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Steuerungstechnik

So wird 1µs Reaktionszeit unabhängig vom Feldbus möglich

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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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