B&R Industrie-Elektronik I/O-System-Reaktion in nur 1 µs

Die »reAction«-Technik ist plattformunabhängig und lässt sich daher in I/O-Module der Serien X20 und X67 (im Bild) ebenso integrieren wie in andere I/O-Module aus B&Rs Produktsortiment.
Die »reAction«-Technik ist plattformunabhängig und lässt sich daher in I/O-Module der Serien X20 und X67 (im Bild) ebenso integrieren wie in andere I/O-Module aus B&Rs Produktsortiment.

Die Reaktionszeit von I/O-Systemen in der Automatisierung ist jetzt noch kürzer als bisher: B&R hat I/O-Module mit einem Signalverarbeitungs-Verfahren auf FPGA-Basis ausgestattet, das die Reaktionszeit zwischen Abtastung des Eingangssignals und Ausgabe des verarbeiteten Signals auf 1 µs verringert.

»Herkömmliche I/O-Technik arbeitet mit einer minimalen Reaktionszeit von etwa 1 ms«, erläutert Anton Meindl, Business Manager Controls bei B&R. Der Eingangstreiber des I/O-Moduls tastet dabei das 24-V-Eingangssignal ab und wandelt es in ein Logiksignal um, das über Echtzeit-Ethernet in die CPU einer SPS oder eines Industrie-PCs gelangt. Die CPU verarbeitet das Signal und überträgt es via Echtzeit-Ethernet wieder zurück zum I/O-Modul. Dessen Ausgangstreiber setzt es um und transferiert es an seinen Bestimmungsort. »Die Reaktionszeit ist in diesem Fall von mehreren Faktoren abhängig«, merkt Meindl an, »nämlich von der Netzwerk-Performance, -Datenlast und -Knotenanzahl sowie von der CPU-Performance und -Last.«

Diese nacheinander ablaufenden Arbeitsschritte benötigen eine bestimmte Zeit, die bislang 1 ms kaum unterschritten hat - für manche Anwendungen allerdings ist dies zu viel Zeit. »Abfüllanlagen für Getränkeflaschen beispielsweise müssen die vorgesehene Füllhöhe genau einhalten«, verdeutlicht Meindl. »Die Steuerungstechnik muss das Signal des Füllstandsensors so schnell wie möglich verarbeiten. 1 ms Reaktionszeit ist für solche Anwendungen mittlerweile zu langsam.«

Ein großes Plus der herkömmlichen I/O-Technik ist aber, dass sie eine zentrale Software-Haltung gestattet: »Anwender können die Steuerungs-Software zentral am PC entwickeln und aktualisieren«, erklärt Meindl. »Die Runtime der Steuerung führt die Software dann auch zentral in der SPS aus.«

Bei der Entwicklung einer neuen I/O-Technik mit erheblich kürzerer Reaktionszeit hat sich B&R das Ziel gesetzt, die Signalverarbeitungstechnik massiv zu beschleunigen und weitestgehend in die I/O-Module selbst zu integrieren. Der Vorteil der zentralen Software-Haltung sollte beibehalten werden.

B&Rs Lösung heißt »reAction Technology« und wurde auf der diesjährigen SPS IPC Drives erstmals vorgestellt. Das »reAction«-Verfahren verkürzt die Reaktionszeit zwischen Erfassung des Eingangssignals und Ausgabe des Steuersignals auf 1 µs. Die Technologie beruht auf einem im I/O-Modul integrierten Standard-FPGA-Baustein, der ein anwendungsspezifisches, mittels Function Block Diagram (FBD) nach IEC 61131-3 erstelltes Programm beherbergt. »Für einen FPGA-Chip haben wir uns entschieden, weil er zu Parallelverarbeitung fähig ist«, führt Meindl aus. »FBD ist für FPGAs prädestiniert, weil Funktionsblöcke dort als Hardware vorliegen. Gleichzeitig ist die Hardware-Logik programmierbar, und das FBD-Programm arbeitet die einzelnen Steuerungs-Funktionsblöcke parallel ab.« Zu den Funktionsblöcken gehören logische Operationen wie AND, OR, XOR und NOT, arithmetische Operationen wie ADD, SUB, MUL und DIV sowie Mux, Demux, Shift, FlipFlop, Delay, PWM, Komparator und Zähler.

Konkret sieht der Ablauf folgendermaßen aus: Nachdem der Eingangstreiber das Eingangssignal mit einer Auflösung von 20 ns abgetastet und in ein Logiksignal umgewandelt hat, verarbeitet das FPGA dieses mit Zykluszeiten von bis zu 1 µs. Das daraus resultierende Verknüpfungsergebnis bzw. das neue Ausgangsabbild geht dann gleich wieder zu den Ausgangstreibern des I/O-Moduls, die es umsetzen und als physikalisches Signal ausgeben. Damit sind praktische Reaktionszeiten von 1 µs plus den minimalen physikalischen Wandlerzeiten der Ein- und Ausgangstreiber realisierbar. Das FPGA mit seinem FBD-Programm übernimmt also bestimmte Steuerungsfunktionen von der CPU und entlastet sie dadurch, so dass sie kleiner dimensioniert werden kann. Mehr noch: Weil das FPGA die Funktionsblöcke parallel abarbeitet und nicht sequenziell, wie es der CPU-Prozessor täte, benötigt er lediglich einen Bruchteil der Zeit.

Das »reAction«-Verfahren eignet sich für High-End- ebenso wie für Low-End-Steuerungen. Seine Domäne sind einzelne Arbeitsschritte, die besonders schnell vonstattengehen müssen. Ein FPGA arbeitet immer nur ein FBD-Programm ab. Anwender können das Programm am PC entwickeln und danach in den FPGA laden. Durch Modul-Konfiguration in B&Rs Engineering-Umgebung »Automation Studio 4« lässt sich das Programm einem bestimmten I/O-Modul zuweisen. Ein und dasselbe Programm kann so auch beliebig vielen Modulen zugewiesen werden. »Das Programm lässt sich sogar im laufenden Betrieb einer Maschine auswechseln«, hebt Meindl hervor. »Wenn zum Beispiel eine Getränke-Abfüllanlage unterschiedlich große Flaschen befüllt und immer wieder umgestellt wird, kann das FBD-Programm für den Füllstand 'on the fly‘ gewechselt werden.«

Zur SPS IPC Drives präsentiert B&R erste Produkte mit der »reAction«-Technik: das X67-Powerlink-Buscontroller-Modul X67 BC 81 RT, die X20-Module X20 RT 8001 und X20 RT 8201 sowie die »X20 Compact CPU«. Weitere Produkte sind in Vorbereitung oder geplant. »Die 'reAction‘-Technik macht sich die Tatsache zunutze, dass FPGAs Funktionsblöcke parallel abarbeiten, und erreicht so die bislang schnellste Reaktionszeit: 1 µs«, kommentiert Meindl. »Die Programmierung mittels FBD nach IEC 61131-3 passt zudem hundertprozentig zur Offenheit unserer Systeme.«

SPS IPC Drives: Halle 7, Stand 206