Was heute in der Automatisierung zählt, sind Reaktionszeiten. Also die Zeit vom Erkennen eines Eingangssignals bis zur Änderung eines damit verknüpften Ausgangssignals. EinAutomatisierer hat diese Reaktionszeiten nun auf 1 µs gesenkt -und dabei die Steuerungstechnik mit Standard-Hardware realisiert, die sich IEC-61131-kompatibel programmieren lässt.

Schnelligkeit nimmt in bestimmten Anwendungen direkten Einfluss auf die Produktqualität. So muss zum Beispiel der Druck beim Formen von PET-Flaschen präzise geregelt sein. „Denn je präziser der Druck geregelt wird, desto dünner kann die Wand der Flasche sein", erklärt Anton Meindl, Business Manager Controls bei B&R. Weitere Beispiele aus dem Spritzgießbereich sind eine exakte Drehzahl- oder Positionsregelung. Auch in der Druckindustrie sind schnelle Funktionen nötig. „Wenn Papier in eine Maschine läuft, muss die Kante bei einer sehr hohen Geschwindigkeit erkannt werden", so Meindl.
Herkömmliche I/O-Technik arbeitet mit einer Reaktionszeit von rund 1 ms. „Eine Reak­tionszeit von 1 ms ist jedoch für bestimmte Anwendungen mittlerweile zu langsam", merkt Meindl an. „In Abfüllanlagen für Getränkeflaschen beispielsweise muss die Steuerungstechnik das Signal des Füllstandsensors schneller verarbeiten, um ein optimales Ergebnis zu erzielen."
Die Reaktionszeit hing bislang von mehreren Faktoren ab: der Netzwerk-Performance, also der Anzahl der Knoten im Netzwerk und der Netzwerklast, sowie der Leistungsfähigkeit der Steuerung. Bei der Signalverarbeitung tastet der Eingangstreiber eines I/O-Moduls das Eingangssignal ab und wandelt es in ein Logiksignal um. Dieses wird dann über das Netzwerk an die zentrale Steuerung geschickt. Die SPS verarbeitet das ­Signal und überträgt es wieder zum Modul. Die Ausgangs­treiber wiederum setzen das Signal um und übertragen es an den Bestimmungsort. Reaktionszeiten im Millisekunden-Bereich lassen sich auf diese Art nicht wesentlich unterschreiten.

Signalverarbeitung in I/O-Module integriert

„Bei der Entwicklung der reAction Technology haben wir uns das Ziel gesetzt, die Signalverarbeitungszeit massiv zu beschleunigen und weitestgehend in die I/O-Module selbst zu ­integrieren", so Meindl. „Gleichzeitig wollten wir die Vorteile einer zentralen Software-Haltung beibehalten. Die neue B&R-Technologie verkürzt die Reaktionszeit zwischen Erfassung des Eingangssignals und Ausgabe des Steuerungssignals auf 1 µs."
Die B&R-Technologie beruht auf einem I/O-Modul mit integriertem FPGA (Field Programmable Gate Array). „Für einen FPGA-Chip haben wir uns entschieden, weil er ­Signale parallel und schnell verarbeiten kann", erklärt Meindl. Bei rund zehn verschalteten Funktionsblöcken beträgt die Abarbeitungszeit im FPGA rund 0,8 µs.

FPGAs schnell und einfach programmieren

Bislang waren FPGAs schwer zu programmieren. Mit der neuen Technologie können Maschinenbauer die FPGAs wie gewohnt in der Automatisierungs-Software Automation Studio handhaben und programmieren. Sie erstellen Programme samt Parameter in Form von Funktionsblöcken nach IEC 61131, auch die Kommunikation zwischen I/O- und CPU-Tasks erfolgt in bewährter Weise über den Austausch der Prozessvariablen. An logischen Operationen sind etwa AND, OR, XOR oder NOT möglich. Ebenso lassen sich arithmetische Operationen wie ADD, SUB, MUL, DIV sowie FlipFlop, PWM, Komparator und Zähler realisieren. Die per Funktionsblock erstellten Verschaltungen lassen sich wie klassischer Steuerungscode testen. Die Simulation erfolgt durch Ausführung der Module auf der Steuerung. Funktioniert alles einwandfrei, erfolgt die Zuweisung der Software-Funktion auf die ausführende Hardware-Komponente durch Anpassung der Hardware-Konfiguration in Automation Studio.
„Die reAction Technology erlaubt es also, mit gewohnt einfacher Software-Programmierung hinsichtlich der Geschwindigkeit eine neue Dimension zu erreichen", so Meindl. Im Interesse einer möglichst universellen Verwendbarkeit lassen sich die Funktionsblöcke zur lokalen Ausführung dynamisch in die Module nachladen.

