Mehr Qualität bei reduzierter Komplexität

DER AUTOR Dipl.-Ing. Stefan Pollert, Produktmarketing I/O- Systems im Geschäftsbereich I/O and Networks, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont

Unter Synchronität ist die zeitliche Vereinfachung von zwei oder mehreren gleichen Vorgängen zu verstehen. Je größer eine Anlage wird, desto mehr Informationen werden generiert oder benötigt. Gerade wenn Bewegungen ausgeführt werden sollen, erweist sich daher eine einheitliche Ordnung mit zeitlich exaktem Bezug von Vorteil. Übertragen auf die Automatisierungstechnik besagt dies, dass mechanische Abläufe und elektrische Ereignisse in einen sinnvollen zeitlichen Bezug zu bringen sind. Dabei spielt die Signalübertragung und -verarbeitung eine entscheidende Rolle. Aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten der Signale in den verschiedenen Komponenten können allerdings Probleme auftreten. Dies vor dem Hintergrund, da mechanische Module anders auf die Laufzeiten einwirken als elektronische Geräte. Aber auch im Vergleich elektronischer Systeme gibt es unterschiedliche Einflüsse der Signallaufzeiten. In diesem Zusammenhang wird von Latenzzeit gesprochen, die die Koordination von Abläufen beliebig komplex macht.

Können gleiche Aufgaben – beispielsweise die Weiterleitung von Signalen über Kommunikationswege – in eine einheitliche Ordnung überführt, also synchronisiert werden, vereinfacht das die gesamte Lösung. Die Steuerung komplizierter Antriebssysteme hat in diesem Kontext höchsten Anforderungen zu genügen. Als Beispiele seien Verpackungs- und Holzbearbeitungsmaschinen sowie Pick & Place-Automaten genannt, wo eine exakte Synchronisation immer dann notwendig ist, wenn räumlich verteilte Prozesse gleiche Aktionen nach sich ziehen, zum Beispiel mehrere Servo-Achsen gleichzeitig koordinierte Bewegungen ausführen sollen. Im Umfeld der Automatisierungstechnik stehen heute nur wenige Kommunikationssysteme zur Verfügung, die eine synchrone Signalübertragung sicherstellen können.

Mit Profinet IRT (Isochronous Real Time) sind beispielsweise Anwendungen mit Zykluszeiten von weniger als 31,25 µs und einem Jitter unter 1 µs möglich. Erreicht wird dies durch die Verwendung eines Verfahrens, in dem die Signallaufzeiten eindeutig vorherbestimmt (deterministisch) sind. Noch exakter arbeitet der Übertragungsstandard Sercos III, der ebenfalls Zykluszeiten von minimal 31,25 µs bei einer Synchronisations-Genauigkeit (Jitter) von weniger als 20 ns erlaubt. Die hohe Genauigkeit resultiert dabei aus einem speziellen Zeitschlitzverfahren. Als weiteres Kommunikationsprotokoll ist Ethercat anzuführen, das mit Zykluszeiten von kleiner 100 µs und einem Jitter von unter 1 µs derzeit den größten Marktanteil bei den Echtzeitsystemen hält. Ethercat basiert auf dem Ansatz exakt abgeglichener verteilter Uhren, die sich auf den für Synchronisationsaufgaben vorgesehenen Slaves befinden.

Hier stellt sich die Frage, welche Vorteile derartige technische Eigenschaften zur Synchronisation bringen. Überall dort, wo Antriebe eine Positionieraufgabe umsetzen müssen, finden sich in der nahen Umgebung Anwendungen für synchrone I/O-Systeme und -Module. Ihr Nutzen lässt sich anhand des fiktiven Beispiels eines hydraulischen Antriebs verdeutlichen, der in einer Presse für Dämmplatten verbaut ist. Die Komplexität einer solchen Presse besteht darin, die verschiedenen Dämmstoffe gemäß den Ansprüchen der jeweiligen Endkunden in unterschiedlichen Qualitätsmerkmalen zu fertigen. Zu den Merkmalen zählen die genutzten Materialien sowie die Fügekräfte bei der Verarbeitung. Für die Anforderungen an die Automatisierungstechnik bedeutet dies, dass Anlagenteile flexibel sowie mit einer hohen Wiederholgenauigkeit auf verschiedene Aufträge umgerüstet werden müssen.

Die Presse setzt sich aus Ober- und Unterstempel zusammen. Je zwei Zylinder mit hydraulischem Antrieb bewegen die einzelnen Stempel. Um den Prozess mit einer hohen Wiederholgenauigkeit zu regeln, werden die Messgrößen des Pressdrucks sowie der ausgefahrenen Position der Hydraulikzylinder aufgenommen. Ein Sensor, der über einen analogen Eingang der I/O-Station aus der Axioline-F-Familie von Phoenix Contact erfasst wird, stellt die Vorgabe für den Pressdruck zur Verfügung. Die Positionsinformation, die ein inkrementeller Längsgeber erzeugt, wird per Inkrementalgeber-Schnittstelle in das I/O-System eingebunden. Die Regelung des Hydraulikdrucks übernimmt ein Ventil, das sich über einen analogen Ausgang ansteuern lässt.

