GOAL-Technologie - Generic Open Abstraction Layer

Komplexität als Herausforderung zur Lösung von IoT-Systemprojekten

Generic Open Abstraction Layer

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Mit der steigenden Bedeutung von IoT und Industrie 4.0 reichen Kommunikations-Stacks und Treiber als Handwerkszeug für Firmware-Entwickler nicht mehr aus. Durch erhöhte Anforderungen an Performance, Komplexität und Flexibilität ist eine Middleware zur Erfüllung zukünftiger Kommunikationsaufgaben zwischen Real-Time und IT notwendig.

Ognen Basarovski und Andreas Schwope, Renesas Electronics in Düsseldorf, zur GOAL-Technologie

Industrial Ethernet – beispielsweise Profinet, Ethernet/IP, Ethercat oder Powerlink stellen Anforderungen an ein System, die sich mit dem reinen Nachrüsten einer Protokoll-Bibliothek nicht zufriedenstellend lösen lassen. Diverse Protokolle benötigen ein integriertes Switch- und Ressourcenmanagement. Weiterhin ist die Kombination von Industrial-Real-Time-Kommunikation in Verbindung mit den bekannten Feldbussystemen wie Canopen, Modbus oder auch Profibus beliebig schwierig, da hier oftmals ein physikalisch grundlegend anderes Übertragungsmedium zum Einsatz kommt. Industrial-Ethernet-Networking ist eine Entwicklungsphilosophie, die bereits in der Hardware- und Softwarearchitektur Einzug hält. Die Protokoll-Bibliothek ist ein wichtiges Element, benötigt aber Hilfe aus dem Gesamtsystem, um effizient arbeiten zu können. Die GOAL-Technologie (Generic Open Abstraction Layer) als Middleware soll dieses Problem lösen und durch modulare Skalierbarkeit ein hohes Maß an Verfügbarkeit sicherstellen.

Die Entwicklungsziele der GOAL-Technologie

  • Eine Hardware – viele verfügbare Kommunikationsmöglichkeiten
  • Ready-for-use-Module für Performance-, Switch- und Ressourcenmanagement
  • Zentrales Konfigurationsmanagement
  • Leistungsfähiges Socket für Feldbusprotokolle & Multiprotokollfähigkeit
  • Übertragbarkeit bei neuen Anwendungen (z. B. Wechsel der CPU oder innerhalb von CPU/MCU-Familien)
  • Modularität & Skalierbarkeit
  • Zukunftsfähigkeit (z. B. TSN, OPC UA)
  • Offen für die Integration weiterer Module
  • Core-to-Core-Kommunikation
  • Deutliche Reduzierung der Entwicklungskosten (Software)
  • Erhebliche Senkung der Hardwarekosten
  • Signifikante Verringerung des Pflegeaufwandes für unterschiedliche Kommunikationstechnologien

GOAL bietet bereits in der Basisversion umfangreiche Inhalte, die auf die jeweiligen Anforderungen optimal abgestimmt sind. Diese teilen sich grundsätzlich in drei Kernbereiche auf, die sich unter den Begriffen Netzwerkmanagement, Access-/List-Management und Konfigurationsmanagement zusammenfassen lassen. Das Netzwerkmanagement enthält bereits umfangreiche Funktionen:

  • PHY-Management: Generische Funktionen zum Handling von PHYs wie Duplex/Linkmanagement, Auto-Negotiation usw.
  • · Ethernet Frame Sending/Receiving: Schnittstellen zum Senden und Empfangen von Ethernet-Daten auf jeder Schicht des ISO-OSI-Modells
  • Switch-Management: Generische Funktionen zum Handling von Switches wie Auslesen von Statistiken für SNMP, Einstellen der QoS-Funktionen usw.
  • Interface-Mangement: Handling einzelner Netzwerkinterfaces wie aktivieren/deaktivieren, Statistiken etc.
  • IP-Address-Management: Flexibles Handling der IP-Addresszuweisung abhängig vom Protokoll (z. B. DCP bei Profinet oder DHCP)
  • HTTP-Server: Integrierter Webserver mit Template-Unterstützung
  • Command Line Interface: Integriertes und erweiterbares CLI zur Steuerung z. B. der Switch-Funktionalitäten.

