Innovationen vom Edge bis zur Cloud in der industriellen Automatisierung mit Altera® FPGAs
Mit Altera FPGAs wird die Industrie in die Lage versetzt, sichere, zuverlässige und optimierte Designs zu entwickeln.
Branchenherausforderungen mit Altera® FPGAs lösen
Altera bietet Lösungen, die Innovationen vom Edge bis zur Cloud in der industriellen Automatisierung ermöglichen. Mit unseren FPGAs kann die Industrie sichere, zuverlässige und optimierte Designs entwickeln. Wir bieten eine breite Palette von FPGAs- und ARM-Kern-integrierten SoC-Geräten, Tools, IPs, Referenzlösungen usw. für verschiedene Anwendungsfälle, einschließlich künstlicher Intelligenz, Edge Computing und Robotik.
Intelligente Energie
Die Verwendung von FPGAs in intelligenten Energieanwendungen bringt Vorteile wie verbesserte Leistung, Flexibilität, Echtzeitverarbeitung, Energieeffizienz, Integrationsmöglichkeiten, Skalierbarkeit und verbesserte Sicherheit. Diese Vorteile tragen zur Entwicklung effizienter, zuverlässiger und intelligenter Energiesysteme bei, die eine nachhaltige und optimierte Energieerzeugung, -verteilung und -nutzung unterstützen können.
Mit der Elektrifizierung von Transportfahrzeugen verlagert sich die Aufmerksamkeit vom Kraftstoffverbrauch auf den elektrischen Energieverbrauch sowie auf die Effizienz und die Kosten von Stromrichtern. Die DCFC-Technologie (DC Fast Charging) wird in Ladestationen für Elektrofahrzeuge der Stufe 3 verwendet, bei denen der Ladevorgang vollständig innerhalb der Station erfolgt, und sie verwendet Gleichstrom, sodass Benutzer ein Elektrofahrzeug in nur 30 Minuten vollständig aufladen können.
FPGAs sind einzigartig, da sie eine benutzerdefinierte digitale Steuerung bei sehr hohen Frequenzen ermöglichen. Sie sind vorteilhaft, um die Größe und Kosten passiver Komponenten zu reduzieren und den Leistungsverlust bei der AC/DC-Leistungsumwandlung zu minimieren.
FPGAs unterstützen auch das Batteriemanagement. Im Gegensatz zum Laden mit Wechselstrom besteht beim Gleichstrom-Schnellladen die Gefahr, dass die Batterien von Elektrofahrzeugen überlastet werden, was im Laufe der Zeit zu ihrem Verfall oder Reichweitenverlust beitragen kann. FPGAs unterstützen Batterien und BMS, indem sie die Rechenleistung bereitstellen, die erforderlich ist, um die Last gleichmäßig auf die Zellen zu verteilen, wodurch die Gefahr des Verfalls beseitigt wird und die Batterie eine längere Lebensdauer erhält.
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Sehen Sie sich das Designbeispiel für den bidirektionalen AC/DC-Wandler mit dreiphasigem Boost an ›
Die Herstellung zuverlässiger, effizienterer und kostengünstigerer Solar- oder Photovoltaikanlagen (PV) ist wichtig, um die Wettbewerbsfähigkeit der Solarenergie zu erhöhen. Dies stellt die Architektur des Solarwechselrichters vor Herausforderungen, um die folgenden Anforderungen zu erfüllen:
- Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer zur Versorgung dezentraler erneuerbarer Energiequellen mit zentraler Stromerzeugung für den wachsenden Strombedarf.
- Erhöhte Effizienz und niedrigere Stückkosten durch Verwendung fortschrittlicher Steuerungsalgorithmen und Leistungstopologien wie 3-stufiger isolierter Gate-Bipolartransistoren (IGBT) und SiC-FETs mit großer Bandlücke.
- Einhaltung der lokalen Netzvorschriften, einschließlich Überwachung und Steuerung der Stromqualität.
