VVD 2015 Drastische Verkürzung der Reaktionszeiten bis zu 1µs im modularen Maschinenbau und dezentralen Automatisierungsstrukturen

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1 VVD 2015 Drastische Verkürzung der Reaktionszeiten bis zu 1µs im modularen Maschinenbau und dezentralen Automatisierungsstrukturen

2 Verkürzung der Reaktionszeiten bis zu 1µs Agenda Motivation Reaktionszeit Grundlagen und Lösungsansätze für extrem kurze Reaktionszeiten reaction-technologie für Reaktionszeiten bis zu 1µs Anwendungs-Beispiele

3 Motivation Reaktionszeiten üblicher Prozesse und Technologien T Reaktion > 1s Chemische Prozesse, Bioreaktoren Temperaturregelung in Industrieöfen 100ms > T Reaktion > 10ms Drehzahlregelung in Förder- und Zuführtechnik Temperaturzonenregelung in Extrudern 10ms > T Reaktion > 1ms Standard SPS-Funktionen T Reaktion << 1ms Lageregelung für Servoantriebe Druckmarkenregelung in Verpackungsmaschinen Kantenerkennung bei Press- und Postpress-Prozessen Einspritzdrucksteuerung für Spritzgießmaschinen Intelligente Nockenschaltwerke 3

4 Motivation Technologische Herausforderungen Höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten Höhere Genauigkeiten Neue Technologien Höhere Komplexität Verstärkte Preissensibilität bei Ausrüstung und Produkten Erhöhte Produktvolatilität Flexible und modulare Maschinenkonzepte Reduzierung des Engineering

5 Motivation Reaktionszeiten üblicher Prozesse und Technologien intelligentes Feldgerät, Spezial-HW Feldgerät am zentralen System Feldgerät im dezentralen System 10 ms 1ms 100 µs 10 µs

6 Verkürzung der Reaktionszeiten bis zu 1µs Agenda Motivation Reaktionszeit Grundlagen und Lösungsansätze für extrem kurze Reaktionszeiten reaction-technologie für Reaktionszeiten bis zu 1µs Anwendungs-Beispiele

7 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Elemente der Reaktionszeit, zentrales System Zykluszeit T zyk SPS I/O Einlesezeit T inp Eingangsverzögerung T Sensor Ausgabezeit T Out Ausgangsverzögerung T Aktor

8 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Reaktionszeit im zentralen System CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU I/O- Modul T E T A Feldgerät T Ini T Akt Eingangs-Jitter

9 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Elemente der Reaktionszeit im dezentralen System SPS Bearbeitungszeit T prog SPS abhängig > 100µs Eingangspuffer T Epuf SPS abhängig < T prog Ausgangspuffer T Apuf SPS abhängig < T prog I/O Feldbuszyklus T FBZ Bus abhängig > 100µs Feldbuszyklus T FBZ Bus abhängig > 100µs I/O-Modulzyklus T IOZ Typ abhängig > 10µs I/O-Modulzyklus T IOZ Typ abhängig > 10µs Einlesezeit T inp 1) Ausgabezeit T Out 1) Typ abhängig 2) Typ abhängig 2) Eingangsverzögerung T Sensor Typ abhängig Ausgangsverzögerung T Aktor Typ abhängig 1) Analog: Filter, Wandlung Digital: Filter, Verzögerung 2) Analog: > 40 µs, bis Sek. Digital: > 2 µs, typ ms

10 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Elemente der Reaktionszeit im dezentralen System SPS Bearbeitungszeit T prog Zykluszeit T zyk T zyk = T Epuf + T prog + T Apuf Eingangspuffer T Epuf Ausgangspuffer T Apuf I/O Übertragungszeit Feldbuszyklus T FBZ T Ü T Ü = T FBZ + T IOZ Übertragungszeit Feldbuszyklus T FBZ T Ü I/O-Modulzyklus T IOZ I/O-Modulzyklus T IOZ Einlesezeit T inp 1) Ausgabezeit T Out 1) Eingangsverzögerung T Sensor Ausgangsverzögerung T Aktor

11 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Reaktionszeit im dezentralen System, synchronisiert CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU Feld- Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus I/O- Modul T EPh T APh Feldgerät T Initiator T Aktor Eingangs-Jitter Übertragungs-Jitter Übertragungs-Jitter

12 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Reaktionszeit im dezentralen System mit hoher Leistung CPU Feld- Bus I/O- Modul T EPh T APh Feldgerät T Initiator T Aktor

13 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Reaktionszeit im dezentralen System mit Interrupt CPU T Zyklus CPU Feld- Bus T Zyklus Bus T Zyklus Bus I/O- Modul T EPh T APh T Initiator T Aktor Reaktionszeit E/A Feldgerät zusätzlicher E/A Jitter

14 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Elemente der Reaktionszeit, intelligentes Feldgerät Zykluszeit T zyk SPS Parameter Statusinformationen Zykluszeit Feldgerät T zyk, FG Eingangsverzögerung T Sensor Ausgangsverzögerung T Aktor

15 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Reaktionszeit mit intelligenten Feldgeräten CPU T Zyklus, CPU Feld- Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus Feldgerät T Initiator T Aktor T Initiator T Aktor T Initiator T Aktor + 2!+ = + #!+ Prozessdaten Statusinformationen Parameter

