Vipa Slio: µs-genaue I/Os über Feldbus

Das Vipa I/O-System Slio vereint hohe Funktionalität mit einem cleveren Mechanikkonzept in kompakter Bauform. Slio steht für Slice-I/O, denn das System wird \’scheibchenweise\‘ genau auf die Anforderungen der Anwendung angepasst. Die Interface-Module (IM) für Profibus, CANopen, Profinet, Ethercat und Modbus unterstützen alle bis zu 64 Module (Scheiben) und verfügen über ein integriertes Power-Modul. Durch die farblich abgesetzten Power-Module (PM), werden die Elektronik-Module (EM) mit Lastspannung versorgt und je nach Bedarf in getrennte Potentialgruppen eingeteilt. Die Elektronik-Module sind mit den Terminal-Modulen (TM) über einen verstecksicheren Schiebemechanismus verbunden. Das Terminal-Modul vereint Klemme, Aufnahme für die Elektronik-Module und mechanischen Busverbinder. Die treppenförmig angeordneten Klemmen in Federzug-Technik ermöglichen die schnelle, übersichtliche und sichere Verdrahtung. Im Servicefall wird somit nur das Elektronik-Modul durch einfaches Herausziehen aus dem Terminal-Modul getauscht – Verdrahtungen und Montage auf der 35mm Normschiene bleiben unberührt bestehen. Dies vereinfacht und beschleunigt nicht nur den Modulaustausch, sondern schließt auch potenzielle Fehler durch An- und Abklemmen der I/O-Verdrahtung aus. Durch die integrierten Status-LEDs und den Beschriftungsstreifen auf der Front ist eine kanalgenaue, eindeutige Zuordnung und Ablesbarkeit der Kanalzustände des Elektronik-Moduls sichergestellt. Die kontinuierliche Anzeige des Baugruppenzustandes ermöglicht zudem eine exakte Fehlerlokalisierung, d.h. fehlerhafte Konfigurationen, Busunterbrechungen, Verkabelungsfehler und defekte Baugruppen werden per LED signalisiert und können ohne Diagnosetools ermittelt werden. Rückwandbus Der 48MBit/s schnelle Rückwandbus wurde vor allem mit Blick auf maximale Zuverlässigkeit bei gleichzeitig effizienter Datenübertragung entwickelt: – Differentielle stromgetriebene LVDS Kommunikation=> unempfindlich gegen Störungen – Watchdog-Funktion in jeder Scheibe=> Überwachung des Interface-Moduls und des Feldbusmasters – Prüfsummen und Diagnose Zähler in jeder Scheibe ermöglichen genaue Fehlerlokalisierung => Aufbaufehler können schnell lokalisiert werden – Flexible Telegrammformate und Übertragungsmechanismen=> optimale Anpassung der Datenübertragung an den jeweiligen Systemaufbau Zusätzlich zu diesen Basisfunktionen stellt der Slio-Rückwandbus weitere Features zur Verfügung, die Performance-Limitierungen bestehender Feldbussysteme weitgehend aufheben. Damit erschließt das dezentrale System auch zeitkritische Anwendungsgebiete, für die bislang häufig leistungsstarke, zentrale Steuerungsaufbauten oder aufwendige, Speziallösungen eingesetzt wurden. Messen und Steuern im µs-Bereich Zeitliche Anforderungen beim Einsatz dezentraler Peripherie können vereinfacht auf zwei maßgebliche Faktoren zurückgeführt werden: – Reaktionszeit: Wie lange dauert es maximal, bis ein Ausgang auf einen wechselnden Eingang reagiert? – Zeitliche Genauigkeit/ Determinismus: Mit welcher zeitlichen Genauigkeit kann das Auftreten eines Ereignisses detektiert werden bzw. wie genau lässt sich ein Ausgang schalten? Die einfachste Methode, um in beiden Bereichen Verbesserungen zu erzielen, ist eine Reduzierung des Updateintervalls wie es z.B. beim Umstieg von Profibus (min. 600µs) auf Profinet IRT (min. 250µs) möglich ist. Für einige Anwendungen ist diese Verbesserung aber nicht ausreichend. Dort, wo eine deutlich bessere zeitliche Genauigkeit erforderlich ist, kommt preisgünstige dezentrale Peripherie bislang nicht zum Zuge. Zusammen mit der Einführung des dezentralen Slio-Systems stehen digitale Ein- und Ausgangsmodule mit Auftragsspeichern (Fifo) für die Zwischenspeicherung von Signalflanken zur Verfügung. Diese Klemmen werden mit der Abkürzung ETS (Edge Timestamp System) gekennzeichnet. Slio ETS bietet eine deutlich verbesserte zeitliche Genauigkeit im µs-Bereich für alle