In der Vergangenheit bestanden herkömmliche PV-Wechselrichterarchitekturen aus einem DSP für Maximum Power Point Tracking (MPPT) und DC-DC-Steuerung, einem FPGA für die DC-AC-Steuerung und möglicherweise einer separaten MCU für die Systemkommunikation. Diese drei separaten Systemkomponenten können zu einem Altera FPGA zusammengefasst werden, indem der DSP-Regelkreis, die DC-DC- und DC-AC-Wandlung und -Kommunikation in ein einziges Gerät integriert werden.
Die Verteilung von elektrischer Energie und die Verwaltung von Stromnetzen befinden sich im Wandel und sind aus mehreren Gründen in den Fokus neuer Technologieansätze gerückt:
Veraltete Geräte.
Verteilte Energieressourcen (DER) tragen zur Netzinstabilität bei, beispielsweise aufgrund der wachsenden Zahl von Sonnenkollektoren, die Strom ins Netz zurückspeisen und Elektrofahrzeuge in ihren Garagen aufladen.
Einhaltung der lokalen Netzvorschriften, einschließlich Überwachung und Steuerung der Stromqualität.
Versorgungsunternehmen, die auf der Suche nach Zuverlässigkeit, Capex/Opex-Reduzierung und Kosteneinsparungen bei Immobilien sind.
Standardisierung der Ausrüstung durch Versorgungsunternehmen, um eine Händlerbindung zu vermeiden.
Altera FPGAs sind ideal für ein sich neu transformierendes Stromnetz. Sie erfüllen die Anforderungen an die reale Schaltung in einem redundanten Netzwerk. Unsere FPGAs erfüllen die Leistungsanforderungen für Gbit/s Ethernet-Datenverkehr mit HSR/PRP-Redundanz und sich weiterentwickelnden HSR/PRP-Standards.
Sehen Sie sich das Designbeispiel FRS (Flexibilis Redundant Switch) an ›
Erste Schritte
Bidirektionaler AC/DC-Wandler mit dreiphasigem Boost
Dieses Designbeispiel demonstriert die Implementierung eines bidirektionalen Dreiphasen-Boost-AC/DC-Wandlers für das Laden von Elektrofahrzeugen. MAX® 10 und Cyclone® V SoC FPGA Development Kits sind die Zielgeräte für dieses Referenzdesign.
MAX® 10 DC-DC-Wandler
Das Designbeispiel zeigt eine digitale Steuerung, die einen hybriden DC/DC-Wandler mit variabler Spannungsregelung (VVC) steuern kann. Das Design verwendet DSP Builder for FPGAs (Advanced Blockset) zur Simulation und Synthese der VHDL-Steuerung. Das Design zielt auf das MAX 10 FPGA Entwicklungsboard ab.
FRS (Flexibilis Redundant Switch)
FRS ist ein IP-Core mit HSR/PRP-Funktionalität, der Layer-2-Switches mit 3–8 Ports in dreifacher Geschwindigkeit (1 Mbit/s / 10 Mbit/s / 1 Gbit/s) unterstützt. Sie können auf das Bewertungskit, das Benutzerhandbuch und die Referenzdesigns von TTTech zugreifen.
Whitepapers
Robotik
FPGAs Vorteile für Roboteranwendungen bringen, wie geringe Latenz, funktionale Sicherheit, deterministische Datenverarbeitung, Konnektivität und mehr. Sie unterstützen statische und mobile Roboter wie AMRs, AGVs und 6-Achsen-Roboterarme. Wir bieten verschiedene Roboterlösungen an.
Roboter werden in der Industrie immer häufiger eingesetzt. Superschnelle Industrieroboter übernehmen schwierige und gefährliche Aufgaben wie Baugruppen, Schweißnähte und Pick-and-Place. Kollaborative Roboter oder Cobots arbeiten Hand in Hand mit Menschen und erfordern eine funktional sichere Umgebung. Autonome mobile Roboter (AMRs), von denen viele bildgestützt sind, funktionieren einzeln und in Cloud-gesteuerten Schwärmen.
