Baukasten für Embedded-Systeme
Mit dem wachsenden Bedarf nach modularen, sich selbststeuernden mechatronischen Systemen in der Produktion – Stichwort Industrie 4.0 – suchen Ingenieure nach neuen Konzepten bei der Entwicklung von Embedded-Systemen. Mit der Dynarc-Plattform der Synapticon GmbH präsentiert das Unternehmen für autonome Systeme eine Entwicklungsumgebung und einen Baukasten aufeinander abgestimmter Elektronikmodule für den einfachen Aufbau verteilter Embedded-Systeme.
Beispiel für einen industriellen Dynarc-Rechenknoten mit Ethercat-Schnittstelle: Ein integrierter Verstärker erlaubt die Regelung von BLDC-Motoren bis 3x 960W auf einer Gesamtgröße von nur 60x40x19mm. (Bildquelle: Synapticon)
Anforderungen aus der Entwicklung autonomer Systeme oder Cyber Physical Systems führten die Hard- und Software-Ingenieure der Synapticon GmbH zum Aufbau der Dynarc-Plattform. Die Idee: Eine Plattform mit einer Entwicklungsumgebung und einem Baukasten aufeinander abgestimmter Elektronikmodule soll es erlauben, Embedded-Systeme mit Sensoren und Aktoren einfach, zuverlässig und in sehr kurzen Projektzeiten zu realisieren. Doch damit nicht genug: Verschiedene dieser Embedded-Systeme sollen sich als Nodes oder Knoten zu eigenständig steuernden Systemen für komplexe Robotik- oder Automatisierungsaufgaben vernetzen lassen – ohne zentrale Steuerungseinheit, sondern als verteiltes Embedded-System.
Entwickler mechatronischer Systeme können mit Hilfe der durchgängigen Komponenten und Toolketten der Dynarc-Plattform verteilte Echtzeit-, Mess-, Steuer- und Regelungssysteme aufbauen. Die Kompatibilität mit Industriestandards bleibt dabei erhalten. (Bildquelle: Synapticon)
Entwicklungsumgebung mit Chipsatzkonfiguration
Dazu beschreiben Dynarc-Anwender in einem Editor zunächst das zu steuernde Zielsystem. Dieser Editor ist ein Teil von Oblac, einer von Synapticon entwickelten, komplett webbasierenden Suite von Entwicklungstools. Im ersten Schritt beschreiben Entwickler die gewünschten Funktionen und legen damit ein Modell des späteren Systems an. Bei dem Greifarm eines Roboters beispielsweise wären das die Freiheitsgrade und kinetischen Eigenschaften aller Gelenke. Anschließend werden davon abgeleitet Motoren und Sensoren sowie Anforderungen an Steuerung und Regelung festgelegt. Das Baukastensystem ist so ausgelegt, dass sich Entwickler mit diesen Informationen die für jede Steuerung geeignete Hardwarebasis aus einzelnen Baugruppen modular zusammenstellen können. So wählt man zunächst aus einer Reihe von Modulen der Motorleistungselektronik und Sensorschnittstellen. Das Unternehmen bietet hier zum Bei-spiel Somanet IFM Drive DC 100 BLDC/DC für die Ansteuerung verschiedenster Gleichstrommotoren und bürstenloser Motoren bis 120W pro Phase auf einer 40x40mm-Platine. Oder ein Sensor-Interface-Modul wie das Somanet IFM GPIO-A/USB mit je zwölf isolierten digitalen Inputs und Outputs, vier analogen Inputs und einer USB-Schnittstelle auf einer 30x30mm-Platine. In diesem kleinen Formfaktor geht es weiter. Als nächstes wählt man die für die geplante Aufgabe passenden XMOS-Prozessormodule. Jedes dieser Kernmodule auf einer 30×30-mm-Platine trägt einen oder zwei XMOS-Prozessoren, von denen jeder 16 deterministische Echtzeit-Cores zur Verfügung stellt. Die Tatsache, dass 65.000 dieser Rechenkerne in einem verteilten System kombiniert und wie ein einziger Prozessor behandelt werden können, zeigt die Leistungsfähigkeit der Plattform. Als dritte Komponente eines Steuerungsknotens wird dann eine Kommunikationseinheit für das gewünschte Bussystem ausgewählt. Zur Wahl stehen etwa Ethercat, CAN, WiFi oder Prozessorbus über LVDS. Der Clou bei dieser Konfiguration: Mit der Zusammenstellung der Elektronik werden über die Plattform sofort und automatisch die passenden, quelloffenen Treiberbibliotheken ausgewählt und integriert.
