Interview mit Softing FPGAs in der industriellen Kommunikation

Christian Bräutigam, Produktmanager für industrielle Kommunikation bei Softing: »Wichtig ist, die externe Schnittstelle für den Nutzer möglichst einfach zu halten.«
Christian Bräutigam, Produktmanager für industrielle Kommunikation bei Softing: »Wichtig ist, die externe Schnittstelle für den Nutzer möglichst einfach zu halten.«

Die Anzahl der Feldbusse in der industriellen Kommunikation wächst ständig, und die Geräte- und Steuerungshersteller stehen vor der Aufgabe, diese zu integrieren. Elektronik-Redakteurin Andrea Gillhuber sprach mit Christian Bräutigam von Softing über Feldbusse und ihre Integration in Feldbusgeräte mittels FPGA.

Herr Bräutigam, Kommunikationstechnik ist das A und O in Automatisierungsanlagen. Welcher Feldbus hat in der Automatisierung im Moment die Nase vorne?

Christian Bräutigam: Im europäischen Umfeld ist Profibus als der klassische Feldbus sehr wichtig, aber in jüngster Zeit gibt es immer mehr Industrie-Ethernet-Varianten. Rein von der Technik sehe ich den Profibus in Führung. Allerdings muss man regional differenzieren: In den USA ist DeviceNet nach wie vor sehr wichtig. Aber weltweit hat meiner Meinung nach Profibus knapp die Nase vorne; hier in Europa ist er der Platzhirsch.

Andere Länder, andere Feldbusse: Wie unterscheidet sich die Kommunikationstechnik in der Automatisierung weltweit, z.B. in Japan?

Bräutigam: In Japan beansprucht DeviceNet ebenfalls einen gewissen Anteil für sich, allerdings hat das Land auch eigene Systeme: CC-Link ist dort ein Thema. Seit einigen Jahren sind in Japan außerdem entsprechende Ethernet-Derivate zu sehen. Im Wesentlichen laufen die großen Stückzahlen noch im klassischen Feldbus-Bereich, das Wachstum liegt jetzt aber auf der Seite von Ethernet.

Wird Ethernet irgendwann einmal den Profibus verdrängen?

Bräutigam: Die Profinet-Nutzerorganisation PNO wollte in einer Befragung herausfinden, ob Profinet den Profibus ersetzen wird. Mehr als
40 Prozent der Befragten sehen in Profinet bestenfalls eine Ergänzung zum Profibus. Das heißt, Profibus wird nicht verschwinden. Für einige Anwendungen eignet sich Profinet sicherlich als Ersatz, aber es wird nach wie vor einen großen Bedarf an klassischen Feldbus-Lösungen geben.

In einer Automatisierungsanlage wird auf verschiedene Feldbusse zurückgegriffen. Wie werden diese miteinander verbunden?

Bräutigam: In die Feldebene hinein kommuniziert die Steuerung mit ihren I/O-Komponenten meist über Profibus; auf der Steuerungsebene erfolgt dann die Umsetzung auf andere Protokolle wie eben das klassische Ethernet. Eine direkte Kopplung zwischen dem klassischen Feldbus und einem Ethernet-basierten Feldbus ausschließlich als Umsetzer ist eher eine Nischenanwendung. Zwar könnte bereits in der Feldebene ein Industrie-Ethernet eingesetzt werden, doch sind noch nicht alle Peripherie-Komponenten für die neuen Ethernet-basierten Systeme verfügbar. In der Regel ist bereits eine Architektur vorhanden: Die Steuerung kommuniziert in der Feldebene mittels Feldbus oder eben mit einem Industrie-Ethernet und in die Steuerungs- bzw. Managementebene hinauf mittels eines eigenen Netzwerk-Systems, zumeist auf Ethernet-Basis.

Softing nutzt FPGAs, um Steuerungen und Feldgeräte mit der erforderlichen industriellen Kommunikationstechnik auszustatten. Wie kann man sich das vorstellen?

