet oder für den Daten-Download.

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Ein Kunde verwendet den TCP/IP-Kanal auf einem System-on-Chip (SoC)-Baustein, der neben den FPGA-Bestandteilen ebenfalls einen ARM-Prozessor integriert. Bei dieser Implementierung wurde der Switch-IP Core um einen zusätzlichen internen Port erweitert und dieser direkt an den integrierten Ethernet-MAC des ARM-Prozessors angeschlossen. So entsteht ein kompaktes Gerät, das die volle Funktionalität in einem Baustein bündelt und damit die Hardware-Kosten reduziert.

Weitere Skalierungsmöglichkeiten der Softing-Lösung betreffen etwa die Verteilung der Gesamtfunktionalität auf mehrere Prozessoren oder die Verwendung unterschiedlicher externer Hardware-Schnittstellen.

* Georg Süss, Dipl.-Inform., Softing Industrial Automation

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