I/O-Module Elektrische Königswellen und Hydraulikantriebe automatisieren

Wann benötige ich eine synchrone Datenübertragung und welches Bussystem ist dazu geeignet? Die Antwort darauf und auf die Frage, wie ein neues I/O-System dazu beiträgt, Lösungen für komplexer werdende Automatisierungsaufgaben zu vereinfachen, zeigt dieser Beitrag.

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Heute werden von Maschinen und Anlagen immer schnellere Zykluszeiten, größere Präzision sowie höhere Ausstoßmengen verlangt. Damit der Endanwender diese Ziele erreichen kann, überbieten sich Komponenten- und Systemhersteller mit stetig kleineren Werten in puncto Zykluszeiten, Jitter, Synchronität und Latenzzeiten. Doch was bedeutet das im Detail und welche Auswirkungen hat insbesondere die Verbesserung der Synchronität auf die Funktion der Applikation (Bild 1)?

Unter Synchronität ist die zeitliche Vereinfachung von zwei oder mehreren gleichen Vorgängen zu verstehen. Je größer eine Anlage wird, desto mehr Informationen werden generiert oder benötigt. Gerade wenn Bewegungen ausgeführt werden sollen, erweist sich deshalb eine einheitliche Ordnung mit zeitlich exaktem Bezug von Vorteil. Übertragen auf die Automatisierungstechnik besagt dies, dass mechanische Abläufe und elektrische Ereignisse in einen sinnvollen zeitlichen Bezug zu bringen sind. Dabei spielt die Signalübertragung und -verarbeitung eine entscheidende Rolle. Aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten der Signale in den verschiedenen Komponenten können allerdings Probleme auftreten. Dies vor dem Hintergrund, dass mechanische Module anders auf die Laufzeiten einwirken als elektronische Geräte. Aber auch im Vergleich elektronischer Systeme gibt es zeitlich verschiedene Beeinflussungen der Signallaufzeiten. In diesem Zusammenhang wird von Latenzzeit gesprochen, welche die Koordination von Abläufen beliebig komplex macht.

Nur wenige Kommunikationssysteme ermöglichen synchrone Übertragung

Können gleiche Aufgaben – beispielsweise die Weiterleitung von Signalen über Kommunikationswege – in eine einheitliche Ordnung überführt, also synchronisiert werden, vereinfacht das die gesamte Lösung. Die Steuerung komplizierter Antriebssysteme hat in dem Kontext höchsten Anforderungen zu genügen. Als Beispiele seien Verpackungs- und Holzbearbeitungsmaschinen sowie Pick-and-place-Automaten genannt, wo eine exakte Synchronisation immer dann notwendig ist, wenn räumlich verteilte Prozesse gleiche Aktionen nach sich ziehen, zum Beispiel mehrere Servoachsen gleichzeitig koordinierte Bewegungen ausführen sollen. Im Umfeld der Automatisierungstechnik stehen heute nur wenige Kommunikationssysteme zur Verfügung, die eine synchrone Signalübertragung sicherstellen können.

Mit Profinet IRT (Isochronous Real Time) sind beispielsweise Anwendungen mit Zykluszeiten von weniger als 31,25 µs und einem Jitter unter 1 µs möglich. Erreicht wird dies durch die Verwendung eines Verfahrens, in dem die Signallaufzeiten eindeutig vorherbestimmt (deterministisch) sind. Noch exakter arbeitet der Übertragungsstandard Sercos III, der ebenfalls Zykluszeiten von minimal 31,25 µs bei einer Synchronisationsgenauigkeit (Jitter) von weniger als 20 ns erlaubt. Die hohe Genauigkeit resultiert dabei aus einem speziellen Zeitschlitzverfahren.

Als weiteres Kommunikationsprotokoll ist Ethercat anzuführen, das mit Zykluszeiten von weniger als 100 µs und einem Jitter von unter 1 µs derzeit den größten Marktanteil bei den Echtzeitsystemen hält. Ethercat basiert auf dem Ansatz exakt abgeglichener verteilter Uhren, die sich auf den für Synchronisationsaufgaben vorgesehenen Slaves befinden.

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