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Ein Geschwindigkeitsvergleich: Eine Mikrosekunde reicht gerade aus, dass die Gewehrkugel die Oberfläche des Apfels anritzt

Schnell, schneller, Reaction Technology

01 Markus Sandhöfner ist Geschäftsführer der B&R Industrie-Elektronik GmbH in Bad Homburg

02 Kompakte X20-Steuerung und IP20-Module der X20-Serie mit Reaction Technology

03 Das Prinzip der Reaction Technology: Optimal auf hohe Geschwindigkeit getrimmt

Mit der Reaction Technology lassen sich die Zykluszeiten in der Automatisierung auf 1 μs senken. Besonders zeitkritische Teilaufgaben werden IEC-61131-3-kompatibel in Standard-Hardware realisiert. Die Steuerung wird entlastet und kann deshalb kleiner dimensioniert werden. Die etz-Redaktion sprach mit Markus Sandhöfner, Geschäftsführer von B&R Deutschland, über die Technologie.

Die Forderung nach schnellster Automatisierung ist nicht neu. M. Sandhöfner (Bild 1) nennt ein Beispiel: „Wenn Papier in eine Maschine einläuft, muss bei hohen Geschwindigkeiten die Kante erkannt werden“ Oder beim Umschalten in Spritzgießmaschinen sind ebenfalls schnelle Reaktionen erforderlich. „Schnelligkeit hat hier direkten Einfluss auf die Qualität“, weiß der Diplom-Ingenieur. „Diese und weitere Aufgaben, wie die Realisierung von Nockenschaltwerken, konnten bisher bereits Servoumrichter der Acopos- Reihe mit Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich übernehmen.“ Doch nicht überall kommen elektrische Antriebe zum Einsatz. Dann sind die IO-Module mit Reaction Technology gefragt. Und es gibt noch weitere Aufgaben, zum Beispiel aus der Messtechnik: „Wenn in einer Tablettenpresse mit einem Ausstoß von mehreren hunderttausend Stück pro Stunde für jede einzelne Tablette mehrere Parameter wie Druck als Maximal- und Mittelwert kontinuierlich überwacht werden müssen, ist es erforderlich, diese Werte in wenigen Mikrosekunden zu erfassen und auszuwerten“, schließt der Geschäftsführer an. Um solche Aufgaben auch mit IOModulen realisieren zu können, hat B&R die Reaction Technology eingeführt.

„Wir erschließen damit neue Dimensionen für Maschinenbauer“, betont M. Sandhöfner. „Unsere Reaction Technology eignet sich für alle Vorgänge, die sehr schnell ausgewertet und erfasst werden müssen oder ultraschnelle Reaktionszeit erfordern.“ Warum eignet sich dafür vor allem eine dezentrale Lösung? „Sicher sind mit Echtzeit-Ethernet auch schnelle Lösungen möglich“, setzt er fort. „Allerdings nicht in dieser Dimension: Reaction Technologie ist um den Faktor 100 schneller als alle zentralen Ansätze. In der Kette Sensor, Kommunikation zur zentralen Steuerung und wieder Kommunikation zum IO-Modul geht Zeit verloren. Darüber hinaus sind die Software- Tasks in der zentralen Steuerung oft der Flaschenhals.“ Die gesamte Reaktionszeit hängt bei zentralen Lösungen von der Netzwerk-Performance, also der Anzahl der Knoten im Netz und der Netzwerklast, und der Leistungsfähigkeit der Steuerung ab. Um bei dieser Lösung eine hohe Geschwindigkeit zu erreichen, sind schnelle Prozessoren unabdingbar. Dies führt schnell zu hohen Kosten. „Da Reaction Technology die Zentralsteuerung in diesem Punkt wesentlich entlastet, kann die SPS kleiner dimensioniert werden. Für welche Prozessorgröße der Zentralsteuerung sich der Kunde entscheidet, hängt allein von der durchschnittlichen Auslastung der Applikation ab, jedoch nicht von Spitzengeschwindigkeiten in speziellen Funktionen“, weiß der Manager. „Selbst bei Maschinen mit mehr als 20 Hochgeschwindigkeitsfunktionen lohnt sich immer noch der Einsatz der Reaction Technology anstelle größerer CPU in der Zentralsteuerung.“ Mit Reaction Technology werden im Funktionsblock-Editor erstellte Programme direkt in IO-Modulen der X20- und X67-Serie ausgeführt (Bild 2). Diese lassen sich beliebig an andere IO-Module dieser Serien anreihen. „Module mit Reaction Technology können mit den anderen IO-Baugruppen beliebig angeordnet werden“, bestätigt M. Sandhöfner.

