Um die Rentabilität von Fabriken zu sichern, ist es unerlässlich, Leistung und Verfügbarkeit durch vernetzte Automatisierung und vorausschauende Wartung zu optimieren. Dies schafft einen erheblichen Mehrwert für die Anwender. Der 24/7/365-Betrieb in Industrie- und Logistikumgebungen erhöht die Anforderungen an die Anlagen, insbesondere an Systeme mit aktiven Antrieben und Motoren. Der Ausfall eines einzelnen Motors kann den Betrieb oder die Produktion zum Erliegen bringen. Neue IT-Lösungen für die Automatisierung, wie beispielsweise in Edge-Computing integrierte KI-Systeme, können diese Unregelmäßigkeiten erkennen und Ausfälle vorhersagen. So können Bediener proaktiv die benötigten Ersatzteile beschaffen, Wartungsarbeiten planen und letztendlich die betriebliche Effizienz steigern.

Automatisierungslösungen werden immer komplexer und benötigen daher die Unterstützung führender Chiphersteller sowohl für Hardware als auch für Software. Eine flexible Hardwarearchitektur ist auf der untersten Ebene unerlässlich, um mit den Innovationen in der Industrie- und Logistikautomatisierung Schritt zu halten. Die Softwareentwicklung macht derzeit den Großteil der Kosten und des Arbeitsaufwands in industriellen Projekten aus, wodurch die von Anbietern von Automatisierungstechnologien bereitgestellten Bibliotheken, Toolkits und Ökosystemunterstützung an Bedeutung gewinnen.

FPGAs passen sich den Anforderungen der Automatisierung an.
FPGAs mit integrierten Prozessoren vereinen Flexibilität, Leistung und Programmierbarkeit und ermöglichen so die schnelle Einführung und den Einsatz neuer Technologien sowie die Erfüllung der sich wandelnden Bedürfnisse der industriellen Automatisierung. Insbesondere bieten FPGAs einzigartige Flexibilität für eine Vielzahl dynamischer Automatisierungs-Rechenprofile und -Anforderungen. Moderne FPGAs zeichnen sich durch sehr geringen Stromverbrauch und hohe Energieeffizienz aus, was ihre kompakte Bauform und einfachere Kühlung ermöglicht – ein entscheidender Aspekt am Netzwerkrand. FPGAs sind zudem vollständig anpassbar und bieten zahlreiche Vorteile gegenüber softwarebasierten Lösungen, wie beispielsweise geringere Latenz. Darüber hinaus können FPGAs in Hochleistungsregelkreisen, PWM und mit einer größeren Anzahl angeschlossener Steuermotoren pro Einheit als vergleichbare High-End-Mikrocontroller eingesetzt werden. Lattice Semiconductor liefert FPGAs mit extrem niedrigen Softwarefehlerraten für erhöhte Zuverlässigkeit, ideal für Anwendungen, die hohe Verfügbarkeit und funktionale Sicherheit erfordern.

Silizium kann vor Cyberangriffen schützen.
Hardware-Sicherheit ist entscheidend für den Schutz vor den immer häufiger auftretenden Cyberangriffen. Traditionelle Automatisierungssysteme in Fabriken und Logistikzentren waren oft vom Internet und der Cloud isoliert, selbst zwischen den einzelnen Subsystemen. Da Automatisierungssysteme heute zunehmend vernetzt sind, müssen sie vor Hackern geschützt werden, die Systeme lahmlegen, Bediener erpressen, sensible Daten stehlen, andere schädliche Handlungen begehen oder enorme finanzielle Risiken verursachen können. Mikrocontroller-basierte und/oder softwarebasierte Lösungen bieten nicht denselben Echtzeitschutz wie Alternativen wie FPGAs mit sofortiger Erkennung, umfassender Abdeckung mehrerer Subsysteme und der Möglichkeit, nach Angriffen in einen bekannten, sicheren Zustand zurückzukehren – was von größter Bedeutung ist. FPGAs sind hochsicher und ausfallsicher, da sie auf der untersten Ebene (unterhalb des Betriebssystems) überwacht werden. Dadurch wird die Firmware vor, während und nach dem Bootvorgang geschützt, der Code selbst geschützt und validiert und eine Vertrauensbasis geschaffen.

Optimierte Bibliotheken für die Automatisierung:
Eine flexible Hardwarebasis, unterstützt durch leistungsstarke Software von Halbleiterherstellern und ihrem Ökosystem, ist unerlässlich, insbesondere für Automatisierungslösungen. Die Softwareentwicklung macht bereits den Großteil der Entwicklungskosten in Projekten der industriellen Automatisierung und Steuerung aus, weshalb hochwertiger Support entscheidend für den Projekterfolg ist. Lattice Semiconductor bietet beispielsweise eine schlanke Protokollplattform für Echtzeit-Sensorik und -Steuerung über Ethernet zur Netzwerkanbindung (z. B. für die Mehrachsen-Motorsteuerung über Industrial Ethernet und die Reihenschaltung mehrerer Monitore). Darüber hinaus werden Hochleistungs-FPGAs immer softwarefreundlicher und bieten Software-Programmierwerkzeuge und grafische Designumgebungen wie die Propel™-Designumgebung von Lattice (siehe Abbildung 1, Propel-Grafik).

