03.09.2014

Automatisierung im Sub-Millisekundenbereich

Das Reaction-Technology-Konzept von B&R, erläutert im Gespräch mit Anton Meindl und Markus Sandhöfner


Bernecker & Rainer Industrie-Elektronik Ges.m.b.H.

Für die Lösung von Automatisierungsaufgaben gibt es immer wieder Situationen, in denen extrem schnelle Reaktionszeiten notwendig sind, sei es um eine Funktion überhaupt erst möglich zu machen oder die Qualität sicherzustellen bzw. die Produktionsleistung zu erhöhen. Während die klassische Automatisierungstechnik mit Reaktionszeiten im Bereich von Millisekunden agiert, geht es hier um Mikrosekunden. "Das Thema ist nicht neu", erläutert uns Anton Meindl. Er ist Business Manager Controls bei B&R. "Die Anforderungen hat es schon seit vielen Jahren und in vielen Anwendungen gegeben, mögen das nun Anwendungen in Papiermaschinen, Druckmaschinen oder in Spritzgießmaschinen gewesen sein: Für solche Aufgaben musste der Anwender immer auf proprietäre Spezialhardware zurückgreifen - mit all den Problemen, die dadurch entstehen."

Standard statt proprietär

Mit der Reaction Technology hat B&R im vergangenen Jahr ein System vorgestellt, das die Anforderungen solch extrem schneller Anwendungen aus dem Standard-System erfüllt. Markus Sandhöfner, Geschäftsführer Deutschland bei B&R, erläutert:"Neu ist, dass wir diese Anforderungen mit Reaction Technology heute aus dem Standard-Automatisierungsbaukasten von B&R abdecken können und damit auch die Probleme eliminieren, die durch den Einsatz proprietärer Geräte entstehen, weil diese immer einen Systembruch darstellen." Bereits seit vielen Jahren hatte B&R selbst Spezial-Lösungen für bestimmte Branchen im Sortiment, beispielsweise für die Druckmarkenerkennung oder für Regelungsumschaltung in Spritzgießmaschinen. Mit Reaction Technology hat man die Erfahrungen aus diesen Spezialanwendungen auf eine universelle Plattform portiert. Meindl dazu: "Reaction ist ein offenes System mit einem universellen Zugang. Die Programmierung von Reaction - und das ist der große Unterschied - erfolgt mit den Standard-IEC-Editoren, dem Funktionsblockeditor im Automation Studio 4. Damit ist für diese Applikation kein Spezialwissen mehr erforderlich. Wer Applikationen mit Funktionsblöcken schreiben kann, was ja sehr simpel ist, der kann auch Applikationen im Mikrosekundenbereich realisieren!"

FPGA-Technologie als Basis für die Geschwindigkeit

Doch wie funktioniert die Reaction Technology nun genau? Grundsätzlich setzt das System auf FPGA-Technologie auf, was die eingesetzte Physik und die Elektronik angeht. Meindl: "Wir nutzen die Möglichkeiten der FPGAs. Auf dieser Basis haben wir eine programmierbare Hardware entwickelt, um quasi-parallele Prozesse abbilden zu können. Damit erreichen wir Geschwindkeiten, die wirklich heruntergehen bis auf eine Mikrosekunde." Um diese Reaktionszeit zu verdeutlichen, verwendet Meindl ein einfaches Bild: "Mit Reaction Technology könnten Sie theoretisch eine Gewehrkugel aufhalten, die mit voller Geschwindigkeit aus einem Zentimeter Entfernung auf ein Objekt zufliegt."