Altera FPGAs den Bedarf an Industrierobotern decken durch:
- Deterministisches Computing: Bietet Vorteile in Bezug auf Präzision und mehrachsige Motorsteuerung für die Robotik, senkt die Kosten für die Stückliste erheblich und reduziert die Latenz, um die Genauigkeit zu verbessern.
- Konnektivität: Time-Sensitive Networking (TSN) koordiniert die mehreren Achsen eines einzelnen Roboters und zwischen mehreren Robotern.
- Funktionale Sicherheit: DasFunctional Safety Data Package (FSDP) und das vom TÜV Rheinland zertifizierte CAT3 PLD Safety Concept bieten FuSa-Funktionalität und beschleunigen die Markteinführung, indem die Zertifizierungszyklen für Kunden komprimiert werden.
Zusammen mit Altera® FPGA Video and Vision Processing IP Suite, dem OpenVino™ Toolkitund der FPGA AI Suitekönnen Sie Vision-Funktionen bereitstellen, die über die Farb- und Formprüfung hinausgehen, wie z. B. die Erkennung von Sicherheitsrisiken und die Erkennung/Klassifizierung von Objekten.
Yaskawa: Intel® FPGA in Robotersteuerungen
Yaskawa implementiert Altera FPGAs in seinen Hochleistungs-Robotersteuerungen für Servosteuerung und funktionale Sicherheit.
Veo Robotics: FreeMove 3D-Sicherheitssystem
Veo Robotics nutzt Altera FPGAs, um sein Veo FreeMove* 3D-Sicherheitssystem für eine flexible Mensch-Roboter-Kollaboration zu ermöglichen.
Erste Schritte
Agilex™ 5 FPGA Drive-On-Chip Designbeispiel
Dieses langjährige, bewährte Referenzdesign für die mehrachsige Motorsteuerung mit erstklassiger Regel-/Schleifenfrequenz, einschließlich eines DSP Builder-Motormodells, ist jetzt für Agilex 5 verfügbar.
Agilex™ 5 FPGA Drive-On-Chip mit funktioneller Sicherheit Designbeispiel
Dieses Design demonstriert das Erreichen der Sicherheitszertifizierung nach IEC 61508 SIL 2 und ISO 13849 Cat 3 PLd unter Verwendung von Agilex™ 5 SoC-Geräten. Das Design basiert auf dem Sicherheitskonzept TÜV Rheinland Cyclone V SoC FPGA Cat 3 PLd und SIL 2.
Agilex® 7 FPGA Drive-on-Chip Designbeispiel
Bei diesem Drive-on-a-Chip-Referenzdesign für die Motorsteuerung handelt es sich um ein integriertes Antriebssystem in einem Agilex 7-Gerät. Es demonstriert die synchrone Steuerung von bis zu zwei dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs) oder bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC). Das Design kann an andere Motortypen angepasst werden.
Agilex™ 7 FPGA sicheres Drive-On-Chip Designbeispiel
Dieses Design erweitert das bestehende Drive-on-Chip Designbeispiel für Agilex 7 Geräte. Es enthält eine Sicherheitsfunktion, die demonstriert, wie Agilex™ 7 SoC-Geräte die Sicherheitszertifizierung IEC 61508 SIL 2 oder ISO 13849 Cat 3 PL d auf der Grundlage des vom TÜV Rheinland zugelassenen Sicherheitskonzepts Cyclone V SoC FPGA erhalten können.
Cyclone® V und MAX® 10 FPGAs Drive-on-Chip Designbeispiel
Bei diesem Drive-on-a-Chip-Motorsteuerungs-Referenzdesign handelt es sich um ein integriertes Antriebssystem auf einem einzigen Cyclone-V-SoC oder MAX 10 FPGA. Es implementiert ein- und mehrachsige feldorientierte Regelung (FOC) für die gleichzeitige Steuerung von bis zu vier Synchronmotoren mit Dauermagnet.
