Steuerungstechnik

So wird 1µs Reaktionszeit unabhängig vom Feldbus möglich

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

Mit der Reaction-Technologie von B&R wird 1µs Reaktionszeit unabhängig vom Feldbus möglich.
Mit der Reaction-Technologie von B&R wird 1µs Reaktionszeit unabhängig vom Feldbus möglich. (Bild: B&R)

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.

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.

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.

Ergänzendes zum Thema
 
Zykluszeiten in der Peripherie auf 1µs senken

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 Elektronikkomponenten 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.

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