Anlagenperformance optimieren: High-Speed-Module machen es möglich

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Sie sind die kleinen, aber entscheidenden Stellschrauben für die Maschinenperformance: Aufgaben, die zwar keine große Rechenleistung, dafür aber sehr kurze Verarbeitungszeiten benötigen. Durch das Auslagern solcher Funktionen in entsprechend schnelle Baugruppen können Maschinen- und Anlagenbauer nicht nur Zykluszeiten unter einer Mikrosekunde erreichen, sondern auch die zentrale CPU entlasten.

Mehr Leistung, kürzere Takt­raten, weniger Ausschuss – wie rasant die Anforderungen an die Maschinenleistung steigen, lässt sich unter anderem bei PET-Streckblasmaschinen in der Getränkeabfüllung beobachten. Waren vor einigen Jahren noch Anlagen ein Benchmark für die Maschinenleistung, die rund 80.000 Preforms – also Kunststoffrohlinge für Flaschen – verarbeiten konnten, schaffen Anlagen mittlerweile 100.000 Preforms pro Stunde, was einer Leistungssteigerung von 25 Prozent entspricht. Damit solche Prozesse aber nicht nur schnell, sondern auch effizient und reproduzierbar ablaufen, müssen eine Vielzahl von einzelnen Schritten mit einer hohen Taktgeschwindigkeit ablaufen und ineinandergreifen, um die Anlagenperformance zu optimieren.

Bottlenecks für den Gesamtprozess: einfache, aber schnelle Prozesse

Genau diese ultraschnellen Aufgaben werden in vielen Fällen zu einer Herausforderung für den Maschinen- und Anlagenbauer. In schnellen Maschinen gibt es neben den allgemeinen Steuerungsaufgaben häufig auch Prozesse, die keine besonders große Rechenleistung erfordern, dafür aber in einer sehr kurzen Zeit ablaufen müssen. Im Fall der Getränkeabfüllung ist dies zum Beispiel die Prüfung, ob die PET-Flasche der Etikettierstation richtig zugeführt wurde. Solche einfachen „ja/nein“- oder „gut/schlecht“-Entscheidungen gehören zu den klassischen „Bottlenecks“ im Gesamtprozess, da die Maschine warten muss, bis die Station oder das Produkt freigegeben wurde.

In solchen Fällen einfach eine leistungsstärkere SPS einzusetzen, ist jedoch nicht immer zielführend, insbesondere, wenn die erforderlichen Zykluszeiten deutlich unter der Zykluszeit der SPS liegen. Für solche Aufgaben muss man spezielle Baugruppen einsetzen, die für schnelle Reaktionszeiten optimiert sind. Diese Baugruppen werden von der CPU angesteuert und führen dann die jeweilige Aufgabe selbständig aus. Dazu besitzen die Technologiemodule eine eigene Anwendungslogik, mit der sich sehr kurze Reaktionszeiten realisieren lassen. Das bekannteste Beispiel für Technologiebaugruppen sind High-Speed-Zähler, die selbständig auf einen Zählerstand reagieren.

Anlagenperformance verbessern: Vielseitige Möglichkeiten dank programmierbarer Logik

Für alle Aufgaben, für die es keine vordefinierte Technologiebaugruppe gibt, ist das Simatic S7-1500 TM Fast-Modul die passende Antwort. Mit diesem Technologie­modul können Anwender die Simatic S7-1500 Controller um ein anwendungsspezifisches High-Speed-Modul erweitern. Die Anwendungslogik wird auf die jeweilige Aufgabe zugeschnitten und läuft auf einem Field Programmable Gate Array (FPGA) im Modul. Über zahlreiche digitale Ein- und Ausgänge, darunter auch Differenz-Ein-/Ausgänge für noch kürzere Schaltzeiten, lassen sich digitale Signale von Sensoren und Gebern verarbeiten und entsprechende Reaktionen ausgeben. Die aufgabenspezifische Anwendungslogik für das Intel Cyclone FPGA können die Anwender über die Engineering-Toolkette Intel Quartus Prime erstellen und mit Simatic-Mitteln komfortabel in das Modul laden.