Bräutigam: Im FPGA wird ein eigener Controller mittels VHDL-Code realisiert; der Controller wiederum wird von einem Soft-Prozessor im FPGA bedient. Die gesamte Lösung ist auf diese Weise gekapselt und stellt sich dem Anwender als einheitliche Schnittstelle dar, über die Applikationsdaten ausgetauscht werden. Ob darunter nun ein Profibus-, Ethernet-IP- oder Profinet-Protokoll sitzt, spielt für den Anwender keine Rolle. Wir stellen mit unseren IP-Cores ein einheitliches Hardware-Layout zur Verfügung, das alle Protokoll-Stacks bereits auf dem Prozessor, also dem Soft-Core im FPGA, implementiert hat.

Welche Vorteile bieten sich dadurch dem Anwender?

Bräutigam: Es gibt diesen Dualismus in Feldbussen und Ethernet: Der Feldbus ist weit verbreitet, auf der anderen Seite entwickeln sich immer mehr Ethernet-Varianten. Es gibt keine Vereinheitlichung, sondern konkurrierende Systeme - Anbieter und Verbände unterstützen unterschiedliche Ethernet-Varianten. Das stellt den Anwender vor das Problem, sich abseits seines Kern-Know-hows, nämlich der Geräte- oder Steuerungsfunktion, mit den unterschiedlichen Kommunikations-Varianten intensiv beschäftigen zu müssen. Mit unserem System kann der Nutzer zwischen den unterschiedlichen Ethernet-Varianten wählen und muss sich nicht mit den individuellen Controller-Chips verschiedener Spezial-Anbieter auseinandersetzen.

Softing war einer der Ersten, die in der industriellen Kommunikationstechnik auf FPGAs setzten. Welche Vorteile haben Lösungen mit FPGAs gegenüber diskreten Lösungen mit Mikroprozessoren?

Bräutigam: Bei einer diskreten Lösung mit einem Mikrocontroller und entsprechendem Kommunikations-ASIC muss ich diese beiden mit ihren jeweiligen Hardware-Eigenheiten erst einmal zusammenbringen. Danach muss der Protokoll-Stack, der das ASIC bedient, auf die jeweilige Zielplattform des genutzten Prozessors quartiert werden. Das ist ein wesentlich größerer Aufwand, als wenn die Schnittstelle zum Datentausch nur entsprechend angepasst werden muss.

Muss das FPGA für jede Schnittstelle und Applikation bzw. Anlage eigens programmiert werden oder gibt es Bibliotheken, über die die gewünschte Schnittstelle definiert werden kann?

Bräutigam: Jeder stellt sich oft etwas anderes darunter vor: Denke ich an Feldbus-Anschaltung, besteht diese in der Regel aus einer Hardware-Logik - sei es ein Ethernet-Switch mit besonderen Echtzeit-Anforderungen im Fall des Industrie-Ethernets oder bei Profibus ein Controller, der den seriellen Datenstrom entsprechend in Telegramme umformt und das Timing einhält. Das ist sozusagen der Hardware-Anteil, den wir als verschlüsselten VHDL-Code für das FPGA an unsere Kunden liefern. Zwar kann er diesen nicht verändern, aber er kann ihn in sein eigenes Design einbauen und zusätzliche Logik ergänzen. Hinzu kommt der Soft-Core-Prozessor, der diesen Controller bedient - hier liefern wir den Stack in binärer Form. Der Anwender lädt diese Stacks in einen vom FPGA bedienten Flash-Speicher und hat somit diese Funktionen als Modul auf seinem FPGA zur Verfügung. Zusätzlich kann er eigene Erweiterungen wie bei einem eigenständigen FPGA-Design unterbringen.

Wie viele Schnittstellen können mit einem FPGA realisiert werden?

