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Highspeed-SPS: Timer mit 1 µs Präzision und freie Programmierung in Strukturiertem Text

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Anwendungsdomänen autarke Aufgaben und Systemintegration

Es gibt aktuell zwei Familien mit zwei Entwicklungsumgebungen: ZX4T/4TE/8T mit EX_PRESS 4 sowie ZX20T mit EX_PRESS 5, beide werden gepflegt und weiterentwickelt. Wo liegen denn die Anwendungsdomänen dieser beiden Familien?

Nun, die ZX4T-Familie, auch als Speedy-Familie bezeichnet, ist ganz klar für kleine autarke Aufgaben geeignet. Eine Auswurffunktion, die ein als schlecht identifiziertes Teil nach einigen Schritten, über einen Inkrementalgeber übermittelt, auswirft, muss beispielsweise die Schritte des Gebers eindeutig und ohne Verlust zählen. Das bedeutet, dass es beim Zählen keinen Jitter, keinen Verzug geben darf, ansonsten wird die Funktion unzuverlässig, und je nach Geschwindigkeit ist das eine sehr deutliche Echtzeit-Herausforderung – aber kein Problem für die Speedys.

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Das Gespann ZX20T/EX_PRESS 5 hingegen adressiert klar Systemintegration. Abgesehen von der größeren Anzahl der Ein- und Ausgänge – die ZX4T mit 4E/4A und die ZX20T mit 20E/16A unterscheiden sich da deutlich – ermöglicht die ZX20T die Systemintegration über Ethernet sowie in den Varianten ZX20TC und ZX20TP die Kopplung an EtherCAT sowie Profinet. Dies findet sich auch in der Entwicklungsumgebung wieder, externe Ein- und Ausgänge werden gemäß ST-Norm (IEC 61131) mithilfe von VAR_EXTERNAL bzw. VAR_GLOBAL eingerichtet.

Die Erzeugung komplexer Timing-Abläufe ist ebenfalls eine Domäne der ZX20T. Sehr viele Timer – theoretisch bis zu 2000 – können in Software definiert werden und liefern eine Präzision von 1 µs. Timer sind auch als Funktionsblöcke verfügbar: Wenn Sie z.B. ein präzises Signal von 5 ms benötigen, das getriggert von einem anderen Signalübergang gestartet wird und bei einem erneuten Übergang am gleichen Signal wieder um 5 ms gestartet wird, obwohl das Intervall vielleicht noch gar nicht beendet war – dann nehmen Sie doch den Timer T_SSHOT_RT (Timer, Single-Shot, Retriggerable) aus der Bibliothek Timer.lib, dessen Verhalten in Bild 5 dargestellt ist.

Weiterhin bietet EX_PRESS 5 einen RETAIN-Mechanismus für Variablen an. Interne Variable sowie Variablen der Variablenart VAR_EXTERNAL können mit diesem Attribut versehen werden. Es bedeutet, dass der Wert dieser Variablen bei Verlust der Spannungsversorgung in einem Nullspannungs-sicheren Speicher hinterlegt wird, um dann bei erneutem Anschalten den letzten Wert zu Beginn der Programmaktivierung wiederum zu erhalten. Dieser Mechanismus ist unabhängig von der Art des Spannungsverlusts, also beabsichtigtes und unbeabsichtigtes Ausschalten bewirken den gleichen Effekt.

Die Entwicklung komplexer Algorithmen für die FPGA-basierte Steuerung ZX20T wird in EX_PRESS 5 weiterhin durch Integer-Datentypen von 8 bis 32 Bit, mit und ohne Vorzeichen, unterstützt, IF und CASE sind natürlich möglich, Funktionen und Funktionsblöcke wurde bereits erwähnt, so dass eine freie Programmentwicklung – auch in Richtung wirklicher Algorithmen – möglich ist. Und: Die Verarbeitung ist nach wie vor zyklusfrei.

Ein Beispiel für einen Zähler (also einen Counter, der genauso schnell zählen kann wie ein Timer, aber mit einer eigenen Taktquelle, auch von außen, versehen ist) bis 20 veranschaulicht noch den algorithmischen Fortschritt. Bild 6a zeigt die Version in Boolescher Logik, also etwas das Level der Entwicklungssysteme EX_PRO bis EX_PRESS 1, Bild 6b für EX_PRESS 4 und Bild 6c den gleichen Zähler in EX_PRESS 5.

Timer im µs-Bereich und frei programmierbarer Algorithmen sind vereinbar

Die eingangs gestellte Frage nach der Vereinbarkeit von Timern im Mikrosekundenbereich und frei programmierbarer Algorithmen, sie kann mit ja beantwortet werden. Das ist zwar schon seit längerem im Einsatz, neu ist jedoch, dass Arithmetik auch in Strukturiertem Text für FPGAs genutzt werden kann. So sind von exakt reprozierbaren Gut/Schlechtteiltrennungen mit der Reihe Speedy ZX4 über hochkomplexe Druckapplikationen und superexakte, reproduzierbare Positionierungen in der Lebensmittelindustrie bereits mit der ZX20-Reihe realisiert worden.

Die Firma Zander können Sie auf der SPS Drives in Nürnberg vom 28.-30. November 2017 in der Halle 7, Stand 7-191 besuchen.

* Prof. Dr. Christian Siemers lehrt an der Technische Universität Clausthal und arbeitet dort am Institut für Elektrische Informationstechnik (IEI). Es ist Experte für Echtzeitlösungen auf Mikrocontrollern, Prozessoren und FPGAs.

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