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Der Profi für schnelle Prozesse

01 IO Controller Combibox

02 Funktionsweise des IO Controllers

03 Die Verbindung zwischen SPS und IO Controller erfolgt softwaretechnisch per Device Description File (DDF)

In einigen Prozessen sind die Anforderungen an die Geschwindigkeit derart hoch, dass diese mit dem Timing der SPS nicht oder nur sehr bedingt umgesetzt werden können. Genau für diese Spezialapplikationen wurde der IO Controller konzipiert, der sich mit einem Tablet via Bluetooth einfach bedienen lässt. Sonderlösungen rund um die SPS gehören damit der Vergangenheit an.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung wird zur Steuerung und Regelung von Maschinen und Anlagen eingesetzt und auf digitaler Basis programmiert. Zumeist arbeiten die SPS zyklusorientiert. Dabei beinhaltet ein Zyklus die Feststellung der Betriebsbereitschaft aller angeschlossenen Baugruppen durch das Betriebssystem, die Aktualisierung des Prozessabbilds aller Eingänge inklusive der Abfrage der Stati aller Eingangskarten, die Erstellung des Prozessabbilds der Ausgänge durch das Anwenderprogramm und die Übertragung des Prozessabbilds an die Peripherie inklusive der Ansteuerung der Ausgangskarten. Dass die Abarbeitung eines solchen Zyklus typischerweise in 10 ms passiert, hat der SPS den Erfolg in der modernen Automatisierungstechnik verschafft. Allerdings gibt es viele Spezialanwendungen rund um die SPS, für welche die gebotene Geschwindigkeit nicht ausreicht oder die mit der SPS nicht oder nur aufwendig umzusetzen sind. Für solche Aufgaben greifen Maschinen- und Anlagenbauer nicht selten auf Eigenbaulösungen zurück.

Genau solche Applikationen lassen sich nun flexibel und schnell mit dem universellen IO Controller realisieren, unabhängig davon, ob analoge oder digitale Signale zu verarbeiten sind (Bild 1). Die robuste, industrietaugliche Hardware schafft die Basis für schnelle Automatisierungssysteme und eignet sich zum Steuern, Positionieren, Messen & Regeln, Kontrollieren, Überwachen sowie Prüfen & Testen. Als aktive Busklemme passt der IO Controller ideal zur SPS und übernimmt eigenständig alle Sonderaufgaben. Erreichen SPS-Systeme heute 2.000 IO-Operationen pro Sekunde, so führt das Turbo-Modul in der gleichen Zeit 200.000 analoge Mess-, Regel- und Rechenoperationen aus und ist damit um das 100-fache schneller als jede übliche SPS. Die SPS-CPU wird entsprechend entlastet. Oft erübrigt sich so auch der Einsatz besonders leistungsfähiger und teurer SPS. Als Embedded Unit für den Industrie- PC schafft der Controller die smarte Vernetzung von Sensoren und Aktoren und garantiert so ein schnelles Prozesshandling. Der Controller ist für die Anbindung an alle wichtigen Bussysteme, wie Profinet, Ethercat, Modbus und Ethernet TCP/IP, ausgelegt und kann exakt auf jede Aufgabe abgestimmt werden (Bild 2).

Für alle Sonderaufgaben prädestiniert
Der IO Controller im Alu-Strangguss- Gehäuse ist per Tragschiene schnell montier- und problemlos installierbar. Es gibt ihn in zwei Versionen: Die Combibox A wurde besonders für extrem schnelle, analoge und digitale Signalverarbeitung konzipiert. Die Combibox D wurde für eine schnelle digitale Signalverarbeitung entwickelt. Beide sind als Busklemme beliebig kaskadierbar und eignen sich gleichermaßen gut für den stationären oder mobilen Einsatz. Die Verbindung zwischen SPS und IO Controller erfolgt hardwaretechnisch per Kabel und softwaretechnisch per Device Description File (Bild 3). Zwischen SPS- und IO-Controller- Applikation wird problemlos miteinander kommuniziert. Jedes Kommunikationsprofil verfügt über ein eigenes Device Description File, welches als Open Source Software zusammen mit der jeweiligen Beschreibung im Web geladen wird. Die Zykluszeit einer SPS bestimmt das kleinstmögliche Zeitraster zur Abfolge beliebiger SPS-Operationen. Kürzere Prozess-Timings sind mit einer SPS nicht zu realisieren. Für den IO Controller als intelligentes Subsystem gilt diese Begrenzung nicht. Die Kombination beider in einem SPS-Projekt erlaubt einen dualen Betrieb: Alle zeitkritischen Operationen übernimmt der IO Controller. Für Steuerungsaufgaben ist weiter die SPS zuständig. Der IO Controller als aktive Busklemme führt ohne jede Bus-Belastung parallel zur SPS-CPU selbstständig beliebige analoge oder digitale Operationen aus. SPS-Projekte werden kostengünstiger, die Programme transparenter und die Inbetriebnahme schneller. Außerdem wird bei den E/A-Strukturen gespart. Bei der gleichen E/A-Anzahl benötigt der IO Controller deutlich weniger Platz als Busklemmensysteme und ist zudem auch preisgünstiger.

