Schnelligkeit hat in bestimmten Anwendungen einen direkten Einfluss auf die Qualität des Produktes. 'Der Druck beim Formen von PET-Flaschen muss präzise geregelt sein', sagt Anton Meindl, Business Manager Controls bei B&R, 'je präziser die Druckregelung erfolgt, desto dünner kann die Wand der Flasche sein.' Weitere Beispiele aus dem Spritzgießbereich sind eine exakte Drehzahl- oder Positionsregelung. Auch in der Druckindustrie sind schnelle Funktionen nötig. 'Wenn Papier in eine Maschine läuft, muss die Kante bei einer sehr hohen Geschwindigkeit erkannt werden', sagt Meindl. Die Anwendungsmöglichkeiten für extrem schnelle Reaktionszeiten sind demnach zahlreich.

Herkömmliche I/O-Technik arbeitet mit einer minimalen Reaktionszeit von rund 1 ms. 'Eine Reaktionszeit von 1 ms ist jedoch für bestimmte Anwendungen mittlerweile zu langsam', merkt der Business Manager an. 'In Abfüllanlagen für Getränkeflaschen muss die Steuerungstechnik das Signal des Füllstandsensors schneller verarbeiten, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.'

Die Reaktionszeit hing bislang von mehreren Faktoren ab: der Netzwerk-Performance, also der Anzahl der Knoten im Netzwerk und der Netzwerklast, sowie der Leistungsfähigkeit der Steuerung. Konkret verläuft bislang die Signalverarbeitung so: Der Eingangstreiber eines I/O-Moduls tastet das Eingangs­signal ab und wandelt es in ein Logik­signal um. Dieses Signal wird über das Netzwerk an die zentrale Steuerung geschickt. Die SPS verarbeitet das Signal und überträgt es wieder zum Modul. Die Ausgangstreiber wiederum setzen das Signal um und übertragen es an den Bestimmungsort. Reaktionszeiten im Millisekundenbereich lassen sich auf diese Art nicht wesentlich unterschreiten.

Reaktionszeit von 1 µs

Bei der Neuentwicklung hat sich B&R das Ziel gesetzt, die Signalverarbeitungszeit massiv zu beschleunigen und weitestgehend in die I/O-Module selbst zu integrieren. Gleichzeitig sollten die Vorteile einer zentralen Software-Haltung beibehalten werden. Ergebnis ist: Die neue B&R-Technologie 'Reaction' verkürzt die Reaktionszeit zwischen Erfassen des Eingangssignals und Ausgabe des Steuerungssignals auf 1 µs.

Die Signalverarbeitung erfolgt direkt im I/O-Modul. Ergebnis: Die Reaktionszeit ist unabhängig von Nerzwerk-Performance und Leistungsfähigkeit der Zentralsteuerung und damit immer gleich lang.

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Der Dreh- und Angelpunkt der Leistungssteigerung ist das I/O-Modul mit integriertem FPGA (Field Programm­able Gate Array). 'Für einen FPGA-Chip haben wir uns entschieden, weil er Signale parallel und schnell verarbeiten kann', erläutert Meindl. Bei rund zehn verschalteten Funktions­blöcken beträgt die Abarbeitungszeit im FPGA rund 0,8 µs.

Besonderheit der Lösung: Bislang waren FPGAs schwer zu programmieren. Bei der B&R-Lösung hingegen können die Maschinenbauer die FPGAs wie gewohnt in der Automatisierungssoftware Automation Studio handhaben und programmieren. Sie erstellen Programme samt Parameter in Form von Funktionsblöcken nach IEC 61131 und auch die Kommunikation zwischen I/O- und CPU-Tasks erfolgt in bewährter Weise über den Austausch der Prozessvariablen. An logischen Operationen sind etwa AND, OR, XOR oder NOT möglich. Ebenso realisieren lassen sich arithmetische Operationen wie ADD, SUB, MUL, DIV sowie FlipFlop, PWM, Komparator und Zähler. Die per Funktionsblock erstellten Verschaltungen lassen sich wie klassischer Steuerungscode testen. Dabei erfolgt die Simulation durch Ausführung der Module auf der Steuerung. Funktioniert alles einwandfrei, erfolgt die Zuweisung der Softwarefunktion auf die ausführende Hardwarekomponente durch Anpassung der Hardwarekonfiguration in Automation Studio. 'Mit gewohnt einfacher Softwareprogrammierung können die Anwender hinsichtlich der Geschwindigkeit eine neue Dimension erreichen', sagt Meindl'. Im Interesse einer möglichst universellen Verwendbarkeit lassen sich die Funktionsblöcke zur lokalen Ausführung dynamisch in die Module nachladen.

