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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
High-Speed-Steuerung – wenn es auf die Zeit ankommt

In der Hausautomation sind die Reaktionszeiten von Steuerungen eher von untergeordneter Bedeutung. Anders verhält es sich dagegen in der Prozessautomation.

ZX20-Steuerung mit Erweiterungsmodul (Foto: Zander/Aachen)

ZX20-Steuerung mit Erweiterungsmodul (Foto: Zander/Aachen)

Dieser Grundsatz gilt natürlich auch für LED-Leuchten, die aufgrund ihrer besonderen Vorteile, wie Energieeinsparung und insbesondere längere Wartungszyklen, für die Industriebeleuchtung prädestiniert sind.

Überall dort, wo Objekte bewegt, positioniert und bearbeitet werden, ist die Reaktionszeit durchaus von Interesse. Dabei handelt es sich um die Zeit zwischen dem Eintritt eines Ereignisses, dessen Feststellung und der Reaktion der jeweiligen Aktorik.

Die Reaktionszeiten von Steuerungen sind überall dort entscheidend, wo mittels motorischer Antriebe Objekte bewegt und positioniert werden. Das gilt für vergleichsweise einfache Fertigungsanlagen in der Möbelindustrie ebenso wie für Abfüllanlagen der Getränkeindustrie. Die in Aachen beheimatete Firma Zander hat sich seit Jahrzehnten auf die Fertigung von Steuerungen spezialisiert, die ganz speziellen Anforderungen bezüglich der Reaktionszeit genügen.

Bestes aus zwei Welten

Bei der klassischen – prozessorbasierten – SPS wird zyklisch ein Programm abgearbeitet. Die Dauer dieser Programmabarbeitung bewegt sich zwar im Bereich weniger Millisekunden, kann aber, je nach konkreter Prozesssituation, durchaus variieren. Insbesondere dieser „Jitter“ genannte Effekt, also die Schwankungen der Reaktionszeiten, bereiten bei der Prozessautomatisierung Probleme.

Die von Firma Zander angebotenen High-Speed-Steuerungen [1] basieren auf einem anderen Lösungsansatz. Kern der Steuerung ist nicht ein Prozessor, sondern ein konfigurierbarer Digitalbaustein. Das Besondere dieser Bausteine (CPLD und FPGA) besteht darin, dass deren Funktion nicht bei der Herstellung bestimmt, sondern erst durch eine sich daran anschließende „Programmierung“ festgelegt wird. Durch diesen Arbeitsgang wird die Hardware verändert. Das Programm wird in die Hardware „gebrannt“. Hierzu werden spezielle Hardwarebeschreibungssprachen wie Verilog oder VHDL verwendet. Die aktuell verfügbaren CPLDs und FPGAs können nahezu beliebig oft beschrieben werden. Bezüglich der Möglichkeit der Programmierung verhalten sich CPLDs und FPGAs im Wesentlichen wie eine speicherprogrammierbare Steuerung. Bezüglich der Reaktionszeiten verhalten sie sich wie eine verbindungsprogrammierte Steuerung, da die Signalverarbeitung parallel erfolgt.

Auf CPLDs und FPGAs basierende Steuerungen vereinen damit entscheidende Vorteile einer speicherprogrammierbaren Steuerung mit denen einer verbindungsprogrammierten Steuerung.

Gerätetechnik

Zum aktuellen Angebot des Aachener Unternehmens gehören neben Steuerungen, die für Einzellösungen bestimmt sind, auch Steuerungen, die eine Einbindung in eine größere Anlage erlauben. Es handelt sich dabei um Reiheneinbaugeräte für deren Konfiguration mit EX_PRESS 4 und EX_PRESS 5 zwei Werkzeuge zur Verfügung stehen, die eine Programmierung mittels der textbasierten (in IEC 61131-3 normierten) Sprache „Strukturierter Text“ (ST) erlauben.

ZX4/8-Baureihe

Diese Baureihe basiert auf CPLD-Bausteinen: Die angebotenen Geräte unterscheiden sich bezüglich der verfügbaren Ein- und Ausgänge. Die Eingänge können mit Gleichspannungen von 18 V bis 30 V beaufschlagt werden. Die Transistorausgänge können Gleichströme bis zu 0,5 A bei Spannungen von 10 V bis 30 V schalten. Zur Programmierung wird das Tool EX_PRESS 4 genutzt. Steuerungen dieser Baureihe sind vor allem zur Lösung abgegrenzter Aufgabenstellungen geeignet, da eine Einbindung dieser Steuerungen in ein größeres Automatisierungssystem nicht vorgesehen ist.

ZX20-Baureihe

Diese Geräte basieren auf den deutlich leistungsfähigeren FPGA. Das wird nicht nur an der höheren Anzahl der Ein- und Ausgänge, sondern anhand der möglichen Anzahl an Zeitgliedern sichtbar. Geräte der ZX20-Baureihe verfügen über 20 Ein- und 16 Ausgänge. Die elektrischen Parameter der Ein- und Ausgänge entsprechen denen der ZX4/8-Baureihe. Es können bis zu 2000 Timer vereinbart werden. Geräte der ZX20-Baureihe sind zur Einbindung in größere Automatisierungssysteme vorgesehen. Sie verfügen dazu generell über einen Ethernet-Anschluss, sowie – wahlweise – über die Möglichkeit zur Anbindung an ProfiNET- oder EtherCAT-Anlagen. Der Ethernet-Anschluss wird auch zur Programmierung genutzt. Hierfür steht die Programmiersoftware EX_PRESS 5 zur Verfügung. ZX20-Geräte können über einen internen Bus um Erweiterungsmodule mit wahlweise

  • 4 analogen Eingängen oder
  • 4 analogen Ein- und 4 analogen Ausgängen

ergänzt werden (Bild 1).

Programmierung

Zur Programmierung sind Kenntnisse in einer Hardwarebeschreibungssprache nicht nötig. Die Programmiertools EX_PRESS 4 und EX_PRESS 5 ermöglichen eine Nutzung der in der Norm IEC 61131-3 standardisierten Programmiersprache Strukturierter Text (ST). Wer über Erfahrungen in dieser Programmiersprache verfügt, wird kaum auf Schwierigkeiten stoßen. Erfahrungen in einer anderen höheren Programmiersprache wie etwa Pascal sind natürlich gleichermaßen von Nutzen. Für die Einarbeitung in die Programmierungstools stehen gut strukturierte Handbücher zur Verfügung.

Fazit: Die angebotenen High-Speed-Steuerungen sind überall dort eine interessante Alternative, wo es um zeitkritische Anwendungen geht. Neben Anwendungsfällen, bei denen der Einsatz zwingend erforderlich ist, gibt es sicher auch Fälle, die sich – mit einiger Mühe – noch mit den klassischen Steuerungen realisieren lassen. Aber dort sind diese High-Speed-Steuerungen ggf. die elegantere und vielleicht auch kostengünstigere Lösung.

Literatur: [1] Informationen zu CPLD-/FPGA-basierten High-Speed-Steuerungen der ZX-Produktreihe. H. Zander GmbH & Co. KG Aachen: zander-aachen.de.

Autor: H. Möbus

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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