Während bei E/A-Systemen früher nahezu alles in Hardware gegossen war, verfügt ein Großteil dieser Baugruppen heute bereits über einen eigenen Controller. Viele Funktionen sind damit per Firmware (FW) realisierbar und lassen sich deshalb flexibel gestalten. Während bei Analog-Eingabebaugruppen beispielsweise die Kennlinienlinearisierung von Temperatursensoren schon seit geraumer Zeit zum Standard gehört, ist es konsequent, weitere ‚technologische‘ Funktionen ebenfalls in die IO-Baugruppen zu integrieren – zum Beispiel:

• Zählen mit Digital-Eingabebaugruppen, 
• Pulsweitenmodulation (PWM) mit Digital-Ausgabebaugruppen,
• Oversampling,
• Messwerte skalieren,
• Messbereichsanpassung und Temperaturbereich skalieren.

Gegenüber ‚echten‘ Technologiemodulen, die eine eigene Hardware benötigen, haben Firmware-basierte Lösungen zwar einen reduzierten technischen Leistungsumfang; jedoch ist dieser Ansatz aus Anwendersicht äußerst kostengünstig. Beispielsweise beträgt der Preis für den integrierten Zähler nicht mehr als der Kanalpreis des entsprechenden digitalen Eingangs. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch bereits im Feld befindliche Baugruppen bei Bedarf per Firmware-Update nachrüstbar sind.

Zählen mit DI

Die erste Funktion, die hier näher vorgestellt werden soll, ist das ‚Zählen mit DI‘. Zählfunktionen werden nahezu in allen Bereichen der Fertigungstechnik benötigt. Entsprechend breit ist die Palette der Anforderungen an die Zählbaugruppen. Oft ist allerdings kein komplexer High Speed Counter nötig, sondern vielmehr eine preisgünstige, einfache Lösung. Ein Beispiel hierfür sind etwa die beiden Baugruppen ‚DI 16x24VDC HF‘ und ‚DI 32x24VDC HF‘ der Simatic-Steuerung S7-1500. Bei diesen können jeweils zwei Eingänge als Zähleingang definiert werden. Die restlichen 14 beziehungsweise 30 Eingänge sind weiter als reine digitale Eingänge nutzbar. Dabei handelt es sich um einen 32-Bit-Vorwärtszähler mit einer maximalen Frequenz der Steuerung von 1 kHz. Per Projektierung im TIA-Portal wird festgelegt, auf welche Flanke der Zähler reagieren, welche Zählgrenze zu überwachen ist und wie sich der Zähler beim Erreichen dieser Grenze verhalten soll. Ebenso sind das Setzen eines Startwerts sowie die Steuerung über ein Software-Tor möglich. Alle dafür notwendigen Daten liegen im Prozessabbild der Steuerung, was eine einfache und komfortable Programmierung erlaubt.

Pulsweitenmodulation (PWM) mit DQ

Bild 1: Prinzip der Pulsweitenmodulation: Ein digitaler Ausgang gibt ein Rechtecksignal mit einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Puls-Pausen-Verhältnis aus.

© Siemens

Bei der Pulsweitenmodulation gibt ein digitaler Ausgang ein Rechtecksignal mit einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Puls-Pausen-Verhältnis (Tastverhältnis, Duty Cycle) aus. In Abhängigkeit von der angeschlossenen (induktiven) Last stellt sich dann der entsprechende Strom ein. Typische Aktoren, die auf diese Weise angesteuert werden, sind kleine DC-Motoren, Dimmer von LEDs, Heizungsregelungen und diverse Ventile.

Mit einer digitalen 2-A-Ausgabebaugruppe wie etwa der ‚DQ 8x24VDC/2A HF‘ ist auch hierfür eine entsprechende Firmware-Lösung umsetzbar, bei der zwei der acht Ausgänge für PWM genutzt werden können. Die verbleibenden sechs Ausgänge können als reguläre binäre Ausgänge dienen. Die PWM-Ausgänge lassen sich mit einer maximalen Frequenz von 500 Hz betreiben, das Puls-Pausen-Verhältnis ist von 0 % bis 100 % mit einer Auflösung von 0,1 % (entspricht 10 Bit) einstellbar.

