XFC
eXtreme Fast Control Technology Beckhoff stellt extrem schnelles Automatisierungssystem vor

Mit der XFC-Technologie (eXtreme Fast Control Technology) präsentiert Beckhoff eine extrem schnelle Steuerungslösung. Damit ist es möglich, I/O-Response-Zeiten von 100Mikrosekunden zu realisieren. Wir zeigen, wie XFC funktioniert und wie Anwender davon profitieren können.

Autor: Dr.-Ing. Dirk Janssen, Beckhoff Automation GmbH & Co. KG.


XFC steht für eine Steuerungstechnologie, die sehr schnelle und extrem deterministische Reaktionen ermöglicht. Sie besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten: optimierten E/As, die mit hoher Genauigkeit Signale aufnehmen bzw. Aktionen auslösen können, EtherCat als extrem schnellem Kommunikationsnetzwerk sowie leistungsfauml;higen Industrie-PCs und der Automatisierungssoftware TwinCat, die alle Systembestandteile miteinander verbindet. Es ist noch nicht lange her, da waren Steuerungszykluszeiten im Bereich von 10 bis 20ms normal. Die Kommunikationsanbindung war freilaufend, so dass auch der Determinismus, mit dem auf Signale aus dem Prozess reagiert werden konnte, entsprechend ungenau war. Durch die zunehmende Verbreitung von leistungsfauml;higen Industrie-PC-Steuerungen ließen sich die Zykluszeiten auf 1 bis 2ms senken - also um etwa eine Zehnerpotenz. Viele spezielle Regelkreise ließen sich dadurch auf die zentrale Maschinensteuerung verlagern, was neben Kostenersparnis auch einen flexibleren Einsatz intelligenter Algorithmen erlaubte. XFC bringt eine weitere Zehnerpotenz und erlaubt Zykluszeiten von 100Mikrosekunden, ohne auf die zentrale Intelligenz und ihre leistungsfauml;higen Algorithmen verzichten zu müssen. XFC beinhaltet zusauml;tzlich Technologien, die neben der reinen Zykluszeit speziell die zeitliche Genauigkeit verbessern und die Auflösung erhöhen. Dem Anwender eröffnen sich dadurch neue Möglichkeiten, um seine Maschine qualitativ zu verbessern und Reaktionszeiten zu verkürzen. Messtechnische Aufgaben wie z.B. prauml;ventive Wartungsmaßnahmen, Überwachung von Standzeiten oder die Dokumentation der Teilequalitauml;t lassen sich in einfacher Weise in die Maschinensteuerung integrieren, ohne dass zusauml;tzliche, teure Spezialgerauml;te benötigt werden. Natürlich muss in einer praktischen Automatisierungslösung nicht alles extrem schnell und genau sein - viele Teilaufgaben lassen sich weiterhin mit 'normalen' Anforderungen lösen. Die XFC-Technologie ist daher vollstauml;ndig kompatibel zu bestehenden Lösungen und kann gleichzeitig auf derselben Hard- und Software genutzt werden.

Wie funktioniert XFC?


Distributed-Clocks: Betrachtet man einen normalen, diskreten Regelkreis, dann wird zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Istwerterfassung (Eingangskomponente) durchgeführt, das Ergebnis an die Steuerung geliefert (Kommunikationskomponente), die Reaktion berechnet (Steuerungskomponente), deren Ergebnis an die Sollwertausgabebaugruppe (Ausgangskomponente) kommuniziert und an den Prozess (Regelstrecke) ausgegeben. Für den Regelprozess entscheidend ist, neben einer möglichst kurzen Reaktionszeit, sowohl eine deterministische, d.h. zeitlich exakt berechenbare Istwerterfassung, als auch eine damit korrespondierende, deterministische Sollwertausgabe. Zu welchem Zeitpunkt in der Zwischenzeit kommuniziert und berechnet wird, spielt keine Rolle, solange die Ergebnisse bis zum nauml;chsten Ausgabezeitpunkt in der Ausgabeeinheit zur Verfügung stehen. Die zeitliche Exaktheit wird also in den I/O-Komponenten benötigt und nicht in der Kommunikation oder in der Berechnungseinheit. Die verteilten Uhren von EtherCat (Distributed-Clocks) stellen daher eine XFC-Basistechnologie dar und sind allgemeiner Bestandteil der EtherCat-Kommunikation. Jeder EtherCat-Teilnehmer verfügt über eine eigene lokale Uhr, die automatisch durch die EtherCat-Kommunikation mit allen anderen Uhren stauml;ndig abgeglichen wird. Unterschiedliche Kommunikationslaufzeiten werden ausgeglichen, so dass die maximale Abweichung aller Uhren untereinander in der Regel unter 100ns betrauml;gt. Die aktuelle Zeit der verteilten Uhren wird daher auch als ­Systemzeit bezeichnet, da sie im gesamten System jederzeit zur Verfügung steht.