Automatisierung integriert häufig mehrere Funktionsbereiche mit speziellen Softwareanforderungen, wie Edge-KI, eingebettete Bildverarbeitung und Sicherheit, zusätzlich zu Software auf niedrigerer Ebene wie Betriebssystemen und Firmware. Der Zugriff auf anspruchsvollere Softwarebibliotheken und geistiges Eigentum (IP) von Halbleiterherstellern ist in diesen Bereichen besonders wichtig, um Leistung und Energieverbrauch mit eingebetteten Beschleunigern und Hardware-Ressourcen zu optimieren. Beispielsweise ist die Entwicklung mit gängigen Umgebungen wie TensorFlow, Caffe und Keras im Bereich Edge-KI mittlerweile Standard für die Implementierung von CNNs für erweiterte Anwendungen wie Anwesenheitserkennung, Schlüsselbegriffserkennung, Gesichtserkennung und Objektzählung. In Bildverarbeitungsanwendungen benötigen Lösungsentwickler häufig flexible Schnittstellenkonnektivität (z. B. MIPI CSI-2, LVDS, PCIe, GigE).

Software- und Hardwareprogrammierbarkeit:
Programmierbare Hardware mit geringem Stromverbrauch, hoher Leistung und niedriger Latenz bietet zwar viele Vorteile, doch manche Arbeitslasten lassen sich besser per Software steuern oder implementieren. Beispielsweise ist die Softwareprogrammierbarkeit optimal für Anwendungen zur vorausschauenden Wartung und ermöglicht die Entwicklung mit gängigen Programmierkenntnissen (z. B. C). Die Kombination von FPGAs und herkömmlichen Prozessoren in heterogenen System-on-a-Chip-Lösungen, Modulen/Boards und eingebetteten Systemen ermöglicht Hardware-Software-Coprocessing und eine hohe Systemflexibilität.

Automatisierung: Das industrielle Automatisierungsportfolio von Lattice.
Moderne Automatisierungslösungen bestehen aus zahlreichen dynamischen Komponenten und Subsystemen, die harmonisch aufeinander abgestimmt sein müssen, um im Markt wettbewerbsfähig zu sein. Die nahtlose Integration von Motorsteuerung, Edge-KI, Sensorfusion, funktionaler Sicherheit, Bildverarbeitung und Sicherheitsfunktionen in eine umfassende Automatisierungslösung beschleunigt die Markteinführung und -akzeptanz.

Um Kunden bei der Bewältigung dieser Herausforderungen zu unterstützen, bieten führende Chiphersteller verstärkt Unterstützung für vertikale und spezialisierte Anwendungen an, um die Entwicklung neuer Workloads zu beschleunigen. Dazu gehören beispielsweise Proof-of-Concept-Tests für vorausschauende Wartung, Erprobungen neuer Coprocessing-Architekturen und die Prototypenentwicklung mit neuen Spezifikationen und Integrationen. Die industrielle Automatisierungsreihe Automate™ von Lattice (siehe Abbildung 2) ist ein Beispiel für eine bereits verfügbare Komplettlösung. Reale Implementierungen neuer Prozessortechnologien, die gängige Sicherheitsanforderungen wie SIL-2 oder sicheres Coprocessing erfüllen (z. B. Referenzdesigns, Projektbeispiele usw.), demonstrieren eindrucksvoll Redundanz und Sicherheit und lassen sich besser bewerten als theoretisch anhand von Datenblättern oder Simulationen.

Eine Reihe von Automatisierungswerkzeugen umfasst typischerweise eine Vielzahl von IP-Komponenten, die für die Anwendung und Bewertung des Anbieters von Automatisierungschips (bzw. dessen Ökosystem) entscheidend sind. Industrielle Automatisierungs- und Steuerungssysteme verfügen bereits über umfangreiche Funktionen wie grafische Oberflächen, Echtzeitreaktion, kabelgebundene und drahtlose Netzwerkverbindungen, lokale Ereignisanalyse und robuste Formate. Die Komplexität dieser Systeme nimmt jedoch stetig zu, um neue, für Automatisierungslösungen kritische Funktionen wie Bildverarbeitung, Objekterkennung und verbesserte Sicherheit zu unterstützen. Die Bereitstellung dieser Funktionen/Fähigkeiten zusammen mit einem umfassenderen oder fortschrittlicheren Supportplan ist grundlegend für Automatisierungschips und die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit einer Lösung.

Automatisierungs-Ökosystem:
Führende Siliziumhersteller haben ihre internen Kapazitäten deutlich ausgebaut, um Erstausrüstern (OEMs) und anderen Kunden spezialisierte Design-Services anzubieten. Lattice Semiconductor beispielsweise verfügt über eine eigene Designgruppe für alle Anwendungsbereiche. Dadurch kann das Unternehmen seine Lösungen für KI und maschinelles Lernen, Bildverarbeitung, Sicherheit und Automatisierung individuell anpassen und integrieren. Hinzu kommt eine Produkt-Servicegruppe, die Fertigungs- und Produktionsunterstützung bietet. Das Unternehmen unterhält außerdem ein Netzwerk von Partnerunternehmen, die in der Anwendung seiner Tools geschult und zertifiziert wurden, um die Servicequalität von Drittanbietern sicherzustellen. Ein solches Partner-Ökosystem, das hochwertige Design-Services bereitstellt, ist entscheidend für eine anwendungsnähere Unterstützung der Siliziumtechnologie. Dies umfasst spezialisierte Unterstützung für das fragmentierte Lieferantensegment sowie Technologien für Robotik, SPS, Schutzsysteme und Systeme.

Eric van der Heijden, Vizepräsident Vertrieb EMEA, Lattice Semiconductor