Maschinelles Sehen und KI
FPGA ermöglicht die direkte Aufnahme von Daten, die pipelinegesteuerte Bildverarbeitung und die KI-Implementierung mit deterministischer und niedriger Latenz.
Die Bildverarbeitungstechnologie entwickelt sich schnell weiter, um eine höhere Bildauflösung, höhere Bildraten, die Einführung neuer Schnittstellen und die Einführung von KI zu erreichen.
Kameras und andere Geräte, die in der Bildverarbeitung verwendet werden, führen eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben aus, z. B. Bildsignalverarbeitung (ISP), Videotransport, Formatkonvertierung und Analysen. Aufgrund der häufigen technischen Verbesserungen von Kamerasensoren, der Weiterentwicklung von künstlichem Lernen und der Deep-Learning-basierten Videoanalyse spielen Altera FPGAs eine Schlüsselrolle bei Machine-Vision-Kameras, Framegrabbern und Vision-Controllern der nächsten Generation:
- Flexibilität für die Schnittstelle mit vielen Arten von Bildsensoren und MV-Systemgeräten.
- Schnelle Verarbeitung zur Integration einer vollständigen Bildsensor-Pipeline (ISP), die Techniken wie Fehlerpixelkorrektur, Gammakorrektur, Dynamikbereichskorrektur und Rauschminderung umfasst.
- Unterstützung für KI-Deep-Learning-Frameworks, -Modelle und -Topologien zur Implementierung von FPGA-basierten CNN-Inferenzbeschleunigern (Convolutional Neural Network).
Weitere Informationen über die FPGA AI Suite ›
Weitere Informationen über die FPGA Video and Vision Processing IP Suite ›
Hamamatsu Photonics: Leistungsstarke Industriekameras
Hamamatsu wählte Arria® 10 und Cyclone® 10 FPGAs für die leistungsstarken wissenschaftlichen ORCA-Quest*-Kameras und die neuen Lebensmittel-Röntgeninspektionssysteme aufgrund ihrer Echtzeit-Bildverarbeitungsfunktionen und der Schnittstellen mit hoher Bandbreite aus.
Kritischer Link LLC: MityCAM
Critical Link LLC integriert Altera FPGA AI Suite in sein MityCAM Camera Evaluation Kit für den Canon 5MP Bildsensor mit USB3 Vision-Schnittstelle. Außerdem verwendet er Arria® SoC-FPGA für Objekterkennung, Bildverarbeitungs-Workloads und Sensor-/Display-Schnittstelle in einem Chip.
Designbeispiel für erste Schritte mit der Bildsignalverarbeitung (ISP)
Erstellen Sie Ihre fortschrittlichen Kameraprodukte mit einer Sammlung von Altera FPGA IP-Cores. Mit angepasster Bild- und Videoverarbeitung in Echtzeit mit geringer Latenz und Benutzerfreundlichkeit mit umfangreichen Programmierschnittstellen (APIs) und Standardschnittstellen ermöglichen diese IP-Cores einen Plug-and-Play-Prozess, der die Markteinführungszeit Ihres ISP-Produkts beschleunigt.
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Intelligente Produktion
FPGAs ermöglichen die nahtlose Integration verschiedener Komponenten und Systeme, wie z. B. Sensoren, Aktoren und Algorithmen für maschinelles Lernen, und erleichtern so intelligente Entscheidungsfindung, vorausschauende Wartung und adaptive Steuerung in intelligenten Fertigungsumgebungen.
