Zentral vs. dezentral

Redakteur: Reinhard Kluger

MOTION & DRIVESWer vor der Qual der Wahl steht, für welches Konzept, zentral oder dezentral, er sich nun entscheiden soll, der trifft auf keine klare Grenze. Für den Maschinenbauer zählen Skalierbarkeit und Synchronisierung von Antrieben. POWERLINK bietet die Möglichkeit einfacher und zuverlässiger Lösungen.

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Zentral oder dezentral? Die Entscheidung, ob ein Automatisierungkonzept eher dem einen oder dem anderen Ansatz folgen soll, hängt davon ab, in welchem Grad damit zeitlich determinierte Prozesse gesteuert werden sollen. Mit zunehmendem „Härtegrad“ der Echtzeit verlagern sich die zentralen Steuerungsstrukturen hin zu dezentralen Anordnungen. Es zeigt sich, dass zwischen zentralen und dezentralen Automatisierungskonzepten keine klare Grenze verläuft: jedes zentrale Konzept umschließt auch dezentrale Strukturen, jedes dezentrale Konzept besitzt auch zentrale Anteile.

Der grundsätzliche Unterschied besteht im Umfang der von der Steuerung vergebenen Aufgaben. Vergibt sie bei einem zentralen System nur „Arbeitsschnipsel“ an die beteiligten Komponenten, so erledigen diese bei einem dezentralen Konzept komplette Aufträge. Dezentralisierung heißt somit, dass zentrale Steuerungen durch die Auslagerung von Arbeitsprozessen auf intelligente Komponenten entlastet werden. Dies erfordert aber andere Kommunikationsverbindungen als bei zentral organisierter Automation. Die Entscheidung für die strukturelle Gewichtung hängt davon ab, mit welchen Netzwerkstrukturen sich am besten die zeitlichen Forderungen erfüllen lassen und wie sich dies mit dem vergleichsweise geringsten Aufwand realisieren lässt. Ein idealisiertes Beispiel verdeutlicht, weshalb bei nichtzeitkritischen Vorgängen meist ein zentrales Steuerungskonzept das Mittel der Wahl ist: In verfahrenstechnischen Prozessen, die nur in sehr geringem Maß zeitabhängig sind, bestehen die Aufgaben des automatisierten Systems in der Überwachung und Regelung chemischer Vorgänge.

Ein Netz aus Sensoren erstreckt sich über große Teile der Anlage, eine zentrale Steuerungseinheit hat die Aufgabe, sämtliche von den Sensoren gemeldeten Werte zu Temperaturen, Füllständen und anderen Parametern zu erfassen und zu vergleichen. Ansteuerungen von Reglern und Ventilen müssen im Bereich von hundertstel Sekunden stattfinden. In diesem Fall hat die Steuerungseinheit zwar ein hohes Datenaufkommen zu bewältigen, die Anforderungen an die Rechenleistung und an die Übertragungsgeschwindigkeit des Netzes sind aber noch moderat. Zwar wird auch hier für die meisten Prozesse Echtzeit gefordert, jedoch handelt es sich hier um „weiche“ Echtzeit, bei der die Zeitspanne zwischen Auslösung und Eintritt eines Ereignisses eine Dauer besitzen darf, die zwischen hundertstel und tausendstel Sekunden liegt. Eine Automationslösung mit zentraler Struktur erfüllt in diesem Fall sehr gut ihren Zweck. Dies ist natürlich nur ein Beispiel. Denn auch in der Prozessindustrie werden für unterschiedliche Aufgaben mehr und mehr Echtzeitsysteme notwendig. Wo aber zeitkritische Antriebsfunktionen mit harter Echtzeit hier geht es um Intervalle im Mikro-Sekunden-Bereich gesteuert und koordiniert werden müssen, bieten sich bevorzugt dezentrale Steuerungskonzepte an. Solche Konzepte lassen sich erst auf der Basis „verteilter Intelligenz“ realisieren.

Modulare Maschinenkonzepte

Zentrale Strukturen neigen hinsichtlich auf Änderungen, Neuerungen oder Erweiterungen zu Unflexibilität, da bei allen Erweiterungen der Peripherie der Kern der Struktur selbst modifiziert werden muss. Die Überlegung, dass ein dezentrales System mit eigenständigen Komponenten erheblich höhere Flexibilität und für bestimmten Konstellationen höhere Geschwindigkeit zulässt, führte zur Entwicklung modularer Maschinenkonzepte: Modulare Maschinen sehen die Erweiterungen des Funktionsumfanges durch Zuschaltung eigenständiger Komponenten vor, ohne dass der Maschinenkern dafür modifiziert werden müsste.

