Automatisierung High-Speed-SPS arbeitet zykluszeitenfrei und ist gut vernetzbar

Autor / Redakteur: Christian Siemers, René Fritzsche, Alfons Austerhoff, Marco Zander * / Johann Wiesböck

Die Mikro-SPS-Familie ZX20 basiert auf FPGAs und arbeitet zykluszeitenfrei. Die vernetzbaren High-Speed-Steuereinheiten bringen ein komplettes Entwicklungssystem auf Basis des Strukturierten Texts mit.

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Bild 1: Die zykluszeitfreie High-Speed-SPS ZX20 von ZANDER arbeite auf FPGA-Basis
Bild 1: Die zykluszeitfreie High-Speed-SPS ZX20 von ZANDER arbeite auf FPGA-Basis
(Bild: Zander)

Die industrielle Automatisierungstechnik bewegt sich weiterhin deutlich in Richtung Schnelligkeit und Vernetzung der Komponenten, dies nicht zuletzt durch die Weiterentwicklung von Normen. So wurden IEC 61131 und IEC 61499 weiterentwickelt und beeinflussen die Entwicklung von industriellen Steuerungen.

Eine neue Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) der Firma ZANDER, Aachen, trägt dem Rechnung: Die ZX20-Familie (Bild 1), die zu der Klasse der Mikro-SPS zählt, funktioniert auf Basis von FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) und arbeitet damit zykluszeitenfrei, ist einfach vernetzbar und bringt ein komplettes Entwicklungssystem auf Basis des Strukturierten Texts mit.

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Für die Firma ZANDER ist es durchaus kein Neuland, eine SPS auf Basis von PLDs bzw. FPGAs anstelle von Mikroprozessoren anzubieten. So liegen vielfältige Erfahrungen mit den Steuerungen EX16 und der ZX8-Familie vor, die beide auf einem Complex Programmable Logic Device (CPLD) basieren. Gemeinsam ist all diesen Steuerungen, auch der neuen, dass sie prinzipbedingt zykluszeitfrei arbeiten.

Steuern ohne Zykluszeit – deterministisch auch bei hoher Geschwindigkeit

Diese Zyklusfreiheit bedeutet zwar keineswegs, dass keine Rechenzeit benötigt wird, denn auch ein PLD zeigt eine Laufzeit von Signalen. Diese Laufzeit ist aber sehr kurz, sie liegt etwa in der Größenordnung 0,01 bis 0,1 µs (je nach Bausteintechnologie und maximaler Komplexität einer Aufgabe), und – weitaus wichtiger – sie ist unabhängig von der Anzahl der quasi-parallel abzuarbeitenden Teilaufgaben.

Dies heißt für den Nutzer, dass die Steuerung immer garantiert deterministisch bei zugleich hoher Geschwindigkeit arbeitet, fehlende Zyklen sind hier Fehlanzeige. Anwendungen sind z.B. bei Verpackungs- und Abfüllanlagen, Antrieben und vielen anderen Bereichen zu finden, überall, wo hohe Geschwindigkeit gefordert ist.

Diese Form der Aufgaben führt zu einer hohen Ereignisdichte, also parallel anfallenden Arbeiten. Hier können die programmierbaren Logikbausteine wesentlich besser punkten als Mikroprozessoren, die ihrerseits besser für Algorithmen mit vielfältigen Verzweigungen geeignet sind. Beides ist in vernetzten Steuerungsapplikationen notwendig, so dass die ZX20 mit einem FPGA für die Steuerungsarbeit und einem integrierten Mikrocontroller für die Verwaltungsarbeit bestens gerüstet ist.

Der Steuerungsalgorithmus wird bei ZX20 durch die eigens dafür entwickelte Designsoftware in einen speziell für diese Applikation angefertigten Steuerungsprozessor umgesetzt. Dies war vor einigen Jahren nur durch eine Hardwareentwicklung einschließlich Fertigung eines Chips möglich, ist nunmehr aber durch die Verwendung von FPGAs auch ohne kostspielige und zeitaufwendige Hardwareentwicklung möglich.

Dies ist der tiefere Grund für die enorme Beschleunigung gegenüber Mikroprozessor-basierten Lösungen und zugleich die Parallelität in der Bearbeitung. Während ein Mikroprozessor durch die relativ zeitintensive Abarbeitung einer Befehlsliste einen Algorithmus ausführt, dann den Nächsten usw., liegt im Applikationsspezifischen Prozessor alles in echter Parallelität vor.

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Reaktionszeit unter einer Millisekunde

Die Speicherprogrammierbare Steuerung ZX20 bietet große Vorteile gegenüber bisherigen Lösungen: Zyklusfreie schnelle Steuerungstechnik (garantiert ohne fehlende Zyklen) und Vernetzung sind zusammen mit einer Programmentwicklung durch Strukturierten Text, der in IEC 61131 genormt ist, in einem Gerät integriert.

Durch die große Kapazität der SPS und die schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeit unabhängig von der Größe der Applikation gelingt es, komplexe, sehr schnelle Steuerungen mit Reaktionszeiten weit unterhalb der Millisekunden aufzubauen.

Die ZX20-SPS bietet eine Vernetzung via Switched-Ethernet an, um kontinuierlich Daten auszutauschen und so eine verteilte Gesamtapplikation aufzubauen. Selbst die Programmierung der Steuerungen erfolgt über ZanderNet und ist damit auch im eingebauten Zustand möglich.

Im Vergleich zu den bisher am Markt erhältlichen Lösungen wie EX-16 und ZX8 konnte bei ZX20 die Kapazität um mehr als den Faktor 50 gesteigert werden. Die interne Rechenzeit beträgt 0,1 µs, unabhängig von der Größe der Applikation.

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