Anwendungsbeispiel ARM-Cortex ARM-Architekturen in Industrie-Steuerungen

Die Verwendung einer Standard-Prozessorarchitektur bei der Realisierung einer durchgängigen Steuerungsumgebung gibt Design-Ingenieuren die Möglichkeit, die System-Leistung zu verbessern und die Designzykluszeit zu reduzieren.

Bei modernen Produktions- und Verarbeitungsbetrieben gibt es dank Steuerungsnetzwerken und Anbindung an IT-Netzwerke einen zentralisierten, vernetzten Blick auf industrielle Steuerungen. In der Vergangenheit wurden die Prozesse manuell gesteuert, und jeder Arbeitsbereich in der Fabrik arbeitete autonom. Der inzwischen mögliche Zugriff auf Echtzeit-Daten, die den Fabrikbetrieb zusammenfassen, gibt heute die Möglichkeit, die geschäftlichen Strategien an die aktuell herrschende Auslastung anzupassen. Der schrittweise Umstieg von isolierten Arbeitszellen zu vollständig vernetzten Fabriken erfolgte allerdings vorwiegend "auf Sicht" und ohne langfristige Planung. Jeder Aspekt des gegenwärtigen Designs industrieller Steuerungen war nach wie vor weitgehend auf die jeweilige Kombination von Bussen, Netzwerken und Steuerungen konzentriert.

Aus der Top-Down-Perspektive mag es heute bereits eine weitgehend einheitliche Sichtweise vernetzter industrieller Steuerungen geben. In der umgekehrten Bottom-Up-Blickrichtung - ausgehend von der zentralen Verarbeitungseinheit eines jeden Segments - ergibt sich dagegen ein wesentlich stärker fragmentiertes Bild, denn bisher gab es keine IC-Prozessorarchitektur, die sich auf allen Ebenen einer Steuerungs-Infrastruktur gleichermaßen effektiv einsetzen ließ. In der Regel werden industrielle Steuerungen als eine Hierarchie aus drei Ebenen beschrieben (Bild 1):

- Sensoren und Aktoren dienen zur Überwachung industrieller Prozesse, um Statusmeldungen zu liefern und gelegentlich Zustandsänderungen herbeizuführen.

- Elektromotoren und andere Systeme (z.B. Induktionsheizer) übernehmen die Umsetzung der Zustandsänderungen in Prozessen oder Abläufen.

- Steuerungen analysieren die von den Sensoren kommenden Informationen und erzeugen Befehle für die Antriebssysteme, um die gewünschten Änderungen herbeizuführen. Dazu gehören auch PLC- (Programmable Logic Controller) und PAC-Netzwerke (Programmable Automation Controller) zur Verbindung der einzelnen Geräte untereinander.

- HMI-Module (Human Machine Interface) und Displays liefern visuelle, algorithmisch aufbereitete Informationen über den Fabrikstatus.

Bis heute konnte keine software-kompatible Prozessorarchitektur alle Ebenen industrieller Steuerungen auf kosteneffektive Weise abdecken. Dabei hätte die Verwendung einer einheitlichen Prozessorarchitektur mehrere Vorteile. Es müssen weniger Software-Entwicklungs-Tools beschafft werden, es kann mehr Code wiederverwendet werden, und die gesamte Arbeit kann in einer vertrauten Entwicklungsumgebung stattfinden. ARM bietet eine ganze Palette von Prozessor-Cores an, die den Leistungs-Anforderungen industrieller Steuerungen auf jeder Ebene gerecht werden.

Die uneingeschränkte Kompatibilität der Software bei der Aufwärts-Migration von den Cortex-M3-Cores bis zu den Cortex-A8-Prozessoren erleichtert die Entwicklung eines Steuerungssystems mit Kommunikations-Funktionen, die nur einmal entwickelt und getestet werden müssen. Mehrere ARM-Cores verfügen über integrierte Hardware-Unterstützung für industrielle Steuerungsfunktionen (z.B. deterministisches Verhalten und Multi-Tasking).

Mikrocontroller (MCUs) und Mikroprozessoren (MPUs) auf Basis der ARM-Architektur müssen zusätzlich die passende Kombination aus integrierter Peripherie und Speicher mitbringen.

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle

Was den Verarbeitungsaufwand angeht, stellt die Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human Machine Interface, HMI) die höchsten Anforderungen. In automatisierten Fabriken muss das Personal von teils weit entfernten Leitständen aus einen möglichst großen Bereich der Fabrik überwachen und beobachten können. Voraussetzung hierfür ist eine Grafikunterstützung mit 3D- und Video-Darstellung. Eine Methode, Bedienern die Sicht auf dezentrale industrielle Steuerungssysteme zu ermöglichen, besteht darin, den Zugang zu den einzelnen Segmenten über das Anklicken von Reitern auf dem Bildschirm zu ermöglichen, woraufhin die einzelnen Maschinen oder Bereiche grafisch visualisiert werden.

Ausgefeilte HMIs sind in der Lage, algorithmisch aufbereitete Daten, 2D- und 3D-Grafik sowie Videos von in der Fabrik angebrachten Kameras darzustellen. Außerdem wird die Fähigkeit zur Visualisierung kritischer Abläufe oder Produktionsdaten in eigenen Bildschirmfenstern ermöglicht. Skalieren, Rendern und Bildschirmfenster sind gängige Merkmale fortschrittlicher HMIs. Touchscreens, Tastenfelder und Sprache gehören zu den optionalen Eingabemöglichkeiten, die alle eine entsprechende Schnittstellen- oder Peripherie-Unterstützung in der MPU voraussetzen.

Entscheidend ist ein hoher Grad an Interaktivität mit den Abläufen in der Fabrik. Zum Beispiel muss die Video-Wiedergabe auf verschiedene Kameras geschaltet werden können, Reports müssen abgefragt werden können und auch die Eingabe von Befehlen für Änderungen an einem Prozess oder einer Fertigungslinie muss möglich sein. Die Steuerungskonsole kann problemlos Daten von Hunderten von Geräten der zugrunde liegenden Ebenen des Steuerungsnetzwerks entgegennehmen und aufbereiten. Was den Prozessor betrifft, setzt dieses hohe Maß an Interaktivität einen Baustein mit eingebauter Videografik-Unterstützung, reichhaltigen I/O-Optionen und beträchtlicher Rechenleistung voraus: Eine MPU auf Basis des ARM-Cortex-A8 erfüllt diese Anforderungen.