Häufig geht es bei den "schnellen" Schaltsignalen einer SPS mehr um eine hohe zeitliche Präzision als um eine möglichst kurze Reaktionszeit. Entscheidend ist darum meist nicht die Übertragungs- und Verarbeitungsgeschwindigkeit, sondern die Genauigkeit und zeitliche Auflösung, mit der Signalwechsel erfasst und verarbeitet werden. Liefert eine digitale Eingangsbaugruppe zum aktuellen Signalstatus auch mikrosekundengenau den Zeitpunkt zur letzten Signalflanke, dann ist bei Maschinenreaktionen schon mit einer Standard-SPS eine Präzision erreichbar, die bisher diskret aufgebauten Highend-Lösungen mit programmierbarer Logik vorbehalten war.

Das Gegenstück zu mit Timern bestückten Eingangsbaugruppen sind Ausgabebaugruppen, die den Signalstatus unabhängig vom Kommunikationstakt zu numerisch vorgegebenen Schaltzeitpunkten ändern. Damit ist für Schaltvorgänge eine im Vergleich zum SPS-Zyklus weit höhere zeitliche Auflösung erzielbar. Auf diese Weise lässt sich die Maschinengeschwindigkeit erhöhen und die Produktivität steigern – ohne dass dafür in leistungsfähigere Steuerungen investiert werden muss.

Genau diesem Ansatz folgen beispielsweise die zeitgesteuerten Technologiemodule "TM Timer DIDQ" für die Peripheriesysteme ET 200MP und ET 200SP von Siemens. Sie sind mit einem Mechanismus ausgerüstet, der es ermöglicht, zum neuen Sollstatus des Ausgangssignals auch eine Zeitvorgabe der SPS entgegenzunehmen. Unabhängig vom SPS- beziehungsweise Kommunikationstakt wird der neue Signalstatus mikrosekundengenau zum gewünschten Zeitpunkt auf den Ausgang durchgeschaltet. Leistungsfähige Ausgangstreiber bewirken zudem steile Schaltflanken, so dass die mit den internen Timern erzielbare Präzision bestmöglich an den Aktor weitergegeben wird.

Bei Eingangssignalen versehen die timerbestückten Technologiemodule den geänderten Signalstatus mit der Zeitinformation des Flankenwechsels. Neuer Ist-Status und Zeitstempel werden im nächsten Kommunikationstakt an die SPS übertragen. So kann der Zeitpunkt der Reaktionen auf Eingangssignale hochgenau errechnet und realisiert werden – zuverlässig reproduzierbar, unabhängig vom Zyklustakt und zudem mikrosekundengenau justierbar.

Die Anwendungsmöglichkeiten

Folgendes Beispiel veranschaulicht die Anwendungsmöglichkeiten der beschriebenen Module: In einer Sortieranlage sollen Teile nach Typ, Qualität oder Größe sortiert werden. Die in der Praxis nutzbare maximale Bandgeschwindigkeit hängt dabei oft von der Genauigkeit ab, mit der der Ausstoßer angesteuert werden kann. Das Auslösen des Ausstoßers mit einer zeitlichen Genauigkeit im Mikrosekundenbereich erweitert den Bereich prozesssicherer Bandgeschwindigkeiten ganz erheblich – und damit den mit der Maschine erzielbaren Durchsatz.

Zur Produkterkennung werden zwei aufeinander folgende Flanken eines Eingangssignals erfasst. Aus der Differenz der beiden Zeitstempel kann bei bekannter Bandgeschwindigkeit die Länge des vorbeifahrenden Produktes berechnet werden. Diese Information ist vielfältig nutzbar, sei es zur Iden­tifizierung, zur Sortierung verschiedener Größen oder zur Qualitätssicherung. Die erzielbare Genauigkeit der Längenmessung ist dabei von der Band­geschwindigkeit und der zeitlichen ­Auflösung der Signalverarbeitung abhängig.

Mit den timerbestückten Technologiemodulen kann das Produkt bei einer Bandgeschwindigkeit von 60 m/min und einer Zeitstempelgenauigkeit von 1 µs auf 0,001 mm vermessen werden. Das ist für die meisten Produktionsprozesse mehr als ausreichend – und diese Genauigkeit ist völlig unabhängig von der Performance der CPU oder der Zykluszeit des Feldbusses. Da zu den Eingängen der ET-200-Technologiemodule sowohl eine fallende als auch eine steigende Flanke erfasst, mit der Zeitinformation versehen und zwischengespeichert werden kann, erfordert die Übertragung und Verarbeitung beider Signalflanken nur einen einzigen SPS-Zyklus. So ist die minimal nötige Lücke zwischen den einzelnen Produkten bei der angenommenen Bandgeschwindigkeit und einem 4-ms-Zyklus auf lediglich 4 mm reduzierbar. Davon profitiert nicht nur der Durchsatz der Maschine: Da die benötigte Länge der Transportbänder und Pufferstrecke in aller ­Regel nicht nur von der Zahl und Größe, sondern auch vom Abstand der verarbeiteten Produkte abhängen, kann die Maschine kompakter und mit geringerem Stellflächenbedarf gebaut werden.