Reaktionszeiten unter 1 µs

Durch ihren internen Aufbau erreicht die Baugruppe eine Zykluszeit von nur 20 Nano­sekunden. Zum Vergleich: In einer Milli­sekunde, der Zykluszeit einer typischen SPS, legt Licht im Vakuum 300 Kilometer zurück, in 20 Nanosekunden lediglich sechs Meter. Die Gesamtreaktionszeit des Moduls von Auftreten eines Ereignisses, einer komplexen Verarbeitung oder Berechnung bis zur Reaktion am Ausgang kann deutlich unter einer Mikrosekunde gesenkt werden, abhängig von Treiberlaufzeiten und Transistor-Schaltzeiten. Da die Anweisungen im FPGA parallel abgearbeitet werden, lassen sich mehrere Ausgänge bitsynchron schalten, zum Beispiel um pixelgenaue Punktmuster auf mehreren parallelen Spuren zu erzeugen.

Prozesse nicht nur schnell, sondern auch präzise ansteuern für eine bessere Anlagenperformance

Welche Möglichkeiten eine ultraschnelle Ansteuerung von Prozesskomponenten bietet, lässt sich besonders eindrucksvoll bei der Positionierung von Laserspiegeln zeigen. Dazu werden die Eckpunkte für den Laser von der SPS an die TM-Fast-Baugruppe übertragen. Die Baugruppe interpoliert dann linear zwischen diesen Punkten mit einem Abstand von 16 Mikrometern und überträgt die Sollwerte für die zwei Spiegel, die den Laserstrahl umlenken. Dazu überträgt die Baugruppe alle 20 Mikrosekunden einen neuen Positions-Sollwert mit einer Übertragungsrate von zwei Megahertz auf vier Spuren bitsynchron an die Spiegeleinheit – und benötigt dabei nur ­20 Prozent der verfügbaren Ressourcen.

Mit einer solchen dezentralen Intelligenz können Anwender Komponenten und Prozesse nicht nur besonders schnell, sondern auch besonders präzise ansteuern und so die Anlagenperformance optimieren. Aber auch bei kritischen Applikationen, in denen das System bei einer Störung sehr schnell reagieren muss – etwa in Forschungsanwendungen – lassen sich mit dem TM-Fast-Modul die geforderten Reaktionszeiten von unter zehn Mikrosekunden erreichen. Bei Prüfprozessen können schnelle Technologiemodule helfen, den Prozess deutlich zu beschleunigen. So lassen sich in einem Prüfstand die einzelnen Prüfschritte abhängig von der Position ansteuern. Durch die schnelle Reaktionszeit kann man damit enge Prüfraster bei hoher Geschwindigkeit realisieren, ohne dass sich dadurch der Prüfprozess verlängert.

Zusammenspiel zwischen zentraler und verteilter Intelligenz

Durch die Kombination aus Genauigkeit und Geschwindigkeit ist die Simatic S7-1500 TM Fast-Baugruppe mit ausgelagerter intelligenter Vor-Ort-Verarbeitung ein wichtiges Instrument, um die Anlagenperformance und Leistung einer Maschine durch gezieltes De-Bottlenecking zu verbessern. Mit schnellen dezentralen Technologiemodulen können Anwender eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit gezielt für die Operationen zur Verfügung stellen, die diese Geschwindigkeit auch benötigen, und damit die Performance des gesamten Prozesses optimieren. Zudem entlastet die verteilte Intelligenz die zentrale SPS und schafft dadurch Kapazitäten für weitere Aufgaben. Da die Simatic-TM-Fast-Baugruppe mit ihrer eigenen Anwendungslogik ausgestattet ist, wird sie wie jede andere Automatisierungskomponente in die Gesamtlösung eingebunden. So können Maschinen- und Anlagenbauer ihr Automatisierungs- mit ihrem Technologie-Know-how kombinieren und optimal nutzen, um die Produktivität und Präzision ihrer Maschine zu verbessern. So schafft die Kombination aus zentraler und dezentraler Intelligenz auch mehr Freiheitsgrade für Ideen und Innovationen.

Der Autor Willi Gagsteiger ist Product Manager für Simatic-Technologie-Module bei Siemens.

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