Da insbesondere Ventile prädestinierte Aktoren sind, sei hier auf die Besonderheit der ‚Energiesparfunktion‘ hingewiesen. Ventile brauchen im Anzugsmoment für eine gewisse Zeit ihren Maximalstrom. Danach reicht ein deutlich geringerer Haltestrom. Mittels PWM kann der Anwender zunächst das Puls-Pausen-Verhältnis auf 100 % einstellen. Dies bedeutet, dass der Ausgang permanent angesteuert wird. Nachdem das Ventil angezogen hat, kann das Puls-Pausen-Verhältnis – je nach Ventil – auf einen deutlich kleineren Wert, zum Beispiel 50 %, gesetzt werden. Der Anwender kann das einfach aus dem Anwenderprogramm heraus steuern, da auch bei diesem Modul alle für die Ansteuerung notwendigen Parameter im Prozessabbild liegen.

Oversampling

Die Funktion ‚Oversampling‘ ermöglicht es, den Profinet-Takt in bis zu 16 gleiche Takte (sogenannte Subtakte, Intervalle, Abtastrate) zu unterteilen. Damit lässt sich auch bei einem relativ langsamen Takt von zum Beispiel 4 ms eine hohe zeitliche Genauigkeit von 250 µs erreichen, bei einem Bustakt von 1 ms sogar 62,5 µs. Dazu muss Profinet taktsynchron projektiert sein. Die jeweilige Baugruppe unterteilt diese Zeit selbstständig in die vom Anwender projektierte Abtastrate. Anstelle eines Wertes stellt die jeweilige Baugruppe in jedem Profinet-Takt für jeden Subtakt einen Wert zur Verfügung – bei einer Abtastrate von 16 also auch 16 Werte. Dabei kann es sich entweder um einzelne Bits einer Digitalbaugruppe handeln oder – bei Analogbaugruppen – um Messwerte.

Bild 2: Prinzipielle Funktionsweise von Oversampling.

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Mittels Bild 2 soll dieses Verhalten exemplarisch anhand der Baugruppen ‚AI 8xU/I HS‘ und ‚AQ 8xU/I HS‘ verdeutlicht werden. In diesem Beispiel ist der Profinet-Takt auf 1 ms eingestellt und die Abtrastrate auf acht. Dies führt dazu, dass die Baugruppe alle 125 µs einen neuen Wert einliest. Mit Beginn des Profinet-Taktes ‚n‘ startet die Baugruppe die Wandlung. Nach 125 µs steht der erste Wert für Kanal 0 zur Verfügung, nach dem zweiten Subtakt – also nach 250 µs – der zweite Wert usw. Sind die acht Intervalle vorbei, stehen alle acht Messwerte zur Verfügung. Diese werden im darauf folgenden Profinet-Takt zur CPU übertragen. Die I/O-Baugruppe wandelt nach diesem Verfahren alle acht Kanäle parallel, so dass am Ende eines Profinet-Taktes immer 8 × 8, also 64 Messwerte, an die CPU übertragen werden.

Entsprechend gibt der Anwender für die Analog-Ausgabebaugruppe je Kanal acht Werte auf einmal vor. Die Baugruppe gibt diese Werte dann alle 125 µs selbstständig an den Prozess aus.

Messwerte skalieren

Analog-Eingabebaugruppen erfassen rein physikalisch betrachtet Ströme beziehungsweise Spannungen und wandeln diese in ein für die Steuerung verarbeitbares, hexadezimales Format um. Letztendlich verbirgt sich jedoch dahinter immer eine technologische Prozessgröße wie etwa Druck, Länge oder Drehmoment. 

Während bei der Messung mittels Thermoelement (TC) oder Widerstandsthermometer (RTD) der Temperaturwert direkt ins Anwenderprogramm weitergegeben wird, sind andere technologische Größen im Anwenderprogramm mit speziellen Skalierungsbausteinen weiterzuverarbeiten. Diese belegen Anwenderspeicher und kosten Laufzeit, denn sie müssen für jeden einzelnen Kanal aufgerufen werden.