Motoren und Antriebe treiben unzählige industrielle Prozesse in Produktion, Montage, Verpackung, Robotik, Computer Numerical Control (CNC), Werkzeugmaschinen, Pumpen und Industrieventilatoren an. Diese motorbetriebenen Systeme machen mehr als zwei Drittel des industriellen Energieverbrauchs aus, so dass ihr effizienter Betrieb für den Gewinn der Fabrik von entscheidender Bedeutung ist.
Die Entwicklung von Motorsteuerungs- und Bewegungssteuerungssystemen mit Altera FPGAs und SoC-FPGAs kann zu einer erheblichen Reduzierung der Gesamtbetriebskosten führen durch:
- Systemintegration: Geringere Stückzahlen, geringerer Stromverbrauch und geringere Zuverlässigkeit durch Integration von industriellen Netzwerken, funktionaler Sicherheit, Drehgebern und Leistungsstufenschnittstellen sowie digitalen Steuerungsalgorithmen für die Signalverarbeitung (DSP) in einem einzigen Gerät.
- Skalierbare Leistung: Verwenden Sie eine einzige skalierbare Plattform für die gesamte Produktlinie. Erzielen Sie eine höhere Leistung mit schnelleren und fortschrittlicheren deterministischen Regelschleifen.
- Funktionale Sicherheit: Reduzieren Sie den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Einhaltung von Geräten und Werkzeugen, die den Sicherheitsnormen der Maschinenrichtlinie IEC61508 entsprechen.
Speicherprogrammierbare Steuerung (Programmable Logic Controller, SPS) ist ein industrieller Computer, der zur Steuerung der Automatisierung industrieller Prozesse verwendet wird. PLC ist ein computerbasiertes Solid-State-Gerät, das entwickelt wurde, um rauen Fabrikbedingungen standzuhalten und verschiedene industrielle Prozesse in Echtzeit zu überwachen und zu steuern.
SPS werden in fast allen industriellen Prozessen ausgiebig eingesetzt, aber aktuelle Systeme sind in der Regel als geschlossenes System für eine bestimmte Domäne optimiert. Da Industrie 4.0 die weitere Automatisierung über mehrere Domänen über das Netzwerk hinweg vorantreibt, werden SPS als Softwarefunktion in größere Computerplattformen (wie Edge-Computer) integriert, um die Konsolidierung der Arbeitslast zu ermöglichen.
FPGAs werden häufig für E/A-Erweiterungen, industrielles Ethernet und Feldbuskommunikationsgeräte verwendet, um deterministisches, latenzarmes paralleles Rechnen von SPS zu ermöglichen. Außerdem wird FPGA für die funktionale Sicherheit verwendet, da einige SPS für sicherheitskritische Anwendungen verwendet werden. Intel und seine Partner bieten eine Vielzahl von IP-Cores sowie sicherheitszertifizierte SKUs und funktionelle Sicherheitsdatenpakete an.
TSN-Lösung von Intel und TTTech
IEEE 802.1 TSN ermöglicht das Kombinieren und Anpassen von industriellen Hardware- und Softwarelösungen verschiedener Hersteller und bietet deterministische Echtzeit-Konnektivität.
Altera und TTTech Industrial Automation AG bieten eine sofort einsatzbereite Lösung ohne Vorablizenzgebühren, ohne Lizenzgebühren pro Einheit und ohne langwierige Verhandlungen.
TTTech TSN IP-Lösung für Intel® FPGA unterstützt:
10/100/1000-Mbit/s-Switched-Endpunkt mit 3/5 Anschlüssen
IEEE 802.1 AS, IEEE 802.1 CB, Qbv, Qbu, Qcc
Linux* kernel 4.14 LTS
- Durchschneiden und Speichern und Weiterleiten
Industrial-Ethernet-Lösungen mit Altera und Softing
Für die nahtlose Integration von Legacy-Industrial-Ethernet in Ihr Design bieten Altera und die Softing Industrial Automation GmbH eine Out-of-the-Box-Lösung ohne Vorablizenzgebühren, ohne Lizenzgebühren pro Einheit und ohne langwierige Verhandlungen.