Die Antriebssteuerung hat eine ganze Reihe von Aufgaben zu bewältigen: Ein Profilgenerator muss für jeden Takt die jeweilige Achsen-Beschleunigung errechnen, ein Lageregler erfasst und korrigiert die Position der Achse, ein weiterer Regler reguliert die Drehzahl und somit die Geschwindigkeit der Bewegung, und ein Stromregler bestimmt die Kraft beziehungsweise das Drehmoment der ausgeführten Bewegung. Diese Berechnungen können an zwei Orten erfolgen: Entweder im Antrieb selbst, was natürlich voraussetzt, dass die entsprechenden Recheneinheiten in den Antrieb integriert sind, oder sie werden von einer zentralen Steuerung übernommen. Es ist ersichtlich, dass eine zentrale Berechnung eine große Bandbreite des Busses erfordert, und bei der Notwendigkeit, mehrere Achsen zu steuern, zugleich enorme Rechenleistungen von der Steuerung verlangt.

Auch liegt auf der Hand, dass schon bei nur wenigen Achsen die zu bearbeitenden Datenmengen sehr groß werden. Dies geht in jedem Fall zu Lasten der Geschwindigkeit. Der Master beziehungsweise die Steuerung müsste sämtliche Berechnungen vornehmen, an den Slave beziehungsweise den Antrieb senden und dieser muss über den Bus ununterbrochen Rückmeldungen über seinen aktuellen Zustand geben. Die Regelschleife wäre also über den Bus geschlossen. Ein Grund, der zu einer erhöhten Anfälligkeit der Applikationsfunktionalität führen würde. Zudem werden moderne Servoachsen mit 16.000 Hz getaktet. Die nötige Rechenleistung für die Stromregelung extern zu bewältigen, ist praktisch ausgeschlossen. Somit liegt die Frequenz auf der einen Seite knapp oberhalb der Wahrnehmung des menschlichen Gehörs und auf der anderen Seite in einem physikalischen Bereich, der hinsichtlich der Trägheit des elektromagnetischen Feldes noch effizient ist. Bei dieser Frequenzdauert ein Takt 31,25-Micro-Sekunden. Aus dieser Betrachtung ergeben sich Vorteile für dezentrale Steuerungseinheiten (siehe kasten Service & Support). Um die Vorteile der verteilten Intelligenz für die Bewältigung verteilter Aufgaben in harter Echtzeit nutzen zu können, muss der eingesetzte Feldbus die entsprechende Kommunikationsinfrastruktur bieten.

POWERLINK – ideal für dezentrale Strukturen

Um harte Echtzeit zu erreichen, müssen die Taktzyklen möglichst kurz sein. So wäre bei zentraler Steuerung die zu versendende Datenmenge schon bei wenigen Antrieben zu groß, um die nötigen Geschwindigkeiten zu erreichen. POWERLINK aber stellt die ideale Infrastruktur für die dezentrale Automation mit verteilter Intelligenz bereit. Zwei Eigenschaften des Echtzeitkommunikationssystems sind, natürlich neben der Dauer der Taktzyklen, für diese Betrachtung ausschlaggebend:

  • die Fähigkeit zum Querverkehr und
  • die freie Wahl der Topologie beim Netzwerkaufbau und -ausbau.

Querverkehr ermöglicht die direkte Querkommunikation von Komponenten ohne Umweg über den Master. Jedes Gerät kann seine Daten nach dem Rundfunkprinzip direkt in das Netz senden, sodass alle Teilnehmer die Sendungen empfangen können. Dadurch lassen sich zum Beispiel in synchronisierten Produktionssegmenten auf einfache Weise die Winkelcodierer sämtlicher Antriebe mit dem Leitwertgeber synchronisieren. Die Vorteile liegen in Zeitersparnis, Systemvereinfachung und Entlastung der Steuerungsaufgaben, sodass für viele Bereiche preisgünstigere Steuerungen gewählt werden können.

Für den modularen Systemausbau ist eine freie Wahl der Topologie fast unabdingbar. Die Erweiterung einer Maschine, der Ausbau einer Anlage oder das stetige Wachstum des Maschinenparks sind mit starren Topologien kaum, beziehungsweise nur unter großem Aufwand möglich. POWERLINK erlaubt den völlig freien Systemausbau ohne Beeinträchtigung der Echtzeitfähigkeit.

Heute hat sich POWERLINK weltweit durch seine hohe Skalierbarkeit in unterschiedlichsten Bereichen für die echtzeitfähige, dezentrale Automation durchgesetzt. Ob in der Synchronisation von Antrieben, in der Robotik, bei CNC-Achsensteuerungen, in der schnellsten Druckmaschine der Welt oder in der Prozessindustrie, wo POWERLINK bei einem großen französischen Betreiber als hochverfügbarer Feldbus 20.000 I/O-Komponenten verbindet. Selbst zur Regelung innovativer Hydrauliksysteme kommt POWERLINK zum Einsatz. Bei solchen Anwendungen findet die Regelung in der Zentraleinheit statt, der Regelkreis wird hier über den Feldbus geschlossen. In allen Fällen gilt: POWERLINK vereinfacht die Automatisierung und verbessert die Zuverlässigkeit.

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