16 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Lösungsansätze im Vergleich (1) Steigerung der Systemleistung Software flexibel und mit Standardwerkzeug zu entwickeln Reaktionszeiten unter 100µs nicht realistisch Hohe Anforderungen an Infrastruktur Begrenzung des I/O-Umfanges Kostenintensiv

17 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Lösungsansätze im Vergleich (2) Interrupt basiertes System Software flexibel und mit Standardwerkzeug zu entwickeln Reaktionszeiten unter 50µs je nach Systemleistung möglich Highspeed-I/O verursachen unkalkulierbaren Jitter System wird schnell instabil Begrenzung des Highspeed-I/O-Umfanges Hoher Aufwand bei der Inbetriebnahme und im Service

18 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Lösungsansätze im Vergleich (3) Spezialhardware Reaktionszeiten unter 1µs je nach Systemleistung möglich Beliebiger Highspeed-I/O-Umfang Hard- und Software wird speziell für das Gerät und die Anforderung entwickelt Geräte werden mit kleinster Stückzahl gefertigt -> sehr hohe Stückkosten Lieferzeiten, weltweiter Service Hoher Aufwand bei Änderungen in Hard- und Software

19 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Lösungsansätze im Vergleich (4) Intelligente Feldgeräte Reaktionszeiten unter 1µs je nach Systemleistung möglich Beliebiger Highspeed-I/O-Umfang Hard- und Software wird für das Feldgerät und Anforderungsprofile entwickelt Geräte werden mit geringer Stückzahl gefertigt -> höhere Stückkosten Aufwändige Parametrierung -> höherer Engineeringaufwand Softwareänderungen nahezu unmöglich

20 Reaktionszeit - Grundlagen und Lösungsansätze Lösungsanatz: reaction - Technologie von B&R

21 Verkürzung der Reaktionszeiten bis zu 1µs Agenda Motivation Reaktionszeit Grundlagen und Lösungsansätze für extrem kurze Reaktionszeiten reaction-technologie für Reaktionszeiten bis zu 1µs Anwendungs-Beispiele

22 reaction-technologie im Überblick reaction-technologie im dezentralen System CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU Feld- Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus I/O- Modul T EPh T APh T EPh T APh Feldgerät T Initiator T Aktor T Initiator T Aktor + +2! µs + + Prozessdaten Statusinformationen Parameter

23 reaction-technologie im Überblick reaction-technologie im dezentralen System; Programmwechsel CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU Feld- Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus I/O- Modul T EPh T APh T EPh T APh Feldgerät T Initiator T Aktor T Initiator T Aktor + +2! µs + + Prozessdaten Parameter, Code Code A Code B Codewechsel

24 reaction-technologie im Überblick reaction-technologie im dezentralen System, I/O-Durchgriff CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU Feld- Bus T Zyklus, Bus T Zyklus, Bus I/O- Modul T E T EPh T APh T A Feldgerät T Ini T Initiator T Aktor T Akt + +2! µs + +

25 reaction-technologie im Überblick reaction-technologie im zentralen System CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU I/O- Modul T EPh T APh T EPh T APh Feldgerät T Initiator T Aktor T Initiator T Aktor + +2! µs + +

26 reaction-technologie im Überblick reaction-technologie im zentralen System, I/O-Durchgriff CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU T Zyklus, CPU I/O- Modul T E T EPh T APh T A Feldgerät T Ini T Initiator T Aktor T Akt + +2! µs + +

27 reaction-technologie im Überblick Kombinationen

28 reaction-technologie im Überblick Topologie

29 reaction-technologie im Überblick Programmierung Beispiel: Spritzgießmaschine Komparator und Latch für AI1 Komparator und Latch für AI2 Ergebnis: Laufzeit 0,8 µs Zykluszeit 1 µs DO/AO-Reaktion

30 reaction-technologie im Überblick Eigenschaften Reaktionszeit bis zu 1µs unabhängig von Systemtopologie CPU-Performance Netzwerk-Performance Beliebige Anzahl von reaction-i/o-modulen möglich Verwendung von Standard-Feldgeräten und -I/O-Hardware in IP20/IP67

31 reaction-technologie im Überblick Programmierung Programmierung in der Standard Engineering-Umgebung FBD-Editor nach IEC Simulation und Debugging mit CPU-Performance Viele reaction-programme für ein Modul Ein reaction-programm für viele Module reaction-programmwechsel in Echtzeit möglich

32 reaction-technologie im Überblick Nutzen Effektives Engineering verkürzt die Entwicklungszeiten Standardhardware verkürzt Lieferzeiten Beliebige Systemarchitektur identisches Zeitverhalten Wandelbare Maschinen durch Modularisierung und Optionen Unterstützt Industrie 4.0-Forderung nach Losgröße 1 in Echtzeit

33 Verkürzung der Reaktionszeiten bis zu 1µs Agenda Motivation Reaktionszeit Grundlagen und Lösungsansätze für extrem kurze Reaktionszeiten reaction-technologie für Reaktionszeiten bis zu 1µs Anwendungs-Beispiele

34 reaction-technologie in der Praxis Beispiel 1 Dynamisch totzeitkompensiertes Nockenschaltwerk in einer Verpackungsmaschine Geforderte Reaktionszeit: T Reaktion < 400µs

35 reaction-technologie in der Praxis Beispiel 2 Auslösung einer Bilderaufnahme bei Kantenerkennung in einem Sammelhefter Geforderte Reaktionszeit: T Reaktion < 4,0µs

36 Die richtige Zeit für Ihre Fragen