Miele setzt bei der Qualitätskontrolle auf die Kombination von Automatisierungs- und Messtechnik. Pro Messplatz sind 80 Kanäle für das präzise Erfassen verschiedener Parameter vorhanden.

Miele setzt bei der Qualitätskontrolle auf die Kombination von Automatisierungs- und Messtechnik. Pro Messplatz sind 80 Kanäle für das präzise Erfassen verschiedener Parameter vorhanden.Beckhoff

Der Grund für die bislang getrennten Datenverarbeitungswelten ist gleichzeitig der Vorteil PC-basierter Steuerungstechnik: Noch vor wenigen Jahren war die Rechenleistung der Steuerungssysteme bei Weitem zu gering für ein quasi gleichzeitiges Abarbeiten von Automation und Messtechnik. Schnee von gestern: Dank der rasant voranschreitenden PC-Technologie lassen sich heute problemlos Automation und anspruchsvolle Messdatenverarbeitung bis hin zu Condition- und Energiemonitoring kombinieren. In der Anwendung ist dazu nur der Schritt von konventioneller SPS-Technik zu PC-based Control sowie ein Umdenken in der Entwicklung und Konstruktion nötig: die messtechnischen Belange einfach von Anfang an einbinden. Beckhoff Automation hat dafür ein Synonym kreiert – Scientific Automation.

Messtechnik ist bei diesem Ansatz keine komplexe, aufwendig zu integrierende Black-Box, sondern wie Standard-I/Os im gewohnten Engineeringtool direkt einzubinden – auch nachträglich. Beliebige Messdaten werden vor Ort in Messtechnikklemmen erfasst und anschließend zur Bearbeitung über die Ethercat-Kommunikation an einen leistungsfähigen Indus­trie-PC übertragen. Dort erfolgt die Integration der beiden Welten – Control und Messtechnik.

Messtechnik von Standard bis Highend

Scientific Automation von Beckhoff vereint die Steuerungs- und Messtechnik, insbesondere auch mithilfe leistungsfähiger Messtechnikklemmen.

Scientific Automation von Beckhoff vereint die Steuerungs- und Messtechnik, insbesondere auch mithilfe leistungsfähiger Messtechnikklemmen.Beckhoff

Für viele Anwendungen reichen bereits die diversen Analog-Eingangsklemmen aus der klassischen Steuerungswelt mit 12-Bit-Standard-Auflösung aus: Dieses Spektrum deckt Beckhoff mit Klemmenvarianten im Signalbereich von -2 bis +2 V, -10 bis +10 V, 0 bis 2 V, 0 bis 10 V, 0 bis 500 mV, 0 bis 20 mA und 4 bis 20 mA ab. Zudem stehen Analog-Eingangsklemmen mit 16 Bit Auflösung zur Verfügung, etwa für hochgenaue Regelprozesse. Hier kommt es auch auf schnelle A/D-Wandler an (je nach Ausführung zwischen 40 und 100 µs) und auf die Unterstützung der Distributed-Clocks für die Synchronisation.

Systemdurchgängigkeit verlangt aber weitaus mehr als messtechnische Standard-Features zu bedienen. Highend-Messtechnik beginnt bei 18 beziehungsweise 24 Bit für die Standardsignale Strom und Spannung. Hinzu kommen hochgenaue Module für Thermoelemente und Widerstandsthermometer sowie Varianten für spezielle Signale, beispielsweise zur Leistungsmessung oder für das Condition-Monitoring mittels IEPE-Beschleunigungssensoren (Integrated Electronics Piezo Electric).

Mit der Thermoelement-Eingangsklemme lässt sich eine hochgenaue Temperaturmessung in die Steuerung integrieren; die analoge Eingangsklemme ermöglicht den direkten Anschluss einer Widerstandsbrücke oder Wägezelle.

Mit der Thermoelement-Eingangsklemme lässt sich eine hochgenaue Temperaturmessung in die Steuerung integrieren; die analoge Eingangsklemme ermöglicht den direkten Anschluss einer Widerstandsbrücke oder Wägezelle.Beckhoff

Die High-End-Klemmen kommen meist in Verbindung mit der XFC-Technologie (Extreme Fast Control) zum Einsatz, eine Steuerungs- und Kommunikationsarchitektur auf Basis von Ethercat, der Automatisierungssoftware Twincat und I/O-Klemmen mit erweiterten Echtzeit-Eigenschaften wie den Distributed-Clocks, Time-Stamp und Oversampling. Damit sind I/O-Response-Zeiten unter 100 µs realisierbar.

Präzise Messtechnik – die Basics

Distributed-Clocks (verteilte Uhren) sorgen für eine zeitlich präzise berechenbare Istwert-Erfassung sowie eine damit korres­pondierende, deterministische Sollwert-Ausgabe. Beide sind neben möglichst kurzen Reaktionszeiten für exakte Regelprozesse entscheidend. Genaue Zeitabgaben werden also nicht in der Kommunikation oder in der Steuerungstask benötigt, sondern in den I/O-Komponenten. Um dies sicherzustellen, verfügt jeder Ethercat-Teilnehmer über eine lokale Uhr, die sich automatisch und kontinuierlich mit allen anderen Uhren abgleicht. Unterschiedliche Laufzeiten der Ethercat-Datenpakete lassen sich darüber kompensieren, sodass die maximale Abweichung aller Uhren untereinander in der Regel unter 100 ns liegt – eine präzise synchronisierte Systemzeit.