Einfach per Tablet bedienen
Zu typischen Applikationen gehören die ultraschnelle Kraftmessung und die Hüllkurvenüberwachung. Außerdem lässt sich der IO Controller als HighSpeed- PID-Regler und Analogrechner einsetzen. Mit der Turbo-Steuerung lassen sich Spitzenwerte von mehr als 5 μs messen und überwachen. Ein praktisches Anwendungsbeispiel soll zeigen, wie der IO Controller in einem SPS-Projekt, als schnelle Mess- und Überwachungskomponente die SPS effizient entlastet. Für alle Operationen und Funktionen, die schneller als ein SPS-Zyklus sein müssen, ist die aktive Busklemme zuständig: Innerhalb eines SPS-Projekts müssen die Maxwerte von sechs Analog- Sensoren gleichzeitig überwacht werden. Überschreitet einer der Sensorsignale 1 … 6 für wenigstens 8 μ s einen Grenzwert, muss dies zum sofortigen Maschinenstillstand führen. Abhängig von den Digitaleingängen Messen 1 oder Messen 2, muss die Differenz der Mittelwerte von Sensorsignal 2 + 3 oder Sensorsignale 5 + 6 pro SPS-Zyklus ermittelt und als Istwert der SPS bereitgestellt werden. Die Grenzwerte von und die errechneten Mittelwerte zur SPS werden via Profinet oder Ethercat vorgegeben. Für solche High-Speed-Analog-Messungen ist die Kombination von IO Controller und SPS technologisch und wirtschaftlich eine ideale Lösung. Realisierbar ist diese Applikation auch mit einem Industrie-PC. Bedient wird der IO Controller einfach per Tablet. Somit lassen sich alle Prozesse zum Beispiel mit i-Pad oder i-Phone via Bluetooth kontrollieren. Dazu ist nur die App „ioAPP“ zu laden und schon kann mit der Bedienung gestartet werden.

Control-CPU und FPGA programmierbar
Den IO Controller gibt es bereits in der Basisversion mit vielen mächtigen Standard-Funktionen. Die Control-CPU und/oder das FPGA sind programmierbar. Daraus resultiert eine hohe Anwendungs- und Funktionsvielfalt für alle Sonderaufgaben der Automatisierung. Die Control-CPU STM32 steuert und koordiniert alle Funktionen. Die Programmierung erfolgt in „C“ via Coo-Cox oder Atollic True Studio. Der IO Controller A verfügt über zwölf Ultra- Speed-Processing-Analogeingänge mit 16 Bit Auflösung inklusive Vorzeichen. Die maximale Samplingrate der AD-Wandler beträgt 200 kSpS pro Kanal oder 5 μs/Sample. Dies entspricht einer Abtastrate von 200 kHz, was einer bisher unerreichten Präzision und Dynamik in der analogen Signalverarbeitung entspricht. Diese Reaktionszeiten sind möglich, da der programmierbare FPGA alle Ein- und Ausgänge ultraschnell sowie beliebig logisch und mathematisch verknüpfen kann. Die Programmierung erfolgt in „VHDL“ via Quartus II Web-Edition. Zwei Varianten zur Erstellung einer maßgeschneiderten Applikation stehen zur Wahl: Auf der Basis eines Pflichtenhefts erstellt der Hersteller oder einer seiner OEM-Partner die individuelle Applikation für den IO Controller. Der Anwender kann aber auch selbst die Applikation mit dem Software Development Kit SDK erstellen. Um die Software der Applikation online zu laden, zu optimieren und zu testen, werden der PC und der IO Controller über die beiden JTAG-Programmieradapter miteinander verbunden. Auch für bereits vorhandene Anwendungen lässt sich der IO Controller problemlos nachrüsten.

Fazit
Mit der robusten Hardware und der einfachen Systemintegration fügt sich der IO Controller problemlos in jedes SPS-Projekt ein. Präzise und schnell erfüllt er alle Sonderaufgaben, die eine SPS nicht kann. Die neue Automatisierungsklasse eröffnet neue Perspektiven für viele interessante und kreative Automatisierungsideen. Ebenso verfügt jeder Industrie-PC über einen operativen Partner, der eigenständig jeder individuellen Automatisierungsaufgabe gerecht wird, vor allem, wenn die schnelle Signalverarbeitung analoger Signale gefordert ist. Wo Standard endet, beginnt die Welt des IO Controllers. Für alle Spezialaufgaben der Automatisierung ist die programmierbare Hardware immer die erste Wahl. (hz)

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