Bild 3: Kette der Erfassung eines analogen Prozesssignals und Wandlung in hexadezimales Format.

© Siemens

Diese Aufgabe kann aber auch mit einer Analogbaugruppe wie der achtkanaligen ‚AI 8xU/I HF‘ selbst durchgeführt werden, das heißt, sie kann den abstrakten Hexadezimalwert direkt in die vom Anwender gewünschte Größe umrechnen – beispielsweise eine Länge (Füllstand) in Meter. Der Anwender projektiert dazu im Engineering-Tool die Unter- und Obergrenze des zu skalierenden Messwertes. In dem im Bild 3 abgebildeten Beispiel entsprechen beispielsweise 1 V einem Füllstand von 1 m und 5 V einem Füllstand von 10 m. Die Füllstände dazwischen interpoliert die Baugruppe linear. Anstelle des üblichen 16-Bit-S7-Formats liefert sie direkt den Füllstand als Gleitpunktzahl. 

Da durch die Umwandlung in eine Gleitpunktzahl ein 32 Bit Real-Wert abgebildet werden kann, ist es nun möglich, die volle Auflösung des in der Analogeingabebaugruppe verbauten A/D-Wandlers zu nutzen. Damit steht beispielsweise eine Auflösung von bis zu 24 Bit zur Verfügung.

Messbereichsanpassung und Temperatur­bereich skalieren

Bild 4: Durch die Skalierung des Temperaturbereichs erhöht sich die Auflösung bei den Messbereichen ‚RTD‘ und ‚TC‘ auf 21 Bit und damit die Anzahl der Nachkommastellen beziehungsweise die Rechengenauigkeit.

© Siemens

Viele Prozesse nutzen nicht den gesamten Eingangsbereich einer Baugruppe aus. Beispielsweise liefert ein Drucksensor nur 2 bis 7 V, oder bei der Temperaturregelung kommt es darauf an, den Arbeitspunkt möglichst konstant zu halten. In diesem Fall gilt es, die 16 Bit, die das S7-Format liefert, optimal zu nutzen. Mit anderen Worten: Der zu messende Bereich soll möglichst hoch aufgelöst werden, damit etwa eine Temperaturregelung intern mit mehreren Nachkommastellen berechenbar ist. Durch diese Funktion kann die effektive Auflösung der Baugruppe in den Messbereichen ‚RTD‘ und ‚TC‘ auf 21 Bit gesteigert werden.

Bild 4 zeigt schematisch das grundsätzliche Verfahren am Beispiel der Temperaturmessung sowie die zuge­hörige Projektierung im TIA-Portal. Zu sehen ist, dass dem Anwender ohne Skalierung der gesamte Messbereich zur Verfügung steht. Wählt der An­wender einen Arbeitspunkt (Mess­bereichsmittelpunkt) und zwei Nachkommastellen aus, so wird der Messbereich an sich kleiner, dafür ­erhöht sich aber die Anzahl der ­Nachkommastellen. Bei drei Nachkomma­stellen wird der Bereich weiter eingeschränkt. Die oberen und unteren Grenzen werden im TIA-Portal angezeigt.

Bild 4 zeigt diese Umrechnung sehr deutlich: Ohne Skalierung steht dem Anwender der gesamte Bereich von –270,0 °C bis +1.622,0 °C (also ein ­Bereich von 1.892,0 K) auf eine Nachkommastelle genau zur Verfügung. Erhöht man nun die Rechengenauigkeit auf zwei Nachkommastellen bei ­einem Arbeitspunkt von beispielsweise 450,00 °C, so steht nur noch ein Bereich von 124,88 °C bis 775,11 °C (entspricht 650,23 K) zur Verfügung. Dieser Bereich verringert sich weiter auf 65,023 K, wenn bei gleichbleibendem Arbeitspunkt von 450 °C drei Nachkommastellen gewünscht sind. 

Autor:
Norbert Brousek ist Produktmanager bei Siemens.