Die bei Fachmessen für Industrieautomatisierung gezeigten Präsentationen beeindrucken immer wieder aufs Neue: Rotierende Zahnräder, deren Zähne bei hoher Geschwindigkeit aneinander vorbeigleiten, und die Präzision eines Roboterarms, der kleine Gegenstände hin- und herbewegt. Noch beeindruckender sind jedoch die großen Anlagen, bei denen das gleiche Maß an Präzision bei wesentlich größeren Lasten erreicht wird. Doch wie können Entwicklungsingenieure derartige industrielle Systeme konzipieren, die eine große Leistung erbringen und diese mit äußerster Kontrolle einsetzen?

Schon seit langem werden Servos und Motoren von digitalen Systemen gesteuert, die auf Mikrocontrollern basieren und aufgrund ihrer Software sehr flexibel sind. Aber nicht nur die Software ermöglicht die präzise Steuerung, die von heutigen Industriesystemen verlangt wird. Die Anbieter von Mikrocontrollern bieten immer mehr fortschrittliche Peripheriemodule an, mit denen die Implementierung vereinfacht wird. Dadurch werden prozessintensive Aufgaben auf konfigurierbare Hardwaremodule verlagert, die in einigen Fällen nahezu autonom arbeiten können und die Arbeit des Prozessors nur dann unterbrechen, wenn neue Daten eingehen oder eine Änderung der Steuerung erforderlich ist.

Feinsteuerung beginnt beim Prozessor

Prozessor-Baureihen wie die C2000 Echtzeit-Mikrocontroller von Texas Instruments wurden für Anwendungen wie Motorantriebe entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist der TMS320F28002x (F28002x), der auf dem C28x 32-Bit-DSP-Kern (Digitaler Signalprozessor) basiert. Er arbeitet mit 100 MHz und unterstützt sowohl Gleitkomma- als auch Festkomma-Code, der aus dem SRAM oder dem bis zu 128 KB großen On-Chip-Flash ausgeführt wird. Algorithmen zur Motorsteuerung sind bekanntlich sehr komplex und nutzen Vektorrechnung, um den nächsten Steuerungsausgang zu bestimmen. Zur Unterstützung dieser Berechnungen bietet Texas Instruments die Trigonometric Math Unit (TMU) mit IEEE-754 Gleitkomma-Befehlen für Operationen mit u. a. pi, sin, cos, tan und Arkustangens.

Um in Echtzeit auf Ereignisse reagieren zu können, sind einige clevere Hardware-Funktionen erforderlich. Eine dieser Funktionen, die der F28002x bietet, ist der Configurable Logic Block (CLB). Dabei handelt es sich im Prinzip um einen winzigen FPGA, der zur Implementierung von Finite-State-Machines verwendet werden kann, Hardware-Zähler enthält und zur Implementierung von Schnittstellen für Absolutwertgeber verwendet werden kann. Für eine optimale Steuerung sind die dedizierten PWM-Blöcke ebenfalls abgestimmt. Mit einer globalen Ladefunktion können die Register sequentiell in Software konfiguriert werden, wobei die neuen Werte synchron übernommen werden. Zur Verringerung von Grenzwertüberschreitungen bieten die Ausgänge außerdem eine Flankenanpassung von ca. 150 ps für den Arbeitszyklus, die Phase und das Totband. Dank der engen Verknüpfung mit analogen Blöcken, wie z. B. Analogkomparatoren, ist eine CPU-unabhängige Reaktion auf Spitzenströme in weniger als 1 µs möglich (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Echtzeitprozessoren der C2000-Reihe von Texas Instruments ermöglichen schnelle Stromschleifen von unter 1 µs.

[Quelle: Texas Instruments - https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/posts/what-is-real-time-control-and-why-do-you-need-it]

Schnittstelle zur analogen Welt

Die heutigen Prozessoren bieten zwar leistungsfähige analoge Peripherieblöcke, aber manchmal sind mehr Leistung oder Genauigkeit gefragt. Bei der Datenerfassung müssen oft aufwendige Filter mittels eines Analog-Front-End (AFE) eingesetzt werden, um Störsignale und unerwünschte Signale zu entfernen, die häufig in Industrieanlagen auftreten. Wenn man das AFE, das Platz auf der Leiterplatte beansprucht, entfernen möchte, kann beispielsweise eine wesentlich höhere Abtastrate verwendet und unerwünschte Signale digital herausgefiltert werden. Die Baureihe ADC354x der rauscharmen, extrem stromsparenden ADCs (A/D-Wandler, siehe Abbildung 2) unterstützt diesen Ansatz. Dieser ADC liefert 14-Bit-Ergebnisse über SDR, DDR oder eine serielle CMOS-Schnittstelle und verbraucht nur 79 mW bei 65 MSPS, wobei die Leistungsaufnahme mit der Abtastrate steigt. Für Hochgeschwindigkeitsregelkreise bedeutet die höhere Abtastrate und die Latenzzeit von 1–2 Taktzyklen, dass die digitalisierten Daten viel schneller zur Verfügung stehen, sodass das System schneller auf Änderungen der Stimuli reagieren kann. Als alternative Lösung unterstützen der ADC und der ADC-Wrapper auf der C2000 MCU auch die Überabtastung in H/W und die Verarbeitung oder Filterung von Abtastdaten in S/W. Die Baureihe ADC354x umfasst auch ADCs, die 16- und 18-Bit-Ergebnisse liefern.