Reaktionszeit von Systembus und Zentralsteuerung unabhängig

Da bei der reAction Technology die Signale ­direkt im Modul verarbeitet werden, sind Reaktionszeiten nicht mehr vom vorhandenen Systembus oder der zentralen Steuerung abhängig. „Die reAction Technology bietet immer die gleiche schnelle Performance", merkt Meindl an. „Andere Lösungen am Markt erreichen entweder nicht dieselbe Geschwindigkeit oder sie schränken die Maschinenbauer hinsichtlich Flexibilität und Programmierung ein."
Die Signalverarbeitung mit der reAction Technology läuft wie folgt ab: Der Eingangstreiber tastet das Eingangssignal mit einer Auflösung von 20 ns ab und wandelt es in ein Logiksignal um. Anschließend verarbeitet das FPGA das ­Signal mit Zykluszeiten von bis zu 1 µs. Das resultierende Ergebnis wird wieder an den Ausgangstreiber des I/O-Moduls übermittelt. Das Modul setzt diese Information um und gibt ein physikalisches Signal aus. Das FPGA übernimmt also bestimmte Steuerungsfunktionen der Steuerung und entlastet sie dadurch.
„Da die reAction Technology die Zentralsteuerung wesentlich entlastet, kann die SPS kleiner dimensioniert werden", so Meindl. Das bedeutet, Maschinenbauer können mit einer Steuerung, die im Millisekunden-Bereich arbeitet, eine Reaktionszeit im Mikrosekundenbereich erreichen. „Für welche Prozessorgröße der SPS sich der Anwender entscheidet, hängt also nicht mehr von Spitzengeschwindigkeiten in speziellen Funktionen ab, sondern allein von der durchschnittlichen Auslastung der Applikation", ergänzt Meindl. Die reAction Technology ist sowohl auf I/O-Modulen des X20- und X67-Systems als auch auf den neuen X20-Kompaktsteuerungen verfügbar. Drei Module mit unterschiedlicher I/O-Konfiguration stehen bereit: zwei X20-Module (X20RT8001 und X20RT8201) und ein X67-Modul (X67BC81RT).

Die X20- und X67-Module

Die X20-Module in IP20-Ausführung verfügen über vier digitale Eingänge mit variablem Eingangsfilter und weitere vier konfigurierbare ­digitale I/Os, deren physikalische Wandlungszeit unter 2 µs liegt. Das Modul X20RT8201 hat zusätzlich zwei Analog-Eingänge (±10 V) mit 12 Bit Auflösung und 5 µs Wandlungszeit. Das X67-Modul in IP67-Ausführung stellt zwei digitale Eingänge (24 V DC) und weitere drei Eingänge (5 V DC) sowie vier konfigurierbare I/Os bereit. Neben zwei Analog-Eingängen wurde ein Analogausgang (±10 V) mit 12 Bit Auflösung zusätzlich integriert.An Kompaktsteuerungen mit reAction Technology bietet B&R zwei Modelle: X20CP1381-RT und X20CP1382-RT. Die Kompaktsteuerungen gibt es mit 200 MHz und 400 MHz Prozessor-Performance. Je nach Variante sind bis zu 256 MByte Arbeitsspeicher und 16 kByte nullspannungssicheres RAM verfügbar. Für ­Applikation und Datenablage steht ein fest eingebautes Flash Drive mit bis zu 4 GByte zur Verfügung. Die Steuerungen verfügen über Ethernet, USB und RS232-Schnittstelle. In beiden Leistungsklassen sind zusätzlich Powerlink und CAN als integrierte Schnittstelle verfügbar.