unterstützten Feldbussysteme. Gleiche Zeit für alle An einem Slio-Interface-Modul haben alle Slio-Scheiben die gleiche Zeitbasis. Diese Zeitbasis hat eine Auflösung von 1µs und einen Gleichlauf von Scheibe zu Scheibe von +/-85ns. Für Profibus DP-V2 (Isochronmode) ist es bereits möglich, die Zeitbasen mehrerer Slio-Interface-Module und der jeweils angeschlossenen Scheiben mit einem Gleichlauf von +/-5µs zu synchronisieren. Der zugrundeliegende Synchronisationsmechanismus ist feldbusunabhängig und wird zukünftig auch für andere Bussysteme zur Verfügung stehen. Beispiel: Dieseleinspritzsystem Zur Erläuterung der Funktionsweise und den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten dient folgendes Beispiel einer elektronischen Steuerung der Diesel Zusatzeinspritzung zur Verbrennungsoptimierung eines Biogas Dieselgenerators. Durch die Möglichkeit des Slio ETS, µs-genau zu messen und zu steuern, kann man auch ohne Mikrocontroller oder andere Speziallösungen die im Automobilbereich standardmäßigen Verfahren der hochgenauen Diesel Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung zur Emissions- und Wirkungsgradoptimierung mit dem Komfort und der Flexibilität einer SPS verbinden. Eine stark vereinfachte Darstellung soll die auszuführende Steuerungsaufgabe verdeutlichen (Bild 4): Die Kurbelwelle (1) dreht sich in diesem Beispiel mit 1500U/min. Da es sich um einen Viertaktmotor handelt, findet der Verbrennungsvorgang nur 750 mal pro Minute statt. Die Nockenwellen (2) und (3) zur Steuerung der Ein- und Auslassventile drehen deshalb auch nur mit 750U/min. An einer Nockenwelle befindet sich ein Hal-Sensor, der bei jeder Umdrehung dieser Nockenwelle einen Impuls abgibt. Dieses Signal dient als Referenz für den Einspritzvorgang und ist an eine Slio-ETS-Eingangsklemme angeschlossen. Die Einspritzdüse (4) für den Dieselkraftstoff wird elektronisch mit einer Slio-ETS-Ausgangsklemme angesteuert. Der Sensor an der Nockenwelle kann so positioniert werden, dass der zeitliche Abstand zwischen dem Nockenwellensignal und dem Einspritzzeitpunkt im Bereich von einigen 10ms liegt. Realisierung mit normalen I/O-Klemmen über Feldbus Müsste man diese Aufgabe mit normalen, dezentralen I/O-Klemmen lösen, wäre es erforderlich, die Zeitmessung für das Eingangssignal in der CPU durchzuführen. Hieraus ergibt sich eine Vielzahl von Ungenauigkeiten, die zu einem signifikanten Gesamtfehler führen: Exemplarisch wird hier nur auf die größte Fehlerquelle eingegangen. Es wird angenommen, dass das Anwenderprogramm auf der CPU mit ausreichender Genauigkeit die Zeit messen kann (z.B. Speed7 CPU mit 1µs zeitlicher Auflösung). Die CPU überwacht, ob das Eingangs-(Nockenwellen-)ereignis eingetreten ist und merkt sich die Zeit. Wenn der Zeitpunkt zum Schalten des Ausgangs gekommen ist, übergibt die CPU die Anweisung über den Feldbusmaster an das Interface-Modul und von dort an die Klemme. Der grüne Teil in Bild 6 macht deutlich, dass es aus Sicht der CPU nicht möglich ist, Signalwechsel innerhalb eines Feldbuszyklus voneinander zu unterscheiden oder zeitlich genauer als das durch den Feldbus vorgegebene Zeitraster einzuordnen. Es entsteht ein Unschärfebereich mit der Breite von mindestens einer Feldbuszykluszeit. Bei einem Profibus-System mit 600µs Zykluszeit (Best Case) ergibt sich damit ein Fehler in der Bestimmung der Kurbelwellenposition (mithilfe des Nockenwellensensors) von bis zu 5,4 Grad (1.500 U/min entspricht einer Zeit von 40ms pro Umdrehung und einer Winkelgeschwindigkeit von 9 Grad pro ms, d.h. in 600µs werden 5,4 Grad zurückgelegt). Bei der Ansteuerung des Ausgangs würden noch weitere Ungenauigkeiten hin-zukommen. Mit Profinet IRT und 250µs Zyklus würde sich der Fehler auf immer noch 2,25 Grad reduzieren. Aufgrund der nicht tolerierbaren Fehler kommen diese Lösungen nicht in Frage. In den meisten derartigen Anwendungsfällen wurden bisher spezielle Nockensteuerwerke eingesetzt. Eine solche Lösung ist aber kostenintensiv und ist