Dezentrale Intelligenz
Die Softwareentwicklung in der Entwicklungsumgebung Oblac erfolgt modellbasiert, hardware- und betriebssystemunabhängig. Das ermöglicht nicht nur eine modulare Hardwarekonfiguration, sondern bringt auch hohe Flexibilität in die Softwareentwicklung. Ein weiteres Plus, das auch zum Testen einlädt: Die Entwicklungsumgebung steht als Webapplikation Entwicklungsteams immer und überall ohne Installationsaufwand zur Verfügung. Schnittstellen zu anwendungsspezifischen Frameworks wie ROS, Werkzeuge wie Matlab oder Formate wie Collada sind vorhanden und vereinfachen die Integration in bestehende Entwicklungsprozesse. Das Konzept der jungen Firma zielt darauf, die Entwicklung von Embedded-Systemen zu ‚industrialisieren‘. Mit der Dynarc-Plattform werden Entwicklung und Test von Prototypen dramatisch beschleunigt. Auch Kleinserien lassen sich effizienter produzieren, wenn auf die aufwendige und mit hohen Risiken belastete Entwicklung individueller Elektroniken verzichtet werden kann. Bei Großserien liefern die Baukästen des Unternehmens einen schnellen Proof of Concept und frühe Testplattformen für die Anwendungsentwicklung.
Roboterarm interpretiert Zielkoordinaten
Die von Synapticon eingesetzten XMOS-Prozessoren eignen sich für den Aufbau verteilter Embedded-Systeme: Die an den einzelnen Aktoren und Sensoren angebrachten Module erlauben es, auf zentrale Rechnereinheiten zu verzichten. In klassischen Systemen werden z.B. Zielpunkte und Trajektorien eines Roboterarms von einer zentralen Rechnereinheit in Impulse für die Steuerungselektronik der verschiedenen Motoren umgewandelt. In einem verteilten Embedded-System dagegen werden Zielkoordinaten abstrakt und direkt an die Nodes geschickt und von deren Prozessoren dezentral, direkt am Motor interpretiert. Bildlich gesprochen übernimmt der Greifarm selbst die Interpretation von Koordinaten in Steuerungsimpulse für seine Motoren. IT-technisch betrachtet arbeiten die einzelnen Nodes wie Services im System. Jeder Node kann Services aufrufen oder für andere Nodes Services leisten. So werden die Systeme schlanker, der Kommunikationsaufwand im System sinkt, Programmierungsaufwand und seine Risiken werden minimiert. Einzelne Module lassen sich ohne Auswirkungen auf die Anwendung und das Gesamtsystem austauschen.
Adaptive Systeme für mehr Flexibilität
Die Notwendigkeit für einen solchen Aufbau gibt das Stichwort Industrie 4.0. In diesen Konzepten sollen Produkte künftig über Barcodes oder RFID ihre eigene Bearbeitung steuern, um die Vorteile von Massenproduktion und kundenindividuellem Produkt zu verbinden. Um maximale Effizienz und Flexilibität entlang der gesamten Supply Chain zu gewährleisten, braucht es in der Fertigung adaptive, intelligente Systeme. Nur so lassen sich auch extrem variantenreiche Produkte in unvorhersehbarer Abfolge effizient fertigen. Die Lösung für diese anspruchsvollen Aufgaben sind verteilte Embedded-Systeme, die autonome, echtzeitfähige Subsysteme bilden und sich zu komplexeren Automatisierungslösungen zusammenschließen lassen. Es scheint zunächst ein Widerspruch zu sein, aber modulare Systeme erreichen durch die Verwendung von Standardmodulen eines Bausatzes größte Flexibilität. Bei Dynarc bilden kombinierbare Interface-, Prozessor- und Kommunikationsmodule mit fertigen Treibern die Hardwarebasis. Ein modellbasierendes Entwicklungssystem gestattet Anwendern, auch die Software dazu zügig zu programmieren. Die aufgrund minimalen Raumbedarfs unmittelbar an Sensorik und Aktorik platzierbaren Einheiten sind sodann mit ihrer lokalen verteilten Echtzeitrechenkapazität für komplexe Steuerungs- und Regelungsaufgaben geeignet. Dies bietet sich gerade für Entwickler an, die mit klassischen Entwicklungsansätzen bei komplexen Systemen an technische oder wirtschaftliche Grenzen gestoßen sind.