Die Netzmonitoring-Klemme löst die Zustände in einem Drei-Phasen-Netz mit bis zu 100 µs auf.

Die Netzmonitoring-Klemme löst die Zustände in einem Drei-Phasen-Netz mit bis zu 100 µs auf.Beckhoff

Time-Stamp-Datentypen beinhalten zusätzlich zu den Nutzdaten einen Zeitstempel. Dieser sorgt – in Verbindung mit den synchronisierten Distributed-Clocks – für eine genauere zeitliche Zuordnung der Prozessdaten untereinander. Dazu erfassen die Klemmen mit Time-Stamp zu jedem Flankenwechsel (L/H oder H/L) der Eingangssignale die exakte Systemzeit. Ebenso lassen sich die I/O-Klemmen so konfigurieren, dass sie ihren Messwert oder Signalzustände exakt zu bestimmten Zeiten ausgeben.

Technik im Detail

Distributed-Clocks: Das Timing stimmt

Der exakten Synchronisierung kommt immer dann eine besondere Bedeutung zu, wenn räumlich verteilte Prozesse gleichzeitige Aktionen erfordern. Der leistungsfähigste Ansatz hierzu ist der exakte Abgleich verteilter Uhren (Distributed-Clocks), da diese über ein hohes Maß an Toleranz gegenüber möglichen, störungsbedingten Verzögerungen im Kommunikationssystem verfügen. Bei Ethercat basiert der Datenaustausch vollständig auf einer reinen Hardware-Maschine. Da die Kommunikation eine logische (und dank Vollduplex-Fast-Ethernet auch physikalische) Ringstruktur nutzt, kann die Mutter-Uhr den Laufzeitversatz zu den einzelnen Tochter-Uhren einfach und exakt ermitteln – und umgekehrt. Auf Basis dieses Wertes werden die verteilten Uhren nachgeführt, und es steht eine hochgenaue, netzwerkweite Zeitbasis zur Verfügung, deren Jitter unter einer Mikrosekunde liegt.

Oversampling-Datentypen ermöglichen die mehrfache Abtastung der Prozess­daten innerhalb eines Kommunikationszyklus, die anschließend, gemeinsam in einem Datenpaket übertragen werden. Der Oversampling-Faktor beschreibt die Anzahl der Abtastungen innerhalb eines Ethercat-Zyklus. Der Vorteil: Auch bei hohen Abtastraten bleiben die Kommunikationszykluszeiten moderat. Analoge Eingangsklemmen mit Oversampling erzielen auf diese Weise Abtastraten von 100 kHz und eine Zeitauflösung von 10 µs; digitale Eingangsklemmen bis zu 1 MHz und 1 µs.

Engineering-Welten wachsen zusammen

In besonderem Maße berücksichtigt die in Microsoft Visual Studio integrierte Software Twincat 3 die Anforderungen von Scientific Automation. Die Echtzeitumgebung ist so aufgebaut, dass nahezu beliebig viele SPSen, Sicherheitssteuerungen und C++-Tasks auf einem oder unterschiedlichen CPU-Kernen eines Industrie-PCs ausgeführt werden können. Letzteres wird vor allem in Verbindung mit der Condition-Monitoring-Bibliothek genutzt: Eine schnelle Task zeichnet die Rohdaten auf, die eine langsamere Task parallel dazu weiter verarbeitet. So lassen sich Messdaten kontinuierlich aufzeichnen und unabhängig davon mit diversen Algorithmen analysieren. Die einzelnen Funktionsbausteine der Condition-Monitoring-Bibliothek legen ihre Ergebnisse in einem globalen Transfer-Tray ab, einer Art Speichertabelle. Von dort aus kann der Anwender die Daten in Variablen umkopieren oder mithilfe anderer Algorithmen weiterverarbeiten und sich so eine individuelle Mess- und Analysekette zusammenstellen.

Die Netzmonitoring-Klemme löst die Zustände in einem Drei-Phasen-Netz mit bis zu 100 µs auf.

Die Netzmonitoring-Klemme löst die Zustände in einem Drei-Phasen-Netz mit bis zu 100 µs auf.Beckhoff

Die Engineering-Umgebung unterstützt auch die Integration von Matlab/Simulink-Modulen. Dafür sind keinerlei Beckhoff-spezifischen Bausteine oder Modifikationen am ursprünglichen Modell notwendig. Die Matlab- und Simulink-Coder erzeugen C++-Code, der sich in ein Twincat-3-Modul kompilieren lässt. Auch dessen mehrfache Nutzung durch Instanzierung ist ohne Weiteres möglich. Blockschaltbilder aus Simulink werden direkt in Twincat dargestellt und ermöglichen das Setzen von Breakpoints bei der Inbetriebnahme oder Optimierung von Regelstrecken.

Das Twincat Scope wurde für messtechnische Aufgaben erweitert und stellt zum Beispiel Oversampling-Werte der Messtechnikklemmen dar.

Das Twincat Scope wurde für messtechnische Aufgaben erweitert und stellt zum Beispiel Oversampling-Werte der Messtechnikklemmen dar.Beckhoff

Die Darstellung aller relevanten Signale einer Scientific-Automation-Software unterstützt das Twincat-Scope. Dessen View-Komponente übernimmt die Visualisierung von Signalen in Charts; die Server-Komponente zeichnet die Daten auf dem entsprechenden Zielgerät auf. Mit dem Tool lassen sich beispielsweise Messwerte zyklusgenau bis in den μs-Bereich ablesen oder die Oversampling-Werte der Messtechnikklemmen darstellen.