Abbildung 2: Die von der Industrieautomatisierung der nächsten Generation geforderte Hochgeschwindigkeitserfassung kann mit ADCs wie dem ADC354x von TI realisiert werden, das eine Überabtastung mit integrierten digitalen Filtern kombiniert.

[Quelle: Mouser - https://eu.mouser.com/new/texas-instruments/ti-adc354x-ultra-low-power-adcs]

Bei der Abtastung eines Signals mit einer Bandbreite von DC bis 200 kHz und einer Abtastrate von 1 MSPS wird in der Regel ein 300 kHz Durchlassfilter mit einem Filter fünfter Ordnung empfohlen, um eine Alias-Unterdrückung von 40 dB zu erreichen. Bei einer Erhöhung der Abtastrate auf 16 MSPS verschiebt sich das Alias-Frequenzband auf 15,8 MHz und reduziert den Filter auf einen Filter zweiter Ordnung. Statt der Neuentwicklung des AFE können die Entwickler die digitale Filterung innerhalb des ADC354x verwenden. Der Chip verfügt über einen Digital Down Conversion (DDC) Dezimierungsfilter, der eine komplexe Dezimierungsfunktion von 2, 4, 8, 16 und 32 bietet und dabei seinen digitalen Mischer und die numerisch gesteuerte 32-Bit-Oszillation (NCO) nutzt. Die Filterberechnungen werden mit einer Auflösung von 20 Bit durchgeführt, um eine Beeinträchtigung des SNV aufgrund von Quantisierungsrauschen zu vermeiden.

Industrieautomatisierung im Zeichen von Ethernet

Ethernet ist zwar die Basis von IT-Systemen, aber da sein Schwerpunkt eher auf der Erhöhung der Bandbreite als auf der Erhöhung der Latenz liegt, war es für die Anforderungen der Echtzeitsteuerung in der Industrieautomatisierung nicht geeignet. In den letzten Jahren wurden jedoch neue Standards zur Unterstützung von Time Sensitive Networking (TSN) entwickelt, einer Fähigkeit, die in die Sicherungsschicht (Level 2) integriert ist. Dies trägt der wachsenden Datenmenge Rechnung, die von immer komplexeren Maschinen verarbeitet wird, und berücksichtigt die Anforderungen von Bildverarbeitungssystemen, die diese ergänzen sollen. TSN ist mit normalen Ethernet-Netzwerken kompatibel, aber die Verbesserungen bei Latenz und Jitter können nur in Verbindung mit TSN-fähigen PHYs erreicht werden.

Mit einer Reihe neuer Ethernet-PHYs, wie dem DP83TD510E 10BASE-T1L von Texas Instruments, können Entwickler TSN schnell in ihren Prozessautomatisierungsdesigns einsetzen. Dieses Bauelement entspricht der IEEE-Spezifikation (IEEE 802.3cg) und verbraucht 82 mW im 2,4-V-p2p-Modus und nur 38 mW im 1-V-p2p-Modus. Mit ihm ist eine lange Kabelreichweite von mehr als 2.000 Metern möglich. MACs können auch über den MII-, RGMII- und RGMII Low Power 5 MHz Master-Modus angebunden werden. Auch eigensichere Ethernet-APL-Systeme werden unterstützt, z. B. in gefährlichen und explosionsgefährdeten Umgebungen. Das erfolgt, indem der Stromverbrauch und die Temperatur bei Systemausfällen reduziert werden. Mit einer Reihe von Loopback-Modi sind sowohl interne als auch Kabeldiagnosen möglich.

Abbildung 3: Der DP83TD510E bietet 10BASE-T1L-Konnektivität zur Unterstützung von TSN auch in eigensicheren Anwendungen.

[Quelle: Mouser - https://eu.mouser.com/new/texas-instruments/ti-dp83td510e-ethernet-phy]

Bereit für die Echtzeitsteuerung der nächsten Generation

Angesichts der zunehmenden Komplexität von Produkten und der Nachfrage der Verbraucher nach neuen Funktionen, Ausführungen und Designs steigt der Druck auf die Entwickler von Komponenten für Industrieanlagen. Machine Vision (Maschinelles Sehen), präzise, aber schnelle Roboter und Manipulatoren sowie große Anlagen verlangen immer mehr Präzision und eine verbesserte Echtzeitleistung bei geringerem Stromverbrauch. Die Weiterentwicklung im Bereich der Halbleiter reagiert auf diese Veränderungen und bietet leistungsstarke Echtzeit-Mikrocontroller für Motorantriebe und stromsparende Analog-Komponenten für die präzise Übertragung von Sensordaten. Als Bindeglied dient eine neue Reihe von Ethernet-PHYs, mit denen die in TSN integrierten Low-Jitter- und Low-Latency-Funktionen unterstützt werden, um die für die Echtzeitsteuerung erforderliche Konnektivität bereitzustellen.