Timestamp-Data-Types: Normalerweise werden Prozessdaten in ihrem jeweiligen Datenformat übertragen (z.B. ein Bit für einen digitalen Wert oder ein Wort für einen analogen Wert). Die zeitliche Bedeutung des Prozessdatums ergibt sich entsprechend aus dem Kommunikationszyklus, in dem das Datum übertragen wird. Dadurch sind aber auch die zeitliche Auflösung und Genauigkeit auf den Kommunikationszyklus beschrauml;nkt. Timestamp-Data-Types beinhalten, zusauml;tzlich zu ihren Nutzdaten, einen Zeitstempel. Dieser Zeitstempel (natürlich in der überall verfügbaren Systemzeit) ermöglicht es, wesentlich genauere Informationen zum zeitlichen Bezug des Prozessdatums zu geben. Zeitstempel können sowohl für Eingauml;nge (wann hat sich etwas ereignet?) als auch für Ausgauml;nge (wann soll eine Reaktion erfolgen?) genutzt werden.

Oversampling-Data-Types: Normalerweise werden Prozessdaten genau einmal pro Kommunikationszyklus übertragen. Dadurch ist im Umkehrschluss die zeitliche Auflösung eines Prozessdatums direkt von der Kommunikationszykluszeit abhauml;ngig. Höhere zeitliche Auflösungen sind nur durch Verringerung der Zyk­luszeit möglich, was natürlich praktischen Grenzen unterliegt. Oversampling-Data-Types ermöglichen die mehrfache Abtas­tung eines Prozessdatums innerhalb eines Kommunikationszyk­lus und die anschließende (Eingauml;nge) oder vorherige (Ausgauml;nge) Übertragung aller Daten in einem Array. Der Oversampling-Faktor beschreibt dabei die Anzahl der Abtastungen innerhalb eines Kommunikationszyklus und ist daher ein Vielfaches von Eins. Abtastraten von 200kHz sind ohne Weiteres auch mit moderaten Kommunikationszykluszeiten möglich. Das jeweilige Triggern der Abtastung in den E/A-Komponenten wird wiederum durch die lokale Uhr bzw. die globale Systemzeit gesteuert, was entsprechende zeitliche Beziehungen zwischen verteilten Signalen im gesamten Netzwerk ermöglicht.

Optimierte I/O-Kommunikation: Um sehr schnelle, physikalische Reaktionen zu bekommen, sind in jedem Fall entsprechend kurze Steuerungszykluszeiten in der zugeordneten Steuerung notwendig. Eine Reaktion kann erst dann erfolgen, wenn die Steuerung ein Ereignis erkannt und verarbeitet hat. Der klassische Ansatz, um Zykluszeiten im Bereich von 100Mikrosekunden zu erreichen, sind ausgelagerte Spezialsteuerungen, die über eigene, direkt angesteuerte E/As verfügen. Dieser Ansatz hat klare Nachteile, da die ausgelagerte Steuerung nur über sehr beschrauml;nkte Informationen des Gesamtsystems verfügt und daher keine übergeordneten Entscheidungen treffen kann. Eine Umparametrisierung, z.B. für neue Werkstücke, ist ebenfalls nur eingeschrauml;nkt möglich. Größter Nachteil ist aber auch die starre E/A-Konfiguration, die sich in der Regel nicht erweitern lauml;sst.

XFC-Komponenten


Zur Umsetzung der beschriebenen XFC-Technologien bedarf es einer durchgauml;ngigen Unterstützung in allen an der Steuerung beteiligten Hard- und Softwarekomponenten. Hierzu gehören neben der schnellen, determinis­tischen Kommunikation sowohl die I/O- als auch die Steuerungshardware. Einen entscheidenden Anteil an XFC besitzen die Softwarekomponenten, die neben der schnellen Abarbeitung der Steuerungsalgorithmen vor allem eine optimierte Konfiguration des Gesamtsystems vornehmen. Beckhoff bietet für die XFC-Technologie eine entsprechende Produktpalette, die vorrangig auf vier Sauml;ulen basiert: EtherCat als Feldbus, EtherCat-Klemmen als E/A-System, IPC als Hardwareplattform und TwinCat als überlagerte Software. Alle Komponenten haben gemeinsam, dass sie auf offenen Standards basieren. Damit ist jeder Ingenieur oder Programmierer in der Lage, basierend auf Standard-Komponeten - also ohne spezielle Hardwarebaugruppen - extrem schnelle und leistungsfauml;hige Steuerungslösungen zu erstellen.

E/A-Komponenten: Die Standard-EtherCat-Klemmen unterstützen die XFC-Technologie. Synchronisierung der E/A-Wandlung mit der Kommunikation oder - noch genauer - mit den Distributed-Clocks ist bei EtherCat bereits Standard und wird entsprechend von allen Klemmen unterstützt. Neu entwi­ckelte XFC-Klemmen bieten darüber hinaus spezielle Eigenschaften für besonders schnelle oder besonders genaue Einsatzfauml;lle: -digitale EtherCat-Klemmen mit extrem kurzen Ton/Toff-Zeilen oder analoge Klemmen mit besonders kurzen Wandelzeiten -EtherCat-Klemmen mit Timestamp latchen die exakte Systemzeit, an der digitale oder analoge Ereignisse auftreten. Ebenso kann die Ausgabe von digitalen oder analogen Werten zu exakt vorher bestimmten Zeiten durchgeführt werden. -Klemmen mit Oversampling ermöglichen eine deutlich höher aufgelöste Istwerterfassung oder Sollwertausgabe als die Kommunikationszykluszeit.