Großer Vorteil der Lösung: Da die Sig­nalverarbeitung direkt im I/O-Modul erfolgt, sind Reaktionszeiten nicht mehr vom vorhandenen Systembus oder der zentralen Steuerung abhängig. Das bedeutet, Maschinenbauer können mit einer Steuerung, die im Millisekunden­bereich arbeitet, eine Reaktionszeit bestimmter Funktionen im Mikrosekundenbereich erreichen. 'Für welche Prozessorgröße der SPS sich der Anwender entscheidet, hängt also nicht mehr von Spitzengeschwindigkeiten in speziellen Funktionen ab, sondern allein von der durchschnittlichen Auslastung der Applikation', sagt Meindl.

Aber wie läuft die Signalverarbeitung im I/O-Modul konkret ab? Der Eingangstreiber tastet das Eingangssignal mit einer Auflösung von 20 ns ab und wandelt es in ein Logiksignal um. Anschließend verarbeitet das FPGA das Signal mit Zykluszeiten von bis zu 1 µs. Das resultierende Ergebnis wird wieder an den Ausgangstreiber des I/O-Moduls übermittelt. Das Modul setzt diese Information um und gibt ein physikalisches Signal aus. Das FPGA übernimmt also bestimmte Steuerungsfunktionen der Steuerung und entlastet sie dadurch.

Das Produkt-Spektrum

Die Reaction Technology ist sowohl auf I/O-Modulen des X20- und X67-Systems als auch auf den neuen X20-Kompaktsteuerungen verfügbar. Drei Module mit unterschiedlicher I/O-Konfiguration stehen bereit: zwei X20-Module und ein X67-Modul.

Anton Meindl, Business Manager Controls bei B&R: 'Mit dieser Technologie dringen die dezentralen Automatisierungssysteme in eine neue Dimension der Reaktions­geschwindigkeit vor.'

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Die X20-Module in IP20-Ausführung verfügen über vier digitale Eingänge mit variablem Eingangsfilter und weitere vier konfigurierbare digitale I/Os, deren physikalische Wandlungszeit unter 2 µs liegt. Das Modul X20RT8201 hat darüber hinaus zusätzlich zwei Analog-Eingänge (±10 V) mit 12 Bit Auflösung und 5 µs Wandlungszeit. Das X67-Modul in IP67-Ausführung stellt zwei digitale Eingänge – 24 V(DC) – und weitere drei Eingänge – 5 V(DC) – sowie vier konfigurierbare I/Os bereit. Neben zwei Analog-Eingängen wurde ein Analog-Ausgang (±10 V) mit 12 Bit Auflösung zusätzlich integriert.

An Kompaktsteuerungen mit Reaction Technology bietet B&R zwei Modelle: X20CP1381-RT und X20CP1382-RT. Die Kompaktsteuerungen gibt es mit 200 MHz und 400 MHz Prozessor-Performance. Je nach Variante sind bis zu 256 MByte Arbeitsspeicher und 16 kByte nullspannungssicheres RAM verfügbar. Für Applikation und Datenablage steht ein fest eingebautes Flash Drive mit bis zu 4 GByte zur Verfügung. Die Steuerungen verfügen über Ethernet, USB und RS-232-Schnittstelle. In beiden Leistungsklassen sind zusätzlich Powerlink und CAN als integrierte Schnittstelle verfügbar.

Autor: Peter Kemptner ist freier Journalist aus Salzburg, Österreich.