Im Bereich “Access and List Management, Threads” sind standardseitig folgende Inhalte verfügbar: Locks, Mutex, Binary & Counting Semaphores sowie Linked Lists und Thread Creation & Control. Der Bereich Konfigurationsmanagement bildet ein zentrales Tool zur Konfiguration der notwendigen Parameter innerhalb der jeweiligen CPU/MCU-Landschaft ab. Das beinhaltet die zentrale Verwaltung von Konfigurationsvariablen, das Identifizieren von Variablen durch Module und IDs, Callbacks für Werteprüfungen und bei Änderung von Werten sowie das Laden/Speichern von Variablen. Darüber hinaus können Variablen als temporär und gesperrt markiert werden. Weiterer Vorteil ist die mögliche Integration von Kundenspeichersystemen. Net-Protokolle wie PTP, DLR, SNMP, IEEE802.1x und RSP werden umfänglich unterstützt.

Core-to-Core-Kommunikation

Häufig werden CPU/MCUs verwendet, die die Anforderungen an moderne Kommunikationstechnologien nicht abbilden können, wohl aber für die jeweilige Applikation geeignet sind. Entwickler fühlen sich auf den bestehenden Plattformen wohl und wollen ggf. nicht auf gänzlich andere Plattformen umsteigen. Für diesen Fall bietet GOAL das Modul Core-to-Core-Kommunikation an.

Auf dieser Basis können je nach Verfügbarkeit der MCU Kommunikationsprotokolle wie Canopen, Ethercat, Profinet, Ethernet/IP, Powerlink, Modbus TCP einzeln oder als Multiprotokolllösung genutzt werden. Das in GOAL enthaltene Modul für das Konfigurationsmanagement wird durch eine umfangreiche optionale Tool-Chain unterstützt. Die Tool-Chain sorgt für die leichte Anbindung der Protokolle an die jeweilige Applikation (EDS, GSD, ESI …). Die Entscheidung für eine Mikrokontroller- oder CPU-Plattform (ggf. auch MCU/CPU-Familien) wird heute maßgeblich von der zur Verfügung stehenden Software-Unterstützung beeinflusst.

Die Industrial-Communication-Middleware übernimmt das Handling der Ethernet-Kommunikation in das Netzwerk und adressiert Industrial-Ethernet-spezifische Eigenheiten, wie z. B. den Umgang des Systems mit den Profinet-Netzlasttests. In Richtung Applikation bietet die Industrial-Communication-Middleware Schnittstellen zum Andocken der Protokoll-Bibliotheken und damit zum einfachen Handling von Multi-Protokoll-Lösungen aus einem Projekt heraus.

Die Handhabung des Multiprotokoll-Ansatzes wird durch eine eigene Variablenverwaltung in der Industrial-Communication-Middleware richtig effektiv. So können verschiedene Anwendungen und nicht nur Protokoll-Bibliotheken auf den Pool an Variablen zugreifen. Eine Industrial-Communication-Middleware versteht sich nicht als Ersatz für ein OS/RTOS, sondern als OS-Supplement und damit als Funktionserweiterung für Industrial Ethernet und die notwendigen Spezifika. Im Zusammenspiel mit Baremetal-Systemen ist eine Industrial-Communication-Middleware wertvoller Grundstein für das System.

Die Ersparnisse an Zeit und der Gewinn an Systemsicherheit sind erheblich. Insbesondere auf Embedded-Systemen kann erst der Einsatz einer Industrial-Communication-Middleware die Umsetzbarkeit ermöglichen. Die Nutzung der Industrial-Communication-Middleware beschränkt sich nicht nur auf die Kommunikation – auch die eigentliche Applikation auf der gesamten Plattform profitiert von der Middleware. Dabei ist der erzielte Mehrwert am größten, wenn die Industrial-Communication-Middleware von Anfang an in der gesamten Entwicklungsphase ihren inhärenten Mehrwert bieten kann, um auch für zukünftige Anforderungen und Erweiterungen gerüstet zu sein.

