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Industrie 4.0

Industrielle Kontrolleinheit richtig umsetzen

19. November 2013, 15:19 Uhr | Christoph Adam und Josef Wasner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Das Projektmanagement entscheidet über den Projekterfolg

Welche Ressource macht wann was? Im vorliegenden Fall eines Kontrollsystems für eine komplexe Anlagensteuerung mit mehreren Subsystemen wurde das komplette Projekt - inklusive der Erstellung des Handbuchs - innerhalb von etwa acht Monaten abgewickelt. Der Designprozess von verschiedenen Moduleinheiten, Mechanik, SW-Codierung und FPGA-Entwicklung lief dabei nahezu parallel ab. Die Schaltplan-Freigabe von Modul 2 fand eine Woche nach der von Modul 1 statt. Layout-Freigaben, „Power on“- und Modultests liefen ebenfalls nebeneinander und konnten für Modul 2 sogar früher beendet werden. Die Prototypenfreigabe der Mechanik erfolgte bereits drei Wochen nach Schaltplanfreigabe des ersten Moduls.

Wiederum zwei Wochen später wurde die Software-Codierung bereitgestellt. Das FPGA-Design setzte bereits vor der Schaltplan-Freigabe ein, und der erste Prototyp wurde weniger als fünf Monate nach Prozessbeginn vorgestellt. Ein derart stringenter Zeitplan lässt sich nur durchführen, wenn alle komplexen Prozesse transparent, koordiniert und kontrolliert - und mit den nötigen Ressourcen - ablaufen können.

Der Board-Design-Prozess zur Entwicklung der Baugruppen erfolgte mit Altium und umfasste Schaltplaneingabe und Layout. Spezielle Schaltungsteile, zum Beispiel High-Speed-Links wie PCI Express oder Serial RapidIO oder schnelle Speicher-Strukturen wurden mit Tools wie Spice oder Hyperlynx hinsichtlich der Signalintegrität vor und nach dem Layout simuliert. Schaltkreis- und Bibliotheken-Design (Symbole, Footprints), CPLD/FPGA- und mechanisches Design liefen dazu korreliert ab. Produktdaten wie Stücklisten (Bill of Material, BOM), Schaltpläne und Layoutdaten wurden in einer versionskontrollierten Produktionsdatenbank erfasst, die mit dem SAP-basierten Bauteilemanagementsystem synchronisiert ist. Nach der Prototypenfertigung schließlich stellten Produktionstests (AOI, Flying Probe) eine korrekte Fertigung sicher.

Das Chipdesign bestand aus den Prozessschritten Konzeption, Codierung, Verifizierung, Simulation, Synthese und Implementierung mit den entsprechenden Place&Route-Tools des jeweiligen Herstellers. Für das Design und die Implementierung in VHDL oder Verilog standen und stehen dem Entwicklungsspezialisten aufgrund der Expertise in den verschiedensten Anwendungsfeldern High-Level Entry Tools, zum Beispiel HDL-Designer, zur Verfügung. Im Hinblick auf die Wiederverwendbarkeit der Module, der besseren IP-Kompatibilität bezüglich des Zieldesigns, der größeren Verbreitung in Europa und der Vielzahl passender Schnittstellen sowie der Unterstützung der Testumgebung wurde in dem konkreten Fall VHDL eingesetzt. Würden darüber hinaus besonders hohe Anforderungen an Testabdeckung oder Zuverlässigkeit gestellt, so könnte zusätzlich auch SystemC zum Einsatz kommen - letztendlich entscheiden die Designanforderungen und auch der Kunde, welches Tool eingesetzt werden soll. Die Mechanik-Entwicklung schließlich erfolgte mit Hilfe des CAD-Tool ProEngineer.

Bei der Implementierung der Firmware spielten detaillierte Flow Charts eine Rolle, ferner die Auswahl des Betriebssystems, das Boot-Konzept, Treiber, Power-on-Selbsttests, Interaktionstest, FW/SW-Schnittstellen, Error Handling, Debugging und Diagnose sowie natürlich die Anwendung selbst.

Fehler in der Spezifikation oder im Code wurden durch konsistente Überwachung und Reviews identifiziert. Generell geht die Tendenz dabei zu einer hohen Wiederverwendbarkeit und zum Einsatz von festen, standardisierten Software-Blöcken, die eine weitere Adaption und Integration schnell und problemlos ermöglichen. Wenn nötig, würden Heitec-Ingenieure BIOS, Treiber, Board Support Packages (BSP) oder auch bestehende Protokolle anpassen bzw. modifizieren und Bootkonzepte sowie Test&Diagnose-Konzepte projektspezifisch entwickeln. Zur Termin-optimierung und Risikominimierung könnten zudem auch HW/SW- Kosimulation und Vortests auf entsprechenden Evaluierungs-Plattformen genutzt werden, bevor die Hardware-Entwicklung abgeschlossen ist.

Im Anschluss jedenfalls erfolgte die Verifikation der Funktionen der einzelnen Module/Baugruppen inklusive der FPGAs oder ASICs durch das Entwicklerteam entsprechend der Testspezifikation und dem Testplan. Je nach Anforderung gehören in vielen Fällen dazu auch die PCB-Verifikation mit Signalintegritätsanalysen und Vario-Tests.

Durch die enge Zusammenarbeit zwischen eigener Board-Fertigung und dem Entwicklungsteam konnten Änderungen/Anpassungen sehr schnell und effektiv umgesetzt werden - ein weiterer Vorteil durch die sehr frühe Einbindung der Fertigung schon in der Definitions- und Entwicklungsphase der Baugruppen. Parallel dazu erfolgten das Design, die Konstruktion und die erste Fertigung von mechanischen Komponenten und Gehäusen.

Danach wurden die verschiedenen Baugruppen in das System integriert und entsprechende Systemtests ausgeführt. Diese Systemtests wurden in der Regel zusammen mit dem Kunden definiert, wobei beide Partner eine möglichst hohe Testabdeckung sowie die Interoperabilität der einzelnen Komponenten sicherstellten. Diese Tests waren und sind die Basis für spätere Fertigungs-Abnahmetests. Für die Fehlerbehebung und zur Vorbereitung der Systemfreigabe kam das interaktive Tool „Bugzilla“ zum Einsatz, das Statistikfunktionen und Tracking vereint. Probleme wurden zentral erfasst, zugeordnet und terminiert.