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Steuerungstechnik So wird 1µs Reaktionszeit unabhängig vom Feldbus möglich

Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Thomas Schmertosch* / Sariana Kunze

In Verpackungsmaschinen müssen Funktionen wie Auswerfer, Stempel- oder Prägevorgänge zu Achspositionen synchronisiert werden. Dies muss sehr schnell und hochpräzise erfolgen. Mit der Reaction-Technologie kann 1µs Reaktionszeit unabhängig vom Feldbus ohne Spezialhardware realisiert werden – auch in dezentralen Strukturen.

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Auf der Überholspur: Reaction-Technologie macht 1µs Reaktionszeit unabhängig vom Feldbus möglich.
Auf der Überholspur: Reaction-Technologie macht 1µs Reaktionszeit unabhängig vom Feldbus möglich.
(Bild: © Valeriy Velikov/Fotolia.com)

Vereinfacht wird in der Automatisierungstechnik unter der Reaktionszeit die Zeitspanne verstanden, die ein System benötigt, um auf ein Prozessereignis zu reagieren. Wird an einem Signaleingang eine Zustandsänderung erfasst, so vergeht eine bestimmte Zeit, bis an einem Signalausgang eine im Programm berechnete Zustandsänderung erfolgt. Diese Reaktionszeit ist von vielen Faktoren abhängig und wird durch die Technologien der beteiligten Komponenten und der Struktur des Automatisierungssystems vorgegeben. In einem nicht synchronisierten System mit Initiator, Ein-/Ausgangsmodulen, Feldbus, CPU und Aktor wird die Reaktionszeit ganz wesentlich durch die Zykluszeit der CPU und dem zweifachen Wert eines Feldbuszyklus bestimmt (siehe Bild 1 auf S. 40). Infolge des unvermeidbaren Eingangsjitters schwankt dieser Wert um einen weiteren CPU- und zwei Feldbuszyklen, je nachdem, zu welchem Zeitpunkt der Feldbus die Signale abholt. Damit gilt:

TReaktion≤ TInitiator+TIn-Physik+4× TBuszyklus+2xTCPU-Zyklus+TOut-Physik+TAktor

Wenn ein typischer CPU-Zyklus in einer Maschinensteuerung 5ms und ein Feldbuszyklus je nach verwendeter Technologie 500µs benötigt, wird die Problematik offensichtlich. Eine Reaktionszeit unter 10ms ist auch im besten Fall nicht ohne Zusatzaufwand zu erreichen.

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Ein präzise arbeitendes Nockenschaltwerk ist mit diesen Werten nicht zu realisieren. Zur Lösung dieser Problematik sind verschiedene Ansätze bekannt und etabliert. Ein Ansatz ist die Synchronisation des CPU-Zyklus und aller Peripheriesysteme, wie z.B. Buscontroller und Servoverstärker, auf den Feldbuszyklus. Dadurch wird der Übertragungsjitter zwischen Feldbus und den angesteuerten Komponenten eliminiert. Wird mit diesem Verfahren eine Eingangssignaländerung übertragen, so jittert die Reaktionszeit nur noch um maximal einen Feldbuszyklus.

TReaktion≤ TInitiator+TIn-Physik+2× TBuszyklus+TCPU-Zyklus+TOut-Physik+TAktor

Um mit diesem Prinzip auch eine Reaktionszeit im µs-Bereich zu erreichen, ist ein plausibler Ansatz die Erhöhung der Systemleistung in allen beteiligten Komponenten. Erkauft wird das mit erheblichen Investitionen in die Rechen- und Übertragungstechnik. Außerdem sind dieser Architektur hinsichtlich der Menge der Signale Grenzen gesetzt. Vorteilhaft ist, dass alle Programme vom Anwender in eigener Regie erstellt und gewartet werden können.

Das gilt auch für einen Interrupt-basierten Ansatz, bei dem ein Eingangssignal zuerst einen Interrupt auf dem Feldbus und anschließend in der CPU auslöst. Nach Abarbeitung der Interrupt-Serviceroutine wird das Ergebnis mittels Feldbus-Interrupt via Ausgangsmodul zum Aktor geschickt. Mit dieser Technologie lassen sich auch Reaktionszeiten unter 100µs bei geringeren Kosten erreichen. Allerdings wird neben dem Busprotokoll auch das übrige Anwenderprogramm mehr oder weniger häufig unterbrochen. Dies bewirkt unkalkulierbare Effekte für die Regelgüte und Genauigkeit des gesamten Systems. Damit die Applikation beherrschbar bleibt, sind der Menge und der Häufigkeit der Unterbrechungen enge Grenzen gesetzt. Überraschungen bei der Inbetriebnahme sind unvermeidlich und erhöhen den Engineeringaufwand mitunter beträchtlich.

Ein weiterer Lösungsansatz sind intelligente Feldgeräte bzw. Spezialhardware. Durch speziell angepasste Technik können hier Reaktionszeiten auch unter 1µs erreicht werden. Gezielt für die jeweilige Funktion ausgewählte Elektronik- komponenten und extrem optimierte Programme haben jedoch ihren Preis. Dazu kommt, dass der Anwender nur eingeschränkte bis keine Möglichkeiten für die Anpassung des jeweiligen Programms hat. Das ist aber gerade für innovative Maschinenkonzepte oft unabdingbar. Wenn mittels Parametrierung die benötigte Funktionalität nicht erreicht werden kann, müssen Änderungen beim Hersteller erfolgen. Lange Lieferzeiten und hohe Kosten sind die Folge.

