Stetig sinkende Taktzeiten haben einen wesentlichen Anteil an der Reduzierung der Produktkosten. Sie stellen daher zunehmend hohe Anforderungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeit dezentraler Peripheriesysteme. Durch den steigenden Informationsbedarf und das daraus resultierende hohe Datenvolumen wird die System-Performance zusätzlich belastet. Neben extrem kurzen Reaktionszeiten sollten auch weitergehende Anforderungen berücksichtigt werden. So spielen Zykluszeitschwankungen (Jitter), mit denen die Daten vom Prozess übertragen werden, für die Regelungsgüte eine entscheidende Rolle. Aber auch die Übertragung sicherheitsgerichteter Daten zur Gewährleistung der Personensicherheit bietet weitere Einsparpotenziale. Bei alldem soll die Offenheit nicht eingeschränkt werden. Basis für eine hohe Regelgüte ist die äquidistante und taktsynchrone Datenübertragung. Das System Das feinskalierbare dezentrale Peripheriesystem ET200S von Siemens bietet mit dem Interfacemodul IM151-1 High Feature (IM151-1HF) eine schnelle Anbindung von IO-Signalen an die Steuerung über den Feldbus Profibus-DP. Der Einsatzschwerpunkt liegt bei Applikationen mit schnellen Regelkreisen, einem positions- oder zeitgenauen Erfassen von Prozesssignalen sowie der Erfassung und Ausgabe sicherheitsgerichteter Signale über das Profisafe-Protokoll. Von Beginn an ermöglicht es den Betrieb an einem äquidistanten und taktsynchronen Profibus-DP. Durch die Synchronisation des Anwenderprogramms auf den immer gleich langen DP-Buszyklus und durch die taktsynchrone Übertragung der E/A-Daten auf die Peripheriebaugruppen werden kurze und reproduzierbare Klemme-Klemme-Reaktionszeiten garantiert. Die taktsynchronen Anteile des Anwenderprogramms werden in Simatic-Steuerungen synchron zum DP-Buszyklus abgearbeitet. Die E/A-Daten werden in definierten und gleichbleibenden (taktsynchronen) Zeitabständen über den Rückwandbus der IM151-1HF auf die Peripheriebaugruppen übertragen und taktsynchron bis zum Prozess durchgeschaltet. Mit der Taktsynchronität erfolgt damit die Synchronisation aller sonst frei laufenden Einzelzyklen, vom Anwenderprogramm in der CPU über den DP-Zyklus am Profibus-DP, den Zyklus des ET200S-Rückwandbusses bis hin zum Zyklus innerhalb der Peripheriemodule. Durch diese Synchronisierung werden kürzere Klemme-Klemme-Reaktionszeiten erreicht, da sich die Zyklen nicht, wie im worst case-Fall der asynchronen Übertragung, addieren. Ein weiterer Vorteil sind die geringen Zykluszeitschwankungen von weniger als 10µs. Damit sind eine genaue Erfassung/Ausgabe von Prozesssignalen, eine hohe Regelungsgüte und letztendlich auch eine gleichbleibend hohe Produktqualität gewährleistet. Geeignete Anwendungen sind beispielsweise die zeit- bzw. positionsgenaue Erfassung von Binärsignalen zur Qualitätsüberwachung (Gut/Schlecht-Selektion) mit nachfolgender Ausschleusung der mangelhaften Produkte. Aber auch Hydraulikanwendungen mit Lage- und Druckregelungen profitieren von der äquidistanten und taktsynchronen Datenübertragung. 16-fache Performance-Steigerung bei Profibus-DP-Anwendungen Um den Anforderungen nach kurzen Taktzeiten Rechnung zu tragen, wurde der Schwerpunkt der weiteren Entwicklungstätigkeit vom Hersteller der ET200S auf die Reduzierung der systeminternen Reaktionszeit gelegt. Dazu kam im ersten Schritt ein neuer Asic im Interfacemodul IM151-1HF zum Einsatz. Der Asic übernimmt vom bisher eingesetzten Mikrocontroller die kompletten Kommunikationsaufgaben zwischen Rückwandbus und Feldbusanschaltung. In Verbindung mit weiteren Optimierungen der Firmware konnte die Verarbeitungsgeschwindigkeit um den Faktor vier gesteigert werden. Der zweite große Performance-Schub wurde durch die Überlappung der Zeiten Ti (Zeit für das Einlesen der Eingänge) und To (Zeit für das Schreiben der Ausgänge) erreicht. Das Funktionsprinzip bei der Überlappung von Ti und To besteht darin, dass die Eingangsmodule mit