Die R-IN-Engine-Produktfamilie

Die GOAL-Middleware wurde bereits an die neue Renesas RZ/N1-Familie angepasst und implementiert. Mit der Einführung dieser Produktfamilie verleiht Renesas typischen industriellen Kommunikationsanwendungen mehr Rechenleistung. Die Integration vereint einen Anwendungs-Core auf der Basis eines ARM-Cortex-A7 mit einer Echtzeit-Kommunikations-Engine auf einem einzigen Chip. Bestehende Multichip-Lösungen in industriellen Steuerungen, industriellen Netzwerk-Switches und Bedienerterminals können nun durch ein einziges stromsparendes SoC (System on Chip) ersetzt werden. Darüber hinaus bringt RZ/N1 dank seines Echtzeit-Embedded-Switches mit fünf Ports Leistung für Industrienetzwerke und bietet alle erforderlichen Funktionen für einen TSN-Endpunkt, wie Traffic Shaping, Zeitsynchronisierung und Frame-Klassifizierung/Priorisierung.

Verfügbare Hardware

Die RZ/N1-Familie umfasst drei Produkte: RZ/N1D, RZ/N1S und RZ/N1L. Sowohl das RZ/N1D als auch das RZ/N1S besitzen einen Applikations- und einen Kommunikationsblock, die auf dem gleichen Die integriert sind. Der Anwendungsblock des RZ/N1D-SoC umfasst zwei ARM-Cortex-A7 und eignet sich für High-End-Anwendungen wie Netzwerk-Switches, SPS und Gateways. Das SoC ist in zwei Gehäusetypen erhältlich, als 400 BGA und als 324 BGA. Der Anwendungsblock des RZ/N1S-SoC enthält einen ARM-Cortex-A7 und wurde für Midrange-Anwendungen wie Nano-SPS und graphische Bedienerterminals konzipiert. Das RZ/N1S kommt ebenfalls in zwei Gehäusevarianten als 324 BGA und als 196 BGA. Die Kommunikationsblöcke des RZ/N1D und des RZ/N1S sind nahezu identisch und bieten je nach Produkt-Option drei Ethernet-Ports in der kleineren und fünf Ethernet-Ports in der größeren Gehäusevariante. Während der RZ/N1D einen 2 MB großen internen Speicher und ein externes DDR-Interface besitzt, zielt der RZ/N1D mit 6 MB internem Speicher auf kompakte Produkte mit wenigen externen Bauteilen.

Das RZ/N1L besitzt keinen dedizierten Applikationsblock, da es ausschließlich eine Cortex-M3-CPU enthält. Das Konzept dieses SoCs ist es, einen einfachen Kommunikationsbaustein für Kunden vergleichbar mit dem R-IN32M3 anzubieten, die ihre bestehenden Bausteine um eine Netzwerkfunktion erweitern möchten. Das RZ/N1L ist in einem 196 BGA-Gehäuse erhältlich.

Die GOAL-Plattform ermöglicht entweder die Konnektivität zwischen einem Multiprotokoll-Kommunikations-Prozessor (wie z. B. RZ/N1L oder R-IN32M3) und einem herkömmlichen Host-MCU oder übernimmt bei den hoch integrierten RZ/N1D und RZ/N1S-SoCs die Kommunikation zwischen dem Kommunikations- und dem Anwendungsblock. Da die GOAL-Target-Schnittstelle für alle auf der R-IN Engine beruhenden Plattformen verfügbar ist, können Entwickler die gleiche Software auf mehreren auf der R-IN Engine basierende SoCs nutzen – auf dem R-IN32M3, dem RZ/T1 oder der RZ/N1-Produktfamilie. Ein sogenanntes Solutionkit auf der Basis von RZ/N1D bzw. RZ/N1S und GOAL ist bereits lieferbar und über Distributionspartner beziehbar. Das Solutionkit für den RZ/N1L steht in Kürze zu Verfügung. ge

www.renesas.com

Weitere Informationen

zur verfügbaren Hardware

http://hier.pro/vDvhU

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