Bräutigam: In der Regel ist bei Feldbussen eine Schnittstelle ausreichend, in Ethernet-basierten Systemen sprechen wir in der Regel von zwei Anschlüssen. Allerdings gibt es auch Anfragen mit bis zu sechs unabhängigen Profibus-Schnittstellen - hier würde man eben ein entsprechend größeres FPGA verwenden. Das ist das Schöne an FPGAs: Ich habe eine skalierbare Lösung, in der ich IP-Cores ohne steigende Komplexität n-Mal in die Hardware integrieren kann.

Welche Anforderungen stellt der Gerätehersteller an die Implementierung von Feldbus- und Industrie-Ethernet-Schnittstellen?

Bräutigam: Der Gerätehersteller möchte möglichst wenig eigene Entwicklungsleistung investieren. Eine wesentliche Anforderung ist daher eine einheitliche API zur Anwendung. Die Implementierung soll natürlich ebenfalls einfach sein. Daher bieten wir entsprechende Evaluierungs-Boards an, auf die das FPGA-basierte Feldbus-Modul gesteckt wird. In dem Evaluierungs-Kit sind die IP-Cores, der Quellcode für das Anpassen der Schnittstelle sowie vorbereitete Beispiele für Master- und Slave-Anwendungen enthalten. Mit der Plattform kann sich der Nutzer mit dem Thema vertraut machen und entscheiden, ob er einen Steckplatz für unser Modul auf seiner Hardware einplant oder ein eigenes Hardware-Design mit eigenem FPGA entwickelt. Bei größeren Stückzahlen ist Letzteres sinnvoll, weil die Rückwandbus-Kommunikation in das FPGA mit eingeplant werden kann. Zu diesem Zweck liefern wir mit dem Kit den Schaltplan mit, so dass eine abgeleitete Hardware realisiert werden kann, auf der wiederum unsere IP-Cores laufen.

Ist eine FPGA-Lösung energieeffizient genug?
Bräutigam:
Das hängt von Betrachtungswinkel und Fall ab: Wird diskret gearbeitet, also mit Mikrocontroller und Kommunikations-ASIC, muss noch eine Rückwandbus-Kommunikation realisiert werden; dafür werden heute ohnehin schon FPGAs eingesetzt. In diesem Fall kann man das Ganze einfach kombinieren. Außerdem ist der Energiebedarf in dem Bereich, in dem wir uns bewegen, noch nicht so kritisch. In den Rechnerplattformen ist eher die Notwendigkeit von mehr Rechenleistung gegeben, um z.B. eine Steuerung zu realisieren. Einzelne Milliampere sind hier kein Argument. Und für den Ex-Bereich, in dem es auf minimale Leistungsaufnahme ankommt, gibt es spezielle Feldbus-Versionen.

Welche FPGAs setzten Sie in ihren Boards konkret ein?

Bräutigam: Wir setzen FPGAs der Linien Cyclone III und Cyclone IV von Altera und die Spartan-Reihe von Xilinx ein.

Warum setzen Sie auf proprietäre NIOS-II-Soft-Core-Prozessoren und nicht auf ARM-Hard-Core von Altera?

Bräutigam: Wir wollen mit unseren Designs möglichst universell agieren. Daher setzen wir vorerst auf diese Soft-Core-Lösung, die wir eben auf verschiedene Derivate und auch verschiedene Anbieter portieren können. Sollte sich der Markt jedoch entsprechend weiterentwickeln, ist es durchaus möglich, dass wir eine Portierung direkt für Hard-Core-Controller in das FPGAs realisieren - die Funktion bleibt für den Anwender ja die gleiche. Wichtig ist, die externe Schnittstelle für den Nutzer möglichst einfach zu halten.

Wenn es der Markt verlangt, setzen Sie also auch auf Hard-Core-Lösungen?

Bräutigam: Es ist auf unserer Roadmap nicht der erste Punkt. Für uns ist wichtig, die Soft-Core-Lösungen zu bedienen - einmal für Altera, einmal für Xilinx. Das sind die im Moment für uns wichtigsten Plattformen. Aber natürlich geht es weiter: Sobald wir die Breite in diesen Linien erreicht haben, werden wir sukzessive Hard-Core-Lösungen hinzunehmen.