dem Einlesen der Eingänge bereits begonnen haben, während die Ausgangsmodule die Prozessreaktionen des Anwenderprogramms an die Ausgänge noch durchschalten. Durch die Überlappung der Einzelzeiten Ti und To kann die für die Gesamtreaktionszeit wichtige Taktzeit TDP unter die Summe der Einzelzeiten Ti und To gedrückt werden. Das führt zu einer Verkürzung des Systemtakts TDP und somit zu kürzeren Prozessreaktionszeiten, d.h. die Zeit vom Auftreten und Erfassen eines Ereignisses über die Verarbeitung bis zur Ausgabe einer Reaktion an den Ausgängen wird kürzer. Durch die beschriebenen Maßnahmen sowie neu entwickelte schnelle Peripheriemodule (siehe Kasten) erreicht das dezentrale Peripheriesystem ET200S in Verbindung mit dem Interfacemodul IM151-1HF eine 16-fach höhere System-Performance. Von der gesteigerten Performance profitieren auch Anwendungen im Bereich der Personensicherheit. So können mit den Profisafe-Modulen durch die kürzeren Reaktionszeiten Lichtschranken näher an der Maschine positioniert und damit wertvolle Produktionsfläche eingespart werden. Fazit Die Simatic ET200S bietet immer gleich kurze Klemme-Klemme-Reaktionszeiten am Profibus-DP, die bisher noch nicht realisierbar waren. Durch die erhöhte Performance erschließt die sie neue Anwendungen im Bereich zeitgenauer Erfassung und Ausgabe von Binärsignalen sowie bei schnellen Lage- und Druckregelungen. Auch bei der Übertragung von sicherheitsgerichteten Daten via Profisafe sind die kurzen Taktzeiten von Vorteil. Kasten: Neue dezentrale Peripheriemodule für kurze Reaktionszeiten: Simatic ET200S Für das feinskalierbare dezentrale Peripheriesystem ET200S der Siemens AG (Bereich Automation and Drives) stehen 13 Interfacemodule für den Datenaustausch der IO-Signale mit den Feldbussen Profibus-DP oder Profinet zur Verfügung. Von den Einstiegsvarianten Basic und Compact bis zum Interfacemodul mit integrierter Simatic F-CPU zur fehlersicheren Verarbeitung sicherheitsgerichteter Daten kann der Anwender das für seine Applikation passende Interfacemodul auswählen. Mit dem umfangreichen Peripheriemodulspektrum der ET200S findet dabei nahezu jeder Sensor und Aktor Anschluss ans System. Speziell für den Bereich kurzer Reaktionszeiten im taktsynchronen und äquidistanten Betrieb wurden neue Peripheriemodule entwickelt. Im ersten Schritt wurden die High-Feature-Analogmodule überarbeitet. Neben der Möglichkeit des taktsynchronen Betriebs wurde auch die Zykluszeit auf einen Wert von 750µs pro Modul (taktsynchron) bzw. 500µs pro Modul (freilaufend) abgesenkt. Die minimale Zykluszeit liegt damit um Faktor vier unterhalb der Zykluszeit der entsprechenden Vorgängermodule. Trotzdem konnte die hohe Genauigkeit von 0,1% über den gesamten Messbereich und Temperaturbereich von 0°C bis 60°C beibehalten werden. Als zusätzliche Funktion wurde ein Grenzwertalarm eingeführt, der es erlaubt, je einen frei parametrierbaren oberen und unteren Grenzwert zu definieren, bei dessen Über- bzw. Unterschreitung ein entsprechender Alarm in der Steuerung ausgelöst wird. Für noch höhere Anforderungen bezüglich Performance stehen die ebenfalls neu entwickelten High-Speed-Analogmodule zur Verfügung. Mit diesen sind sogar minimale Zykluszeiten von 100µs pro Modul möglich. Die für die Positionserfassung erforderlichen ET200S-Module wurden ebenfalls überarbeitet. Dabei konnte eine Halbierung der Zykluszeiten im taktsynchronen Betrieb erreicht werden. Das neue Zählermodul erreicht jetzt eine Zykluszeit von 500µs. Auch das neue SSI-Modul erreicht in der Betriebsart `Standard´ eine Zykluszeit von 500µs. In der Betriebsart `Fast Mode´ konnte die taktsynchrone Zykluszeit sogar auf 250µs gesenkt werden. Last but not least wurde auch das vierkanalige digitale Ausgangsmodul 4DO DC24V/2A weiterentwickelt, um schnelles Schalten auch bei hohen Lasten, beispielsweise bei Ventilen, zu unterstützen. Hannover Messe Industrie 2007: Halle 9, Stand A72
Siemens AG