Und noch einen Aspekt gilt es zu berücksichtigen. Um die Kosten für Spezialhardware in Grenzen zu halten, implementieren Hersteller alle denkbaren Funktionen, wie z.B. Filter, Prozeduren und Algorithmen, die dann mit einer oft unüberschaubaren Parameterwolke auf den jeweiligen Anwendungsfall konfiguriert werden müssen. Das setzt extremes Fachwissen voraus und erhöht den Engineeringaufwand zusätzlich. Außerdem bewirken die zahlreichen konfigurationsabhängigen Programmverzweigungen eine verlängerte Bearbeitungszeit, was vermieden werden soll. Demzufolge sind bei Anforderungen im einstelligen Mikrosekundenbereich bisher nur Spezialhardware bzw. intelligente Feldgeräte zielführend.

Schneller reagieren, als der Feldbus es zulässt

Die Ausführungen verdeutlichen, dass extrem kurze Reaktionszeiten nur durch eine Eliminierung der Abhängigkeiten des Steuerungssystems zu erreichen sind. Der Systemanbieter B&R verfolgt dazu den Ansatz der intelligenten I/O-Module. Dazu wurde der bereits vorhandene FPGA einiger Standard-I/O- Module ertüchtigt, um Steuerungsprogramme abzuarbeiten. Optimierte Ein- und Ausgangsphysik sorgt für extrem schnelle Signal­erfassung und -ausgabe, so dass gemeinsam mit entsprechend ausgewählten Standard-Feldgeräten tatsächlich herunter bis zu 1µs reagiert werden kann. Konkret läuft die Signalverarbeitung mit Reaction-Technologie wie folgt ab: Der Treiber eines Reaction-I/O- Moduls tastet seine Eingangs­signale mit einer Auflösung von 20ns ab und verarbeitet diese im unmittelbar integrierten FPGA nach einer vom Anwender erstellten Routine. Die Zykluszeit richtet sich nach der Anzahl der Instruktionen und kann im Extremfall weit unter 1μs liegen. Das resultierende Ergebnis wird an den Ausgangstreiber des I/O-Moduls übermittelt und als physikalisches Signal ausgegeben. Das FPGA übernimmt somit direkte Funktionen der zentralen Steuerung, die somit entlastet wird. So kann in einer dezentralen Architektur die CPU grundsätzlich kleiner dimensioniert werden und es sind trotzdem Reaktionszeiten im μs-Bereich möglich. Hinsichtlich Flexibilität und Programmierung zeigt sich die Reaction-Technologie anwenderfreundlich. Die Softwarefunktionen werden wie bei jedem anderen Programm direkt in der B&R-Engineering-Software Automation Studio vom Anwender selbst und speziell für die jeweilige technologische Funktion in Form von Funktionsblöcken nach IEC61131 erstellt. Die Technologie bietet zudem die Möglichkeit, die Programme auch während der Laufzeit der Maschine nachzuladen. Bei einem Produkt, Material- bzw. Technologiewechsel kann entweder vollautomatisch oder mit einfachen Bedienhandlungen des Bedieners eine Umrüstung erfolgen. Eine Eigenschaft, die mit Spezialhardware unmöglich ist. Selbst für kleinste Änderungen ist stets ein kostenintensives Softwareupdate vom Hersteller erforderlich.

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Daraus ergibt sich, dass Reaction-Programme nicht durch aufwändige Parametrierung variiert werden müssen. Von Beginn an können technologische Funktionen ganz gezielt entwickelt und so auch in ihrem Ressourcenbedarf optimiert werden.

Parameter sind nur noch erforderlich, um Funktionen zu justieren und nicht, um sie auszuwählen. Es können in einem Automatisierungssystem beliebig viele dieser Reaction-Module ohne Rücksicht auf die Struktur eingesetzt werden, denn die Reaktionszeiten der Komponenten sind unabhängig von ihrer Platzierung immer gleich. Das ist gerade bei wandelbaren, modularen Maschinen und Anlagen entscheidend für Engineeringaufwand und -qualität.

Bild 2 zeigt eine Konfiguration für ein dynamisch totzeitkompensiertes Nockenschaltwerk, wie es in vielen Verarbeitungsmaschinen verwendet wird. Besonders bei sehr schnell laufenden Prozessen muss die Totzeit der Aktorik genau berücksichtigt werden. In diesem Beispiel wird das Programm des Nockenschaltwerkes mit Reaction-Technologie in einer Plister-Verpackungsmaschine zur Druckmarkensynchronisation verwendet. Die Istposition erhält das Programm via Feldbus direkt vom entsprechenden Achscontroller. Damit entsteht ein Zeitverzug von nur einem Feldbus- und einem Servo-Zyklus. In diesem Fall reichte dem Kunden die erzielte Genauigkeit aus. Mit zusätzlichem Positionsgeber am Reaction-Modul ließe sich die Reaktionszeit weiter reduzieren, da Feldbus und Servoverstärker nicht mehr beteiligt sind. Abhängig von der Dynamik des Gebers ließen sich so Reaktions­zeiten unter 5µs erreichen. Hier wird deutlich, wie die Reaction-Technologie Spezialhardware durch Standard-E/A-Module ersetzen kann. Durch freie Programmierung und die Wechselmöglichkeit der Programme zur Laufzeit kann auf unterschiedliche Prozess­zustände mit verschiedenen Verfahren reagiert werden. So lassen sich Maschinen für die Be­arbeitung geringster Losgrößen ertüchtigen.

* *Thomas Schmertosch, Marketing Deutschland, B&R Industrie-Elektronik

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