System-on-Chip für Automatisierung Multitalent mit Speed

Wenn es um ihre Wertschöpfungsketten geht, nutzen Unternehmen jeden einzelnen Hebel. Die Marge sitzt bekanntlich an jedem Stellschräubchen. In den Wertschöpfungsnetzen von Industrie 4.0 hingegen hapert es vielfach noch an diesen Ansatzpunkten. Effizienzhebel greifen hier nicht, wenn Verbindungsstücke fehlen oder Anlagen und Stationen in der indus­triellen Automation nur locker verknüpfen, etwa weil an einigen Knotenpunkten noch ein gemeinsamer Kommunikationsstandard fehlt. Informationen müssen fließen, damit es auch der Wertestrom kann.

Die Weiterentwicklung der indus­triellen Automation Richtung Industrie 4.0 baut auf cyber-physikalische Systeme auf, die Netzwerke aus Sensoren und Aktoren mit Technologien wie etwa der Internet-Kommunikation in Echtzeit verknüpfen. Und in solchen verwobenen und eingebetteten Systemen sitzen mehr Stellschrauben als in einfachen Ketten­strukturen. Da geht es zwar wie im klassischen Management der Prozesse um viel Leistung und Geschwindigkeit der Hardware, aber auch um die Routinen und Flexibilität, die Software einbringen kann. Vor allem aber bietet das Prinzip Einfachheit vielfältige Ansatzpunkte für die Effizienzhebel in komplexen Systemen wie der industriellen Automation.

Angepasste Software-Struktur, keine überfrachtete Hardware-Architektur, Multiprotokoll-Fähigkeit: Das Prinzip Einfachheit entlastet die Implementierung von Anwendungen für den automatisierten Betrieb – und greift besonders gut in der Entwicklung anspruchsvoller Produkte wie Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), industrielle Switches oder auch HMI-Applikationen, die sich in die unterschiedlichsten Anwendungen und Netzwerk-Topologien einpassen müssen. In der neuen RZ/N1 Familie stecken all diese Ansatzpunkte drin. Renesas Electronics hat die Produktlinie gezielt für die Anforderungen in den Wertschöpfungsnetzen der industriellen Automation entwickelt. Der Chip-Spezialist baut damit gleichzeitig auf das Konzept von Vorgänger-Bausteinen wie R-IN32M3 und RZ/T1 auf, das die klassischen Stellschrauben hoher Performance und niedriger Leistungsverbrauch mit Multiprotokoll-Fähigkeit und Echzeit-Kommunikation verbindet.

Architektur mit Flexibilität

Kern der neuen Lösung: Renesas hat Kommunikationsblock und Applikationsblock gemeinsam auf einem Chip integriert und über eine transparente Kommunikations-API für den ungehinderten Datenaustausch verbunden. Diese besondere Kommunikationsschnittstelle bildet eine Anpassungsschicht für zahlreiche gängige Industrie-Protokolle und sorgt auf diese Weise für die funktionale Unabhängigkeit von Applikation und Kommunikation. Und genau darin sitzt ein wichtiger Hebel für die Entwicklungs-Effizienz von Netzwerk-Applikationen. Entwickler können nun etwa Kommunikationsprotokolle für unterschiedliche Geräte ohne große Änderungen in der Anwendungs-Software austauschen: Dieselbe Geräte-Anwendung kann mit jedem anderen gängigen Industrie-Protokoll laufen, das unter dieser sogenannten Unified Communication API implementiert worden ist. Diese Vereinfachung korrespondiert mit betriebswirtschaftlichen Kennzahlen wie Time-to-Market, Entwicklungsaufwand und -kosten oder auch der Einsatzflexibilität.

Weniger Komplexität

Ein weiterer wichtiger Ansatz: Als Single-Chip-Lösung nimmt der RZ/N1 viel Komplexität aus dem Design. Damit entfallen viele typische Problematiken, mit denen sich Entwickler-Teams üblicherweise auseinandersetzen müssen. So haben sie bislang einen indus­triellen Switch oder eine Leiterplatte aus diversen separaten Komponenten mit entsprechend vielen Schnittstellen aufgebaut. Das verlangt mehr Platz, treibt die Verlustleistung nach oben und bedeutet zudem ein höheres Risiko, wo Zuverlässigkeit gefragt ist. Das 2-in-1-Konzept reduziert Fehlerquellen und Handling von Bauteilen, was auch für mehr Investitionssicherheit sorgt – zumal sich die vielen nützlichen Funktionalitäten über die beiden unabhängig arbeitenden Blöcke voll ausschöpfen lassen.

Unabhängige und starke Blöcke

Die R-IN Engine, die Renesas bereits erfolgreich in anderen Produktfamilien als klar definierten und unabhängigen Block einsetzt, bildet den Kommunikationsblock. Darin arbeitet eine ARM Cortex-M3. Hardware-Beschleuniger unterstützen die CPU und ermöglichen so Echtzeit-Kommunikation mit extrem kurzen Zykluszeiten. Denn was SPS und Switches in anspruchsvolleren Automatisierungs-Anwendungen benötigen sind geringer Jitter, möglichst kleine und konstante Verzögerungen bei der Kommunikation. Zudem ist ein isochrones Verhalten mit identischer Zeitbasis für synchrone Prozesse in allen Netzwerkknoten zwingend notwendig. RZ/N1 hat dafür einen 5-Port Echtzeit-Switch mit verschiedenen Kommunikations-Controllern integriert, um beispielsweise als Gateway zwischen zwei unterschiedlichen Ethernet-Protokollen übersetzen zu können. Zudem verfügt der Switch über eine HRS/PRP-fähige Hardware, weil der Wertestrom in Industrie-4.0-Anwendungen hochverfügbare, redundante Netzwerke braucht. Den Sicherheits-Aspekt hat Renesas generell mehrschichtig bedient, etwa auch mit Funktionalitäten wie Secure Boot und Kryptographie.

Im Applikationsblock laufen je nach Ausführung des RZ/N1 eine oder zwei ARM Cortex-A7 CPUs, womit die neue Lösung über reichlich Performance beispielsweise für typische Micro/Nano-PLC-Applikationen verfügt. Die Applikationsseite ist mit etlichen Interfaces für verschiedenste Anwendungen versehen. Weil sich in Industrie 4.0 die Mensch-Maschine-Schnittstelle als wichtiger Ansatzpunkt für die Durchgängigkeit der Prozesse herauskristallisiert, hat Renesas die neue Produktlinie auch mit einem HD-Displaycontroller ausgestattet, mit dem sich HMI-Anwendungen implementieren lassen.

Implementieren ganz einfach

Das Prinzip Einfachheit steckt auch im Software-Konzept, das dem Grundmuster der asymmetrischen Multi-Core-Architektur und ihrer hohen Flexibilität folgt: Der Kommunikationsblock setzt auf dem µITRON Real-Time-Betriebssystem auf. Und auf dem Applikationsblock läuft Linux, sodass den Entwicklern der Wettbewerbsvorsprung offensteht, der sich aus der Ideenvielfalt der Open-Source-Welt ergibt.

Auch den Einstieg in die neue Produktfamilie RZ/N1 gestaltet Renesas einfach mit einem umfangreichen Solution Kit, mit Entwicklungs-Board, Beispiel-Software und allen erforderlichen Treibern. Es gibt Entwicklern mehr als nur eine Idee davon, wie es ist, sich künftig voll auf die Applikation konzentrieren zu können – und zu sehen, wo all die Hebel sitzen.