Damit der gewünschte Pressdruck möglichst schnell und exakt erreicht wird, müssen die entsprechenden Sollpositionen der Stempel parallel kommuniziert werden. Die I/O-Sta- tion Axioline F erhält die Daten zwar seriell, die Ansteuerung der analogen Ausgänge zur Sollwertvorgabe lässt sich jedoch zueinander synchronisieren; die Informationen also logisch parallel übertragen. Da eine hohe Wiederholgenauigkeit nur dann gegeben ist, wenn der Pressdruck sowie die Positionen jedes Stempels deterministisch und synchron in der Steuerung vorliegen, eignet sich das Axioline-F-System hier besonders. Dies, weil das überlagerte Netzwerk den Synchronisa-tions-Mechanismus vorgibt und sich der Bus-koppler mit dem Lokalbus auf dessen Zyklus synchronisiert. Zudem kennt der Buskoppler die Information der Update-Zeit des analogen Eingangs. Bei den Standard-Analogeingängen sind das 250 µs. Im beschriebenen Szenario beträgt der Lokalbuszyklus 4 µs.

Entsprechend dem in der Anlage genutzten Konzept wird eine Zykluszeit des überlagerten Netzwerks von typischerweise 2 ms verwendet. Im Beispiel der Dämmplatten-Presse werden die Daten an der Axioline-F-Station demnach jeweils nach 2 ms vom überlagerten Netzwerk abgeholt. Durch den Synchronisations-Mechanismus startet der Analogeingang die Messung nach 1,746 ms, weshalb die Analogdaten so aktuell wie möglich an den Zyklus des überlagerten Netzwerks übergeben werden können. Das Verfahren lässt sich auch auf einen im Netzwerk gültigen Synchronisationsimpuls anwenden. Dies ermöglicht eine absolut deterministische und synchrone Kommunikation, selbst wenn sich die Analogmodule in zwei getrennten I/O-Stationen befinden. Somit können auch teure Regeleinheiten entfallen, da sie durch das synchrone Axioline-F-I/O-System ersetzt werden.

Die elektrische Königswelle zum Verfahren beweglicher Maschinenteile stellt ein weiteres Beispiel dar. Zur Erfassung der Position des zu verschiebenden Elements lassen sich mehrere räumlich getrennte SSI-Lineargeber einsetzen, wobei jeder Geber einem Antrieb zugeordnet sein kann. Aufgrund des synchronen Auslesens der SSI-Lineargeber werden nicht nur die aktuelle Position, sondern auch einzelne Soll/Ist-Abweichungen gegenüber den anderen Antrieben ermittelt. Dies ist besonders dann wichtig, wenn sich mechanische Elemente nicht verkanten dürfen. Wegen der synchronen Positionserfassung können kostengünstige Antriebe Maschinenelemente einfach und wirtschaftlich parallel verfahren.

Durch das unabhängige Konzept der Produktfamilie Axioline F lassen sich mit den genannten Kommunikationsprotokollen Profinet IRT, Sercos III und Ethercat Synchronisations-Funktionen realisieren. Der Lokalbus erlaubt eine exakte Umsetzung der Synchronität über das Netzwerk bis in die Applikation. Dabei bestimmt nicht Axioline F die Performance der Synchronisierung, sondern allein das überlagerte Netzwerk. Das I/O-System von Phoenix Contact trägt also dazu bei, Lösungen für komplexere Automatisierungsaufgaben zu vereinfachen, sodass der Anwender Zeit bei der Planung und Realisierung seiner Applikation einspart. ge

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Der Axioline-F-Buskoppler stellt das Bindeglied zum entsprechenden I/O-System dar. Anschließen lassen sich bis zu 63 Axioline-F-Module, wobei sich die Lokalbus-Zykluszeit pro Module lediglich um 1 µs erhöht. Bei einem zusätzlichen Lokalbus-Offset von 2 µs beträgt die Lokalbus-Zykluszeit einer typischen Axioline-F-Station nur 10 µs. Die Buskoppler sind dabei so entwickelt worden, dass sich für die Umsetzung der Lokalbus-Daten auf das überlagerte System keinerlei Verzögerung ergibt. Selbst bei einer Zykluszeit des überlagerten Netzwerks von 31,25 µs werden stets die aktuellen Daten übermittelt oder verarbeitet. Die synchrone Ausgabe mehrerer digitaler Standard-Ausgänge erfolgt mit einer Genauigkeit von weniger als 1 µs zueinander.