Integration in das Automation Studio

"Der Clou an der Technologie ist der Programmierzugang und der Zugang im ganzen Konfigurations- und Programmmanagement", erklärt Sandhöfner. "Denn hier bewegen sich Anwender in einem bekannten Bereich: gefühlt programmiert man die Steuerung, also die SPS. Wir haben die ganze komplizierte FPGA-Technologie so einfach handhabbar gestaltet, dass wirklich jeder SPS-Anwender nun Hochgeschwindigkeits-Funktionen programmieren kann. Dazu nutzt er einfach das Automation Studio 4 mit all den Vorteilen einer zentralen Programmierung, einer zentralen Parameterhaltung und einer zentralen Programmverwaltung." B&Rs Engineering-Umgebung Automation Studio 4 erlaubt schon seit vielen Jahren die modulweise Aufteilung der Software auf verteilte Hardware. Um sich das genauer vorstellen zu können: Im Gerätebaum sieht der Anwender natürlich die Module, in denen das Ganze ausgeführt wird. Mit dem Funktionsblock-Editor erstellt er nun sein Programm. Bei dieser Programmerstellung wird er von der Reaction Library unterstützt. Das fertige Programm kann dann wie ein Task auf einer Standard-SPS ausgetestet und simuliert werden. "Das Ganze läuft auf der SPS quasi in Zeitlupe in der Größenordnung Faktor 1000 langsamer, als es dann wirklich auf der Baugruppe ausgeführt wird, aber für Testzwecke ist diese Möglichkeit sehr hilfreich", erläutert Anton Meindl. "Der Unterschied zur Simulation ist abgesehen davon lediglich, dass ich das ganze Programm einem anderen Target zuweise. Dann läuft es Tausendmal schneller, aber mit der gleichen E/A-Zuweisung."

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Die Reaction Hardware

Derzeit gibt es drei Hardware-Module, aus denen der Anwender das für seine Anwendung passende wählt. Weitere sind bereits in der Entwicklung. Meindl dazu: "Die Reaction-Technologie ist derzeit in zwei unterschiedlichen X20-Modulen verfügbar. Beide haben vier digitale Ein- und Ausgänge. Sie unterscheiden sich lediglich darin, dass das X20 RT 8201 zusätzlich über zwei Analogeingänge verfügt. Die Module werden wie Standard-E/A-Module beliebig in das X20-System gesteckt. Für Anwendungen außerhalb des Schaltschrankes gibt es darüber hinaus eine Baugruppe im X67-System in IP67-Schutzart. Ein weiteres Produkt wird beispielsweise eine SPS sein, die diese Technologie quasi 'im Bauch' hat." (Hierzu bitte Bild 5 mit Tabelle beachten)

Integration in die Gesamtlösung

Die Integration in das Gesamtsystem erfolgt durch Anreihung in die zentrale oder dezentrale Steuerung oder durch direkte Anbindung in das Powerlink-Netzwerk. Markus Sandhöfner erklärt dazu: "Die maximale Geschwindigkeit erreiche ich natürlich nur, wenn die E/As, die für die schnellen Reaktionen erforderlich sind, auf einem Gerät zusammengefasst gehalten werden. D.h. Reaktionen von einem Eingang zu einem Ausgang, die ich sehr schnell brauche, sollten auch auf einem Modul vorhanden sein, damit sie für das FPGA physikalisch direkt verfügbar sind." Allerdings ist dies keine Voraussetzung. Reaction Technology kann sowohl über die dezentrale Backplane als auch über Powerlink eingebunden werden. Dabei macht sich eine Eigenschaft von Powerlink positiv bemerkbar, erläutert Anton Meindl: "Ohne den Umweg über die SPS nehmen zu müssen, können Powerlink-Teilnehmer via Cross Communication direkt mit der Reaction-Baugruppe kommunizieren. Das ist einer der Vorteile von Powerlink und funktioniert auch mit diesen Baugruppen."