Ein Karton fährt an einer Lichtschranke vorbei. Die errechnete Zeitdauer TDiff, in der die Lichtschranke unterbrochen ist, entspricht der Länge des Kartons und kann zur Sortierung oder Qualitätskontrolle heran­gezogen werden.

© Siemens

Eine andere Anwendung der ET-200-Technologiemodule besteht darin, den Schaltzeitpunkt aus Positions- und Bewegungsinformationen abzuleiten; so entsteht ein Nockensteuerwerk. Die dort immer wieder benötigte geschwindigkeitsabhänge Totzeit-Kompensation wird nun durch eine einfache Subtraktion vom errechneten Schaltzeitpunkt realisiert. Durch die auf diese Weise umsetzbare Modularisierung des Nockenwerks in Positionserfassung und Schaltsignalausgabe ergeben sich zudem neue Gestaltungsoptionen. So können für die Positionsinformation nun verschiedene Quellen herangezogen werden, wie etwa eine herkömmliche Zählerbaugruppe (zum Beispiel TM Count 2x2 V) oder auch in­telligente Antriebe, die über Profinet angeschlossen sind. Dabei kann ein ­Antrieb die Positions- und Geschwindigkeitsinformationen für mehrere Ausgabe-Baugruppen liefern, wodurch das Nockensteuerwerk skalierbar strukturiert werden kann. Darüber hinaus lassen sich die benachbarten Nockenausgänge einer Baugruppe verschiedenen Achsen oder Positionsquellen zuordnen. Das erweitert den Freiraum beim Engineering und vereinfacht die Anpassung des Steuerwerks an die jeweilige Aufgabe. Kurzum: Vom Applizieren der Leimspuren auf dem Verpackungskarton über die Rundtaktmaschine bis hin zur Abfüllanlage sind alle Nockensteuerungen mit der gleichen Hardware realisierbar.

So wie sich eine Einschaltflanke positionsabhängig genau bestimmen lässt, können Ein- und Ausschaltflanken auch hochgenau aufeinander abgestimmt werden. Zum Beispiel kann ein in seiner Länge sehr genau definierter Impuls eine Flüssigkeitsmenge präzise dosieren oder gezielt eine Bearbeitung auslösen.

Damit nicht genug: Durch die Präzisions-Timer ist der Steuerungszyklus nicht länger der begrenzende Faktor für die zeitliche Auflösung der Signalverarbeitung. Zyklustakt der SPS und Maschinengeschwindigkeit sind weit weniger als bisher voneinander abhängig. Gleichzeitig entlastet die timer-bestückte I/O-Technik die SPS: Bei der Programmgestaltung können nun Prioritäten gesetzt werden, die bisher der Zykluszeit geopfert wurden. Die Programmstrukturierung kann stärker auf einfache Pflege und Wartung ausgerichtet werden und die Komplexität des Programmablaufes lässt sich reduzieren. Angesichts der zunehmenden Zahl der von einer SPS zu realisierenden Funktionen ist dies ein willkommener Effekt.

Die timerbasierten Baugruppen zum dezentralen Peripheriesystem gibt es derzeit in zwei Ausführungen. Die Baugruppe "TM Timer DIDQ 10x24V" der Familie ET 200SP verfügt über vier Eingänge und sechs Ausgänge. Die 16 Signale der Baugruppe "TM Timer DIDQ 16x24V" aus der Familie ET 200MP sind unterschiedlich konfigurierbar; unterstützt werden bis zu acht Eingänge und bis zu 16 Ausgänge. Bei beiden Baugruppen sind Ein- und Ausgänge, für die kein Zeitstempel erforderlich ist, auch für andere Aufgaben einsetzbar. Eingänge können als Zähler, Ausgänge für pulsweitenmodulierte Signalverläufe konfiguriert werden. Alle Kanäle verfügen über Oversampling-Funktionen.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Mit  timerbestückten Technologiemodulen werden zeitlich kritische Signale deutlich genauer als im SPS-Zyklus verarbeitet. Gleichzeitig entlastet dies die Gesamtkonfiguration, was neuen Spielraum zur Steigerung der Produktivität schafft. So kann bereits eine CPU der mittleren Leistungsklasse die Steuerung einer performanten Maschine übernehmen, und die timerbasierten I/O-Module sorgen für die nötige Präzision, um schnelle Abläufe sicher zu beherrschen.

Autor:
Willi Gagsteiger ist Produktmanager im Geschäftsgebiet Fabrikautomation bei Siemens.