Komplette Unabhängigkeit für dezentrale Aufgaben
„Für die dezentralen Aufgaben besteht mit Reaction Technology eine komplette Unabhängigkeit von der zentralen Steuerung und dem vorhandenen Systembus“, schließt der B&R-Manager an. „Die Reaction Technology bietet immer die gleiche Performance, und zwar unabhängig davon, welche und wie viele Maschinenoptionen in der modularen Anwendung zum Einsatz kommen. Dabei spielt es ebenfalls keine Rolle, ob es sich um eine Highend-, Midrange- oder Lowend-Maschine handelt.“ „Für die Reaction Technology kommen FPGAs zum Einsatz, weil sie schnell, parallel Daten verarbeiten“, erläutert M. Sandhöfner. „Der Hauptnachteil der FPGA war bisher, dass diese schwer zu programmieren waren. Das haben wir gelöst: Die FPGA können im Projektierungswerkzeug Automation Studio wie gewohnt gehandhabt und programmiert werden. Dafür sorgt eine IEC-61131-kompatible Funktionsblock-Bibliothek, mit deren Hilfe der Programmierer im Standard-FUB-Editor von Automation Studio seinen Prozess parametriert.“ Diese Vereinfachung des Engineering- Aufwands ist deshalb so wichtig, weil die Programmieraufwendungen der Maschinen- und Anlagenbauer immer höher werden und laut M. Sandhöfner bereits oft das Niveau der Hardwareausgaben übertreffen. „Eine weiterer Punkt, den wir für den Anwender so einfach wie möglich realisiert haben, war das Debugging“, setzt der Chef der deutschen Niederlassung fort. Wie lassen sich die frei gestaltbaren, in den FPGA integrierten Codes debuggen? „Die per FUB erstellten Verschaltungen lassen sich wie klassischer Steuerungscode testen, bevor sie in den FPGA übertragen werden“, schließt er an. „Damit wissen die Anwender sicher, ob ihr Programm zur gewünschten Lösung führt.“

Neue Dimension der Geschwindigkeit
Auf der Fachmesse SPS IPC Drives wurde auf dem Stand von B&R ein Beispiel mit einer rotierenden Scheibe gezeigt: Die Zeit, wie lange das Signal aus dem Sensor über die Verarbeitung im Modul bis zum Schalten des Ausgangs benötigt, beträgt hier 1 μs. „Wichtig bei unserer Technologie war es, die Filterzeit innerhalb des IO-Punkts auf ein Minimum zu reduzieren“, betont M. Sandhöfner. „Ein Funktionsblock wird innerhalb von 20 ns abgearbeitet.“ So beträgt bei dem Exponat der Reaction Technology auch die Summe aus Wandlungs-, Filter-, Verarbeitungszeit sowie der Umwandlung in ein analoges Signal selbst bei umfangreichen Aufgaben nur bis 1,4 μs (Bild 3). „Wir erreichen hinsichtlich der Geschwindigkeit eine neue Dimension, die vorher nicht möglich war“, betont der Geschäftsführer. „Mit anderen Lösungen im Markt wird entweder nicht unsere Geschwindigkeit erreicht oder es gibt Einschränkungen bei Flexibilität und Programmierung.“

„Reaction Technology ist ein wesentlicher Baustein des Solution-Programms Scalability+, mit dem es Maschinenbauern gelingt, neben dem Highend- Bereich auch das mittlere Spektrum zu besetzen, ohne bei der Automatisierungstechnik Systembrüche hinnehmen zu müssen“, freut sich M. Sandhöfner. Somit wird eine genau auf die Anforderungen der Kunden angepasste Automatisierung zur Verfügung gestellt. Die einmal geschriebene Software können Maschinenbauer für eine Erweiterung der Maschinenfamilie wiederverwenden und unterschiedliche Leistungsausprägungen ihrer Maschinen generieren. So können sie sehr effizient Märkte bedienen, in denen die Highend-Maschinen überdimensioniert sind. Auf dieser Basis können Maschinenbauer mit minimalem Investment in Midrange- Maschinen neue Märkte erschließen und den Weg bereiten für den zukünftigen Verkauf ihrer Topmaschinen.

Fazit
Die Reaction Technology ermöglicht es, mit gewohnt einfacher Softwareprogrammierung in neue Dimensionen der Geschwindigkeit in der Automatisierung vorzustoßen“, weiß M. Sandhöfner. Er ist überzeugt, dass sich Automatisierungstechnik nun noch besser an die Anforderungen der Maschine ausrichten lässt. (hz)

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