Kostensenkung durch Reaction Technology

Wie oben bereits erwähnt, ermöglichen es die neuen Hochgeschwindigkeits-Module von B&R, auf teure Spezialhardware zu verzichten. Aber auch für Standard-Anwendungen bedeutet die Technologie - je nach Anwendung - eine Kostensenkung, erklärt uns Anton Meindl: "Wenn man heute eine kleine oder mittelgroße Maschine hat und Reaktionszeiten braucht, die vielleicht gar nicht so außergewöhnlich sind, 1ms oder etwas darunter - dann muss man trotz allem in sehr große oder sehr leistungsfähige Steuerungen investieren, die oftmals schon einen leistungsfähigen PC erfordern. Für diese Maschine ist das ein wahnsinniger Overkill, denn eine kleine Steuerung würde eigentlich schon ausreichen. Die Technologie, die wir mit Reaction anbieten, liegt in der Größenordnung eines zweistelligen Eurobetrages für die CPU. D.h. die Technologie selbst ermöglicht durch das extrem gute Preis-/Leistungsverhältnis erhebliche Kosteneinsparungen." "Aus diesem Grund ist Reaction Technology auch ein wichtiger Baustein unseres Solution-Programms Scalability+, das es Anwendern ermöglicht, genau auf die jeweiligen Anwenderanforderungen zugeschnittene Automatisierungslösungen einzusetzen. Die wenigen wirklich zeitkritischen Prozesse in der Maschine lassen sich einfach und preiswert mit Reaction-Technologie umzusetzen. Das macht sie letztlich wettbewerbsfähiger", erläutert Sandhöfner. "Die Kosten werden jedoch nicht nur von den Produkten bestimmt, sondern sehr stark von dem Aufwand für die Programmierung für deren Wartung. Wenn man sich verdeutlicht, was eine einfache Programmierung, Wartung und Inbetriebnahme bedeutet und wieviel Zeit eingespart werden kann, wenn man das mit Standardsprachen und einem Standardprogrammiererwerkzeug realisieren kann, dann sind die Kosteneinsparungen, die sich zusätzlich auf Personalseite ergeben, ganz erheblich. Ganz zu schweigen von den Fällen, in denen Diagnose und Service erforderlich ist!"

Einsatzszenarien für Reaction Technology

Gerade aus dem Blickwinkel der Kostenreduzierung ist die Reaction Technology durchaus nicht nur in Spezialanwendungen hilfreich, meint Anton Meindl: "Grundsätzlich ist es tatsächlich so, dass man sich gut überlegen muss, warum man Hochgeschwindigkeit braucht. Ist es eine kompakt abbildbare Funktionalität, die mich zwingt, irgendwo schnelle CPUs oder sehr aufwendige Automatisierungsleistung zu installieren? Dann ist das definitiv ein Fall, in dem man über Reaction Technology nachdenken sollte. Ist die Applikation als solches sehr komplex und muss sehr schnell ablaufen, dann geht das sicherlich über die Grenzen von Reaction Technology hinaus. Für deren Einsatz geht es eigentlich immer um lokal begrenzte Funktionalitäten, die sehr schnell sein müssen und auf eine überschaubare Anzahl von E/As beschränkt sind." Markus Sandhöfner erläutert dazu: "In den meisten Maschinen sind es einzelne Stellen, einzelne Prozesse, die für den gesamten Maschinendurchsatz sehr wichtig sind, aber nicht in großer Vielzahl auftreten. Genau an diesem Punkt müssen Anwender heute entweder 'Kopfstände machen', um die entsprechenenden Reaktionsgeschwindigkeiten mit einem schnellen Bus und einem schnellen Rechner zu erreichen, oder ich verwende einfach die Reaction-Technologie. Auf deren Basis entwickle ich mit meiner Standard-Entwicklungsumgebung eine Lösung, um diese wenigen Hochgeschwindigkeitsfunktionen in der Anwendung einfach und sicher umzusetzen."

Annäherung an Reaction Technology

Programmänderung zur Laufzeit

Im Gegensatz zu dezidierten Baugruppen, die hinsichtlich der Geschwindigkeit auch ihre Aufgabe erfüllen, hat die Reaction-Technologie noch einen großen Vorteil, erklärt Anton Meindl: "Wir sind mit Reaction auch zur Laufzeit der Maschine extrem flexibel, denn während der Laufzeit der Maschine kann das Reaction-Programm ausgetauscht werden. Damit ist eine extrem schnelle Anpassung der kompletten Maschine auf neue Produkte oder geänderte Prozesse innerhalb von wenigen Millisekunden möglich. Ob man nun Mineralwasser abfüllt oder Sirup, ist ein riesiger Unterschied, man kann das aber relativ nahtlos machen. Ob ich stilles Wasser abfülle oder prickelndes - der Abfüllprozess ist im Prinzip der gleiche, aber ich muss die Flasche vollkriegen - ob es schäumt oder nicht. Hier kommt es enorm auf die Reaktionszeit an und die unterschiedlichen Füllmedien sind ausschlaggebend im Prozess. Und den kann ich durch das Tauschen des Programms immer im Griff haben. Dann fehlt da ja eigentlich nur noch die standardisiert parametrierbare Sensorik, oder? Dann sprechen wir von Industrie 4.0 in Vollendung."

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