Diese Lösung enthält Profibus, Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP und das Modbus-Protokoll. Die Lizenzierung wird über eine externe Sicherheits-CPLD nachverfolgt, die die Protokoll-IP entsperrt, die beim Booten in die FPGA geladen wird.
Exor Embedded SoM (System-on-Modul)
Exor bietet Altera FPGA-basierte, für die Produktion einsetzbare SoMs und RRKs für TSN- und Brownfield-Protokolle, die sich bereits in der Verwendung für Fertigungsanwendungsfälle bewährt haben, mit robuster Qualität und langem Lebenszyklus-Support.
ISO 13849-1 Kat. 3 PLd
Unser Technisches Sicherheitskonzept beschreibt, wie man eine Kat. 3 PL d äquivalente Risikominderung nach ISO 13849-1 und IEC 61508 SIL 2, geprüft und freigegeben durch den TÜV Rheinland. Es demonstriert eine mögliche Implementierung eines Systems auf Basis eines Altera SoC FPGA am Beispiel eines Cyclone® V SoC FPGA und einer externen Sicherheitslogik (ESL) für industrielle Prozessautomatisierung und Maschinensicherheitsanwendung.
Funktionelles Sicherheitsdatenpaket (FSDP)
Mithilfe der Zertifizierung von Werkzeugen und Geräten und der Anleitung in unserem zertifizierten Safety Integrity Level 3 (SIL3) Functional Safety Data Package können Entwickler die IEC 61508-Entwicklungszeit verkürzen und Zertifizierungsrisiken für viele sicherheitskritische industrielle Anwendungen reduzieren.
Darüber hinaus behält der Safety Separation Design Flow den FPGA Vorteil schneller Upgrades/Fehlerbehebungen bei und reduziert gleichzeitig die Notwendigkeit einer vollständigen Neuzertifizierung des Designs.
SafeFlex Sicherheits-Referenzboard von NewTec
Um den Designaufwand der Kunden für Sicherheitsdesigns, die eine Zertifizierung nach IEC 61508 bis SIL3 und IEC 13849 PLe Cat 4 erfordern, weiter zu reduzieren, haben sich Altera und NewTec zusammengetan, um das SafeFlex Referenzboard für funktionale Sicherheit zu entwickeln.
Unterstützung von Halbleiterfertigungsanlagen mit FPGAs
In diesem Whitepaper wird vorgeschlagen, Altera FPGAs in Maskenschreiber und Oberflächeninspektionswerkzeuge zu integrieren, um die Maschinenleistung zu verbessern und so Gießereien weltweit bei der Deckung der Chipnachfrage zu unterstützen.
Flex: Intel® FPGAs in der intelligenten Fabrik
In diesem Whitepaper wird der innovative Ansatz von Flex zur Erreichung der Industrie 4.0-Transformation für seine SMT-Linie (Surface-Mount Technology) erläutert, die auf Altera FPGAs basiert.
V-Sync: Intelligente Automatenmotorsteuerung von V-Sync
V-Sync implementiert die Motorsteuerung von 12 I2C-Ports in seinen intelligenten Verkaufsautomaten mithilfe eines Altera FPGA, der Echtzeit-Reaktionsfähigkeit und Steuerungsfunktionen bietet.
Lösungen
Whitepapers
- Multi-Protokoll Position Encoder Schnittstelle IP ›
- Zustandsbasierte Instandhaltung für die Fertigung ›
Industrielle Konnektivität
Funktionssicherheit
Reduzierung der Schritte zur Erreichung der Sicherheitszertifizierung ›
Eine validierte Methodik für die Entwicklung sicherer industrieller Systeme auf einem Chip ›
Entwicklung von funktionalen Sicherheitssystemen mit TÜV-geprüfter FPGAs ›
8 Gründe, FPGAs in IEC 61508 funktionalen Sicherheitsanwendungen zu verwenden ›
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