Kommunikationskomponente: EtherCat bietet mit der hohen Kommunikationsgeschwindigkeit und der hohen Nutzdatenrate die Grundvoraussetzung für XFC. Geschwindigkeit ist dabei aber nicht alles. Gerade die Möglichkeit, über den Bus mehrere unabhauml;ngige Prozessabbilder austauschen zu können, die entsprechend der Steuerungsapplikation auf ihm angeordnet sind, ermöglicht die parallele Nutzung von XFC und Standardsteuerungstechnik. Die zentrale Steuerung wird von zeitaufwendigen Kopier- und Mappingaufgaben entlastet und kann die verfügbare Rechenleistung voll für die Steuerungsalgorithmen nutzen. Die verteilten Uhren sind ohne nennenswerten Mehraufwand in allen Kommunikationsteilnehmern vorhanden. Entscheidend für XFC ist aber die Möglichkeit, alle E/A-Komponenten direkt in die EtherCat-Kommunikation einzubinden, so dass vollstauml;ndig auf unterlagerte Kommunikationssysteme (Sub-Bus) verzichtet werden kann. In vielen XFC-Klemmen ist der AD- oder DA-Konverter direkt am EtherCat-Chip angeschlossen, so dass keine Zeitverluste auftreten.

Steuerungskomponente: Zentrale Steuerungstechnik kann ihre Vorteile insbesondere dann ausspielen, wenn in der Zentrale schnellere und leistungsfauml;higere Steuerungsalgorithmen ablaufen können als in vielen verteilten Kleinsteuerungen. Moderne Industrie-PCs bieten deutlich mehr Rechenleistung und Speicher zu geringeren Kosten als die Summe einer Vielzahl von Kleinsteuerungen. Auch die neuesten Entwicklungen aus der allgemeinen PC-Technik können vorteilhaft für die Steuerungstechnik genutzt werden. Schnelle Dual-Core-Prozessoren bieten Eigenschaften, um neben den Steuerungsaufgaben auch die Bedienoberflauml;che der Maschine ablaufen zu lassen. Große Caches der modernen CPUs sind gerade für die XFC-Technologie optimal, da die schnellen Algorithmen im Cache ablaufen und daher noch einmal deutlich schneller abgearbeitet werden können. Wichtig für die kurzen XFC-Zykluszeiten ist aber auch, dass die CPU nicht mit aufwendigen Kopieraktionen der Prozessdaten belastet wird, wie sie bei klassischen Feldbussen mit ihren auf DPRAM basierenden Zentralkarten verursacht werden. Die Prozessdatenkommunikation kann vollstauml;ndig vom integrierten Ethernet-Controller (NIC mit Bus-Master-DMA) durchgeführt werden.

Softwarekomponente: TwinCat als leistungsfauml;hige Automatisierungssuite unterstützt die XFC-Technologien vollstauml;ndig. Gleichzeitig bleiben alle bekannten Eigenschaften erhalten. Die Echtzeitrealisierung von TwinCat unterstützt unterschiedliche Tasks mit verschiedenen Zykluszeiten. Auf modernen Industrie-PCs sind Zykluszeiten von 100Mikrosekunden und auch darunter problemlos erzielbar. Hierbei können mehrere (auch unterschiedliche) Feldbusse gemischt werden; entsprechend der Fauml;higkeiten der Feldbusse wird eine optimale Berechnung der entsprechenden Zuordnungen und Kommunikationszyklen durchgeführt. Die EtherCat-Implementation in TwinCat nutzt dabei das Kommunikationssystem voll aus, erlaubt mehrere unabhauml;ngige Zeitebenen zu nutzen und verwendet die Distributed-Clocks. Gerade die unterschiedlichen Zeitebenen erlauben eine Koexistenz von XFC und normalen Steuerungstasks im selben System, ohne dass die XFC-Anforderungen zum 'Flaschenhals' werden. Neu ist die Möglichkeit, Eingauml;nge in unabhauml;ngigen Kommunikationsaufrufen einzulesen und direkt nach der Berechnung die Ausgauml;nge zu verschicken. Aufgrund der Geschwindigkeit von EtherCat werden "kurz" vor Beginn der Steuerungstasks die Eingauml;nge frisch eingelesen und anschließend sofort an die Ausgauml;nge verteilt. Dadurch werden Reaktionszeiten erreicht, die teilweise unterhalb der Zykluszeit liegen. Spezielle Erweiterungen in TwinCat erleichtern zudem den Umgang der neuen XFC-Datentypen (Timestamp und Oversampling). SPS-Bausteine erlauben die einfache Analyse und Berechnung der Zeitstempel. Das TwinCat-Scope kann die per Oversampling erfassten Daten entsprechend dem zugeordneten Oversampling-Faktor darstellen und ermöglicht genaueste Analysen der Daten.


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