für spätere Anpassungen und Optimierungen zu unflexibel und schlecht skalierbar. Realisierung mit Slio ETS Wenn die I/O-Klemmen selbst in der Lage sind, die Zeit der Signalflanken zu messen bzw. das Schalten der Ausgänge bis zum Erreichen eines durch die CPU definierten Zeitpunktes zu verzögern, fallen alle durch den Feldbus- und CPU-Zyklus bedingten Fehlerquellen für die zeitliche Genauigkeit weg! Der violette Teil in Bild 6 macht die immense Verbesserung der zeitlichen Präzision eines solchen Systems gegenüber I/O-Klemmen ohne µs-ETS-Zeitstempel (grün) deutlich. Sobald die Eingangsklemme das Nockenwellenereignis detektiert, speichert sie zusätzlich zum aktuellen Zustand der Eingänge auch die Zeit in einen FIFO-Speicher. Diese Daten werden dann über den Feldbus an die CPU weitergegeben. Dort kann das aufgetretene Ereignis jetzt unabhängig vom Feldbus- oder CPU-Zyklus anhand des Zeitstempels genau eingeordnet werden. Da die Zeiten aller Slio-Scheiben an einem Interface-Modul auf +/-85ns gleich laufen, kann die CPU die Schaltzeiten für die Ausgänge (Einspritzdüse) auf 1µs genau berechnen und über den Feldbus weitergeben. Wird der Schaltzeitpunkt in der Klemme erreicht, werden die Ausgänge entsprechend angesteuert und der resultierende Fehler entspricht nur 0,009 Grad. Innerhalb eines Feldbuszyklus können bis zu 15 Schaltaufträge an eine Slio-ETS-Scheibe versendet werden. Somit kann ein Ausgang mehrmals innerhalb eines Zyklus angesteuert werden. Die Eingangsscheiben verfügen auch über einen 15 Einträge großen Fifo-Speicher. Durch Einsatz der Scheiben in einem Profibus-System kann der Messfehler auf ein sechshundertstel reduziert werden! Die Zeiten zwischen mehreren Slio-Interface-Modulen können im DPV2 Äquidistanzbetrieb (Isochron) auf genauer +/-5µs synchronisiert werden. Damit kann auch in größeren, dezentral aufgebauten Anlagen in µs-Auflösung gemessen und gesteuert werden. Beispiel: Papier schneiden Als Beispiel für den Einsatz von gleichen Zeitbasen mit mehreren Interface-Modulen soll eine stark vereinfachte Papierschneideanlage dienen (Bild 5): Der Detektor zur Erkennung der Marke und der Inkrementalgeber hängen beide je an einem Profibus-IM. Der Slio-Zähler für den Inkrementalgeber stellt einen mitlaufenden µs-Zeitwert zur Verfügung, mit dessen Hilfe die Bestimmung der Bandgeschwindigkeit einfach möglich ist. Die digitale Eingangsscheibe fügt den Signalwechseln des Markenlesers einen µs-genauen Zeitstempel hinzu. Da das zweite IM über die gleiche Zeitbasis (max. ±5µs) wie das erste verfügt, kann die CPU den Cutter über eine digitale Ausgangsklemme sehr genau steuern: Bei fünf Metern pro Sekunde würden sich mindestens folgende Genauigkeiten ergeben: (vereinfachte Rechnung) – Normale Profibus-Klemmen: 600µs: 3,000mm – Normale Profinet-IRT-Klemme: 250µs: 1,250mm – Slio ETS Profibus-Klemmen: +/-5µs: 0,050 mm Weitere Funktionen Die Zeitstempelfunktion steht auch für die Zähler- und SSI-Scheiben zur Verfügung, um beispielsweise auf einfache Weise genaue Geschwindigkeitsmessungen durchzuführen. Daneben wird es schnelle analoge Ein- und Ausgänge mit Zeitstempel- und Speicherfunktion geben. Als Anwendungsbeispiel hierfür sei ein Dieselgenerator genannt, dessen Strom in das Netz synchron eingespeist werden soll. Die hierfür erforderliche präzise Synchronisation und Regelung auf die Netzspannung ist mit analogen Eingangsklemmen möglich. Alle Slio ETS-Scheiben können für den jeweiligen Einsatzzweck zusammen mit Standard-Slio-Scheiben kombiniert werden. Fazit: Mit dem Slio-System bietet Vipa ein I/O-System mit einem anwenderorientierten Beschriftungs- und Mechanikkonzept und übersichtlichen Status- und Diagnoseanzeigen. Die Anschlusstechnik spart Platz und Zeit. Der zuverlässige und schnelle Rückwandbus, der das Messen und Steuern im µs-Bereich erlaubt, erschließt – insbesondere im Zusammenspiel mit der Zeitstempelfunktion – Anwendungen, die bisher High-End-Systemen